爆炸荷載作用下BFRC梁的壓電骨料損傷評估研究*

許 凱，黃 艷，魯光濤，馮 謙

(1.武漢科技大學(xué) a.城市建設(shè)學(xué)院；b.高性能工程結(jié)構(gòu)研究院，武漢 430065；2.冶金裝備及其控制教育部重點實驗室(武漢科技大學(xué))，武漢 430081；3.中國地震局地震研究所，武漢 430071)

工業(yè)生產(chǎn)活動中對易燃易爆物品管理不當(dāng)，城市燃氣管道泄漏，乃至恐怖分子蓄意破壞等危險狀況都可能引起嚴重的爆炸事故。爆炸往往會造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。爆炸荷載所產(chǎn)生的大撓度和高應(yīng)力會對建筑結(jié)構(gòu)造成不可修復(fù)的損傷，從而導(dǎo)致關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的失效[1-3]。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是最為廣泛的建筑形式，鋼筋混凝土梁是保證結(jié)構(gòu)安全使用的重要構(gòu)件。梁的損壞會造成結(jié)構(gòu)功能的喪失甚至引起結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌。因此，設(shè)法減輕鋼筋混凝土梁在受爆炸沖擊后的損傷，以及對某些可能遭遇爆炸的鋼筋混凝土梁進行損傷監(jiān)測十分必要。

傳統(tǒng)混凝土材料在抗拉性能、干燥收縮、斷裂韌性和耐久性等方面存在明顯不足，在混凝土中加入各類工程纖維是改善其材料力學(xué)性能的常用方法。在不同的摻入纖維中，玄武巖纖維因抗拉強度高、彈性模量大、耐腐蝕性強、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，近來在混凝土工程中得到了廣泛應(yīng)用。許多學(xué)者對玄武巖纖維混凝土(Basalt fiber Reinforced concrete，BFRC)材料的抗壓[4]、劈裂拉伸和抗彎強度等宏觀力學(xué)性能進行了深入的研究[5，6]。結(jié)果表明:BFRC可以顯著改善混凝土材料的力學(xué)性能。在玄武巖纖維混凝土抗爆抗沖擊領(lǐng)域，Zhang H等研究了不同體積摻入率的BFRC在不同高應(yīng)變率下的沖擊行為[7]。在沖擊載荷作用下，合理添加玄武巖纖維可以顯著提高混凝土的動態(tài)抗壓強度，其動態(tài)抗壓強度值的增長與應(yīng)變速率的增長近似成線性關(guān)系。賴建中等在混凝土中摻入鋼纖維及玄武巖骨料以增強混凝土的韌性[8]，達到了顯著的阻裂效果，從而明顯提高了混凝土的抗侵徹性能。

摻入玄武巖纖維是為了改善混凝土材料的力學(xué)性能，提高其在沖擊荷載下的抗破損能力。

因此，研究BFRC的損傷機理，準確判斷其在復(fù)雜工況下的損傷程度是進一步推廣應(yīng)用BFRC混凝土材料的重點。Yang L等研究了玄武巖纖維摻量對混凝土損傷程度的影響[9]，隨著玄武巖纖維摻量的增加，BFRC表面的長裂紋逐漸向細小微裂紋演化，表明玄武巖纖維摻量的增加能有效減弱BFRC混凝土的局部損傷。李威等和Yu X等以爆坑形態(tài)、剝落直徑和深度為指標(biāo)對玄武巖纖維梁的抗爆性能進行了一系列研究[10,11]，這些研究可以初步定性地判斷梁的損傷情況。

近年來，有學(xué)者利用壓電陶瓷材料靈敏度高、頻響范圍寬、能耗低的特點將其應(yīng)用于混凝土材料的內(nèi)部損傷監(jiān)測[12-14]。Ai D等利用壓電阻抗法探知混凝土梁在加載過程中的損傷發(fā)展[15]，蔡路軍等利用壓電主動監(jiān)測法對爆炸下鋼筋混凝土板的內(nèi)部損傷進行監(jiān)測[16]，Xu K等利用嵌入式壓電智能骨料SAs(Smart Aggregates)對爆炸載荷下鋼筋混凝土柱進行了損傷分析[17]。試驗結(jié)果表明:由壓電傳感器獲得的損傷指數(shù)，不僅可以描述混凝土材料的損傷演化，還可以準確評估構(gòu)件的損傷程度。

本文制作了3根鋼筋混凝土試驗梁，其中2根為玄武巖纖維混凝土梁。在澆筑時，預(yù)先在試驗梁內(nèi)部置入壓電智能骨料傳感器(SAs)。對試驗梁施加爆炸荷載，通過加速度和應(yīng)變傳感器監(jiān)測梁的動態(tài)響應(yīng)，通過壓電智能骨料獲得監(jiān)測區(qū)域材料的損傷情況。綜合分析試驗所得數(shù)據(jù)，對比研究普通鋼筋混凝土梁與玄武巖纖維鋼筋混凝土梁在爆炸荷載作用下的抗損能力。

1 基于壓電智能骨料的主動傳感技術(shù)

1.1 壓電智能骨料與測損原理

壓電效應(yīng)是壓電材料的重要特性，包括正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，因此壓電材料可以用于制作發(fā)射信號的驅(qū)動器和接收信號的傳感器。壓電材料比較脆弱，將其制作成不易損壞的壓電智能骨料(見圖1)，使其能夠應(yīng)用于實際工程檢測。在制作混凝土試驗構(gòu)件時，將一對壓電智能骨料(SAs)置于構(gòu)件內(nèi)部，一端作為發(fā)射信號的驅(qū)動器，另一端作為接收信號的傳感器。在損傷監(jiān)測的過程中，驅(qū)動器發(fā)射的信號形成應(yīng)力波在構(gòu)件內(nèi)傳播，由于混凝土材料存在裂縫，應(yīng)力波在穿過該區(qū)域后，能量會明顯衰減，傳感器一端所接收到的信號就包含了應(yīng)力波所攜帶的損傷信息(見圖2)。分析比較在不同損傷程度下傳感器所接收到的信號，得到相應(yīng)的應(yīng)力波能量衰減比例，由此判斷出混凝土構(gòu)件的受損程度以及受損位置。

圖 1 壓電智能骨料Fig. 1 Piezoelectric Smart Aggregate

圖 2 基于壓電智能骨料主動傳感技術(shù)的測損原理Fig. 2 Damage detection scheme based on active sensing technology using smart aggregates

1.2 基于小波包能量法的損傷指數(shù)

混凝土材料內(nèi)部的裂隙是應(yīng)力波在傳遞過程中能量衰減的主要原因。因此，監(jiān)測混凝土構(gòu)件受爆炸荷載前后內(nèi)置壓電傳感器的信號能量，可以作為判定混凝土內(nèi)部損傷程度的指標(biāo)。施加爆炸荷載的實驗環(huán)境存在各類干擾信號，因此，需要使用合適的信號處理技術(shù)進行降噪處理。小波能量分析法被廣泛應(yīng)用于信號處理、圖像處理等多個領(lǐng)域，它具有多分辨時頻局部化分析和快速線性多通道帶通濾波的特性[18,19]。本文采用小波包能量分析法，給出了不同損傷情況下傳感器接收能量的相應(yīng)值。

將信號能量作為內(nèi)部損傷的指標(biāo)參數(shù)，采用1階小波能量進行結(jié)構(gòu)的損傷定位，假設(shè)第k層的響應(yīng)信號為xk(t)，則第k層1階小波能量定義為

(1)

式中:Wk1(a,b)m×n為由xk(x)進行小波變換得到的系數(shù)矩陣；m為尺度ai個數(shù)；n為采樣時間點bj個數(shù)。

假定一個時間長度為2Δt，則1階小波能量在每個中心點的值為

(2)

(3)

當(dāng)ΔEk1(t)→0時，表示被測構(gòu)件和其初始狀態(tài)相比，沒有明顯裂隙，而當(dāng)ΔEk1(t)→1時，則說明構(gòu)件內(nèi)部的監(jiān)測區(qū)域已經(jīng)產(chǎn)生了大量的裂縫。

2 試件和試驗裝置

2.1 試件的制作

玄武巖纖維鋼筋混凝土梁截面尺寸為b×h=100 mm×200 mm，總長L=1500 mm。梁頂部底部對稱配筋，各配置2根直徑8 mm的HRB400螺紋鋼筋，箍筋采用直徑為6 mm的HPB300鋼筋，其間距為200 mm，混凝土保護層厚度20 mm，智能骨料間距400 mm，詳細尺寸如圖3所示。

圖 3 試驗梁尺寸與智能骨料埋設(shè)位置(單位：mm)Fig. 3 Diagram of beam section and locations of embedded SAs(unit:mm)

試件采用C30強度混凝土，水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，選用短切玄武巖纖維(圖4)，其性能指標(biāo)見表1。依據(jù) JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》和JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，并結(jié)合參考文獻數(shù)據(jù)，3根試驗梁的玄武巖纖維體積率分別表示為：0%，0.1%，0.2%，編號設(shè)為BFRC0，BFRC1和BFRC2，混凝土配合比如表2所示。試樣按標(biāo)準養(yǎng)護程序養(yǎng)護28 d。

表 1 玄武巖纖維的物理化學(xué)性能

表 2 混凝土配合比

圖 4 短切玄武巖纖維Fig. 4 Basalt fibers chopped strand

在澆筑混凝土之前，在預(yù)定位置上固定好兩個智能骨料，如圖5所示。澆筑后的玄武巖纖維混凝土梁如圖6所示。

圖 5 試驗梁鋼筋籠Fig. 5 Reinforcement cage of testing beams

圖 6 施加爆炸荷載前的試驗梁Fig. 6 Testing beams before blast loading

為監(jiān)測梁的動態(tài)響應(yīng)，在梁側(cè)面和底面各粘貼三對應(yīng)變片如圖7所示。梁側(cè)面的編號為1#、2#和3#，測點之間的間距為50 mm。梁底測點編號為A、B和C，測點間距為250 mm。在同一個測點，應(yīng)變片以T字型布置，水平和豎直方向各一片，測試時，將豎直方向的應(yīng)變片作為溫度補償片，在梁底A、B、C三測點布置加速度計，監(jiān)測受爆炸時試件不同測點加速度。各測點位置如圖7所示。

圖 7 應(yīng)變片和加速度計位置(單位:mm)Fig. 7 Locations of strain gauges and accelerometers(unit:mm)

2.2 試驗裝置

試驗所需的測試設(shè)備如圖8所示，爆炸試驗在實驗室爆炸罐內(nèi)進行，將試件梁穩(wěn)定放置在定制鋼架上，兩端按簡支支座固定，炸藥懸掛于梁的中部上方，見圖9。

圖 8 測試的實驗裝置Fig. 8 Experimental setup

圖 9 爆炸罐內(nèi)的試件(爆炸前)Fig. 9 Specimen in the explosion chamber(before the explosion)

2.3 試驗加載方案

本試驗的3根試件梁采用了相同的加載方案。將炸藥懸掛于梁中部上方，炸藥的具體位置見表3。為了研究梁損傷的發(fā)展過程，對試件梁施加了4次不同炸藥當(dāng)量的爆炸，其中第四次爆炸為接觸爆炸。表3顯示了爆炸的施加過程與相應(yīng)編號。B0表示梁未受到爆炸荷載作用，將此時的梁定義為未損傷的健康狀態(tài)，B1～B4表示梁依次受到從第一次到第四次的爆炸荷載，此時損傷在梁的內(nèi)部隨著荷載的逐級增加而發(fā)展開來。

表 3 爆炸試驗程序

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 裂縫形態(tài)及分析

為了能觀察到普通鋼筋混凝土梁和玄武巖纖維混凝土梁的破壞情況，梁的最后一次爆炸試驗采用 40 g TNT 接觸爆炸。圖10是四次爆炸后普通鋼筋混凝土梁和兩根玄武巖纖維混凝土梁表面的開裂圖。由圖可見，各梁的裂紋均為八字裂紋，軸向裂紋較長，試驗梁都呈現(xiàn)出彎曲破壞的形態(tài)。將圖10(a)(b)(c)進行比較可知，普通梁鋼筋混凝土梁和玄武巖纖維梁的跨中均發(fā)生了剝落現(xiàn)象，但是玄武巖纖維梁的剝落半徑明顯小于普通梁的剝落半徑，摻纖維梁表面的裂紋明顯少于普通梁。隨著纖維量提高，混凝土剝落面積和裂紋數(shù)量隨之減少。從表觀裂紋圖可以觀察到，摻入玄武巖纖維能提高鋼筋混凝土梁的抗裂、抗爆性能；在一定范圍內(nèi)，抗爆性能隨纖維量的增加而提高。

圖 10 試驗梁破壞形態(tài)及裂紋圖Fig. 10 Damage patterns and crack diagrams of the test beams

3.2 加速度結(jié)果及分析

試驗中施加的第四次荷載為接觸爆炸，這易導(dǎo)致加速度傳感器損壞，故只采集前三炸加速度數(shù)據(jù)。監(jiān)測得到各試驗梁(BFRC0、BFRC1、BFRC2)的加速度時程曲線形態(tài)相似。圖11顯示了BFRC1梁的測點B在前三炸中所測得的加速度時程曲線，其呈現(xiàn)為典型的構(gòu)件受爆炸沖擊波后的形態(tài)，加速度的峰值(絕對值)隨著藥量的增加而逐漸提高。圖12為3根試驗梁在梁底各測點加速度峰值的對比，由圖可知，隨著炸藥量的增加，各梁均表現(xiàn)為加速度峰值依次增大。對同一根梁，A、B、C三個測點的加速度峰值依次減小，這說明距爆炸中心越近(A點最近)，所受到的爆炸沖擊也就越大。觀察發(fā)現(xiàn)，在同一炸藥當(dāng)量下，對于相同測點的加速度數(shù)據(jù)，普通混凝土梁的加速度峰值比玄武巖纖維混凝土梁的略大，這說明摻入的玄武巖纖維提高了混凝土梁的整體剛度，并使得構(gòu)件表面具有更好的表面密實度，由此分散了爆炸沖擊波的能量，客觀上提高了構(gòu)件整體的抗爆性能。

圖 11 BFRC1梁在測點B處的加速度時程曲線圖Fig. 11 Acceleration time history of BFRC1 beam at point B

圖 12 不同BFRC梁在各測點的加速度峰值圖Fig. 12 Histograms of peak acceleration of different BFRC beams at the measurement points

3.3 應(yīng)變結(jié)果及分析

圖13為各試驗梁在側(cè)面以及底面測點處的應(yīng)變峰值(絕對值)對比圖，梁側(cè)最后一炸導(dǎo)致應(yīng)變片損毀，故梁側(cè)只記錄了前三炸的數(shù)據(jù)。由圖可知，梁側(cè)應(yīng)變峰值(應(yīng)變片1#、2#、3#)和梁底應(yīng)變峰值(應(yīng)變片A、B、C)都隨藥量的增加而增大；即便只觀察前三炸的結(jié)果，亦可發(fā)現(xiàn)，梁底應(yīng)變峰值要遠大于梁側(cè)應(yīng)變峰值，這說明爆炸荷載會引起梁底的更大形變，其對梁底的破壞程度大于對梁側(cè)的破壞程度；摻入一定比例的玄武巖纖維后，梁側(cè)的應(yīng)變明顯受到抑制(圖a、b、c)，而梁底部的峰值應(yīng)變隨著纖維摻入量的增加，呈現(xiàn)出更為明顯的線性下降趨勢(圖d、e、f)。同時可以看到，A處的應(yīng)變值最大，C處的應(yīng)變值最小，說明在梁底面，距梁跨中爆源越近，材料遭受的破壞越嚴重。

圖 13 測點處試驗梁的應(yīng)變峰值圖Fig. 13 Strain peaks of different test beams at a certain measurement point

3.4 基于主動監(jiān)測的損傷監(jiān)測結(jié)果和分析

各試驗梁主動監(jiān)測信號時程曲線的形態(tài)一致。圖14為試驗梁BFRC1由智能骨料所記錄一秒內(nèi)的掃頻信號(200～200 kHz)時程曲線。圖a為炸前測得的壓電信號，它被定義為試驗梁在健康狀態(tài)下的初始信號。由圖可見，隨著炸藥量的增加，壓電信號幅值不斷下降，信號包絡(luò)圖面積不斷縮小，這說明信號在傳遞路徑上由于裂隙的反射和折射損失了更多的能量，由此反映出材料內(nèi)部的損傷正在逐漸累積。

圖 14 BFRC1梁主動監(jiān)測信號時程曲線Fig. 14 Time response of BFRC1 beam′s active monitoring signals

圖15為各試驗梁主動監(jiān)測信號時程曲線的復(fù)合圖，由此觀察不同類型試驗梁隨爆炸荷載增加所引起的信號變化情況。試驗表明，基于壓電智能骨料的壓電主動監(jiān)測法，可以很好地捕捉混凝土梁在爆炸荷載作用下的損傷發(fā)展情況。由圖可知，普通混凝土梁整體信號分布較離散，能量密度不集中，而玄武巖纖維混凝土梁應(yīng)力波信號集中于較窄的特定頻段，且信號疊加的范圍有變窄的趨勢，這說明加入玄武巖纖維在一定程度上減少了信號散射，信號傳遞能力更強。

圖 15 BFRC梁主動監(jiān)測信號時程曲線對比圖Fig. 15 Comparison of BFRC beam′s time responses

利用嵌入式智能骨料的主動傳感方法，測得爆炸試驗中各試驗梁的能量信號，基于小波能量法，采用公式(3)計算得到相應(yīng)的損傷指數(shù)，其數(shù)值越靠近1，則反映出構(gòu)件內(nèi)部的損傷越嚴重。圖16為普通鋼筋混凝土梁和兩根玄武巖纖維混凝土梁的損傷指數(shù)圖。隨著炸藥量的增加，梁的損傷程度不斷加深；對比各梁前三炸的損傷情況，BFRC1梁的損傷指數(shù)相較于BFRC0梁降低了27.56%、16.73%、7.9%，BFRC2梁的損傷指數(shù)相較于BFRC0梁降低了45.96%、31.5%、19.57%，這一結(jié)果非常直觀地表明，在一定藥量范圍內(nèi)的空爆作用下，摻入玄武巖纖維明顯提升了混凝土梁的抗爆性能。在施加第4炸(接觸爆炸)后，各梁的損傷指數(shù)均接近1，這說明此時混凝土梁內(nèi)部已產(chǎn)生了大量裂縫從而導(dǎo)致了構(gòu)件的破壞，這與實際觀測相符。

圖 16 BFRC梁的損傷指數(shù)對比圖Fig. 16 Damage index comparison of BFRC beams

4 結(jié)論

本文對3根鋼筋混凝土試驗梁施加爆炸荷載，從動態(tài)響應(yīng)，宏觀破損形態(tài)以及壓電損傷指數(shù)多個角度研究了摻入玄武巖纖維材料對鋼筋混凝土梁抗爆性能的改變情況。主要結(jié)論有：

(1)BFRC梁的應(yīng)變峰值與加速度峰值均小于普通鋼筋混凝土梁，表明摻入玄武巖纖維可以有效抑制爆炸下鋼筋混凝土構(gòu)件的振動和變形。

(2)隨著玄武巖纖維摻入率的提高，試件梁的裂紋和剝落面積逐漸減少，這表明在一定范圍內(nèi)增加玄武巖纖維的摻入率可以提高鋼筋混凝土梁在爆炸下的抗裂性能。

(3)基于壓電主動監(jiān)測理論，在鋼筋混凝土構(gòu)件中置入壓電智能骨料可有效監(jiān)測構(gòu)件在爆炸下的損傷發(fā)展情況。試驗結(jié)果表明，玄武巖纖維混凝土試驗梁受爆炸后，其內(nèi)部損傷程度顯著小于普通鋼筋混凝土試驗梁，當(dāng)體積摻入率為0.2%時，抗損性能提升更為明顯。