莊晨旭，張勁泉，蔣含莞

(交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京　100088)

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混凝土應(yīng)力檢測技術(shù)研究綜述

莊晨旭，張勁泉，蔣含莞

(交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京100088)

摘要：由于材質(zhì)劣化、設(shè)計施工缺陷和結(jié)構(gòu)損傷等原因，大量在役混凝土結(jié)構(gòu)都存在安全隱患，目前主要是對混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫、空洞、內(nèi)部鋼筋銹蝕情況等進行檢測，以上參數(shù)并不能直接反映混凝土結(jié)構(gòu)的真實受力狀態(tài)。然而，工作應(yīng)力是混凝土結(jié)構(gòu)可靠性的重要指標(biāo)，若能精確測量混凝土結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力，則可以準(zhǔn)確評估混凝土結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。近幾十年來，科學(xué)工作者對混凝土應(yīng)力檢測方法進行了大量的研究，在理論研究和實際工程應(yīng)用方面都取得了不錯的進展。本文分別對局部破損檢測技術(shù)和無損檢測技術(shù)的現(xiàn)狀進行總結(jié)，詳細分析應(yīng)力釋放法、聲發(fā)射技術(shù)、超聲波檢測技術(shù)的優(yōu)點與不足，并指出今后所需要解決的問題。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；混凝土應(yīng)力；應(yīng)力釋放法；超聲波檢測技術(shù)；綜述

0引言

混凝土作為當(dāng)今土木工程中主要的建筑材料之一，具有來源廣泛、價格低廉和易于施工等優(yōu)點，在全世界已得到廣泛的應(yīng)用。但是在役混凝土結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)了不同程度的安全問題，比如結(jié)構(gòu)開裂、倒塌等，給社會造成了巨大的經(jīng)濟損失。而工作應(yīng)力正是反映混凝土結(jié)構(gòu)安全與否的重要指標(biāo)，因此，國內(nèi)外研究者對混凝土工作應(yīng)力的檢測方法進行了大量的研究，主要分為局部破損檢測技術(shù)和無損檢測技術(shù)。

局部破損檢測技術(shù)主要是指應(yīng)力釋放法，無損檢測技術(shù)則主要包括聲發(fā)射技術(shù)、聲彈性應(yīng)力測試技術(shù)、尾波干涉技術(shù)和非線性超聲諧波技術(shù)。以下分別對這兩大類方法進行詳細的闡述，系統(tǒng)總結(jié)各種方法的原理、誤差來源、精度和實際工程應(yīng)用情況。

1局部破損檢測技術(shù)

局部破損檢測技術(shù)即應(yīng)力釋放法，其最初應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)中構(gòu)件殘余應(yīng)力的測量，基本原理是利用機械加工對所測區(qū)域進行切割或鉆孔，使所測區(qū)域的應(yīng)力得到釋放，測量應(yīng)力釋放前后所測區(qū)域的應(yīng)變量，再經(jīng)計算得到此處的殘余應(yīng)力。近幾十年來，科學(xué)工作者對應(yīng)力釋放法進行了大量的研究，并逐漸將其應(yīng)用于混凝土材料?；炷翍?yīng)力釋放法按鉆孔或切割形式的不同，分為盲孔法、環(huán)孔法和開槽法。

1.1盲孔法

由于鉆孔法在測量金屬殘余應(yīng)力上的成功應(yīng)用，因此，研究者開始將該方法應(yīng)用于混凝土工作應(yīng)力測量，經(jīng)過不斷研究形成盲孔法。試驗中發(fā)現(xiàn)，鉆孔達到一定深度后，孔附近處的工作應(yīng)力就可以完全釋放。至今，盲孔法已形成了一整套完整的理論，是目前工程上最常用的混凝土應(yīng)力測量方法，美國ASTM協(xié)會于1981年將其納入標(biāo)準(zhǔn)。

基本原理：若構(gòu)件內(nèi)存在應(yīng)力場，在應(yīng)力場內(nèi)任意處鉆一盲孔(直徑為d，深度為h)，該處部分或全部應(yīng)力將得到釋放，原應(yīng)力場將發(fā)生改變，此時盲孔周圍將產(chǎn)生一定量的釋放應(yīng)變，測出釋放的應(yīng)變量，即可得到測點的應(yīng)力釋放值。

應(yīng)用盲孔法測量混凝土工作應(yīng)力，影響因素眾多，比如：盲孔直徑、盲孔深度、應(yīng)變花的粘貼方式、應(yīng)變花的偏心等，因此近二十年來，科學(xué)工作者對各種影響因素進行了深入的分析，并提出了提高測量精度的改進措施。

Jaime F. Cardenas-Garcia[1](2000年)和Che-Way Chang[2](2009年)將光彈性材料應(yīng)用于盲孔法中，數(shù)值模擬和試驗結(jié)果表明，該方法不僅可以消除由于應(yīng)變花偏心帶來的誤差，而且由于采用較小的鉆孔深度和直徑，可減小切割擾動引起的誤差。2007年，付波等[3]針對鋼筋混凝土橋梁的工作應(yīng)力進行研究，通過有限元分析鉆孔深度與孔邊應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)鉆孔深度達到孔徑的1.45倍后, 孔深對應(yīng)力集中系數(shù)將不再產(chǎn)生影響。2008年，劉忠亞等[4]利用盲孔法估算在役混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力，通過對測點鉆孔前后的應(yīng)力值進行比較，發(fā)現(xiàn)鉆孔深度達到孔徑的1.2倍時，應(yīng)力就可以完全釋放。2011年，F(xiàn). P. Zhang等[5]研究混凝土工作應(yīng)力完全釋放時的鉆孔深度，當(dāng)盲孔孔徑為100 mm時，建議的鉆孔深度為30～70 mm。2011年，趙沖久等[6]應(yīng)用盲孔法測量混凝土梁的工作應(yīng)力，通過有限元數(shù)值模擬，得出合理的鉆孔孔徑(50 mm)、鉆孔深度(50 mm)和應(yīng)變片的粘貼位置(鉆孔中心距梁底中心軸100 mm處)。同年，邱兆國等[7]對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放過程進行數(shù)值模擬，研究初始應(yīng)力大小、鉆孔直徑、鉆孔間距等因素對應(yīng)力釋放規(guī)律的影響。

雖然盲孔法原理簡單，在實際工程中又易于操作，但是盲孔法公式中的釋放系數(shù)A和B是在均勻應(yīng)力場下推導(dǎo)而來，而實際混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場比較復(fù)雜，因此在應(yīng)用該公式計算時，必定會產(chǎn)生誤差。其次，在實際工程中，系數(shù)A和B由試驗標(biāo)定而得，標(biāo)定過程中試驗條件和材料與現(xiàn)場測試存在一定的差別，因此精確標(biāo)定系數(shù)A和B相當(dāng)困難。

1.2環(huán)孔法

環(huán)孔法所測應(yīng)變處和被測工作應(yīng)力處在同一位置，因此環(huán)孔法精度比盲孔法高，與盲孔法的區(qū)別在于用環(huán)形孔來代替盲孔。基本原理：在混凝土構(gòu)件上切割出環(huán)形孔，從而使構(gòu)件的應(yīng)力進行重分布，當(dāng)環(huán)形孔達到一定深度時，應(yīng)力將完全釋放，通過應(yīng)變花測量相應(yīng)的應(yīng)變量，就可求出構(gòu)件在該位置的工作應(yīng)力。

2006年，劉永淼等[8]通過理論計算得到，當(dāng)鉆孔深度達到33 mm(環(huán)孔內(nèi)徑為100 mm)時，測點混凝土的應(yīng)力就可以完全釋放的結(jié)論。試驗研究發(fā)現(xiàn)由于各種影響因素的存在，建議鉆孔深度取為50 mm。試驗中還觀察到零點后移或零點被掩蓋的現(xiàn)象。2009年，劉玲晶等[9〗[10]將混凝土視為線彈性和各向均勻連續(xù)體材料，且只在平面應(yīng)力狀態(tài)下，采用環(huán)孔法測量在役混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，計算所得與實際施加的平均應(yīng)力(x，y方向)的誤差均小于3%。李新凱等[11]在2010年利用環(huán)孔法測量水泥混凝土板表面的殘余應(yīng)力，通過有限元數(shù)值模擬水泥混凝土路面的應(yīng)力釋放過程，將計算結(jié)果與美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)機場路面試驗中心(2007年)的試驗結(jié)果進行對比，驗證了該方法的可行性。然后在2012年[12]對該方法進行試驗驗證，并對應(yīng)變片長度、鉆孔深度、鉆孔直徑等試驗參數(shù)進行了研究，確定了最佳取值范圍。

環(huán)孔法的關(guān)鍵在于確定環(huán)孔的深度。一般情況下，認(rèn)為鉆孔深度為0.7d(環(huán)孔直徑)時，應(yīng)力就能夠完全釋放。但是，由于應(yīng)變片的標(biāo)距一般都比較大，因此，環(huán)孔的孔徑也就比較大，鉆孔深度也隨之加深，在這種情況下，該方法一般只適用大體積混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測量。此外，在實際工程操作過程中，環(huán)形孔的切割難以形成，因此目前該方法在實際工程中應(yīng)用較少。

1.3開槽法

開槽法按開槽形式分為直線形開槽法和方形開槽法?；驹恚和ㄟ^對混凝土結(jié)構(gòu)進行開槽，使測點原有應(yīng)力得到釋放，通過應(yīng)變花測量釋放的應(yīng)變量，計算得出混凝土結(jié)構(gòu)測區(qū)原有的應(yīng)力值。

線形開槽法是在環(huán)孔法的基礎(chǔ)上進行改進和創(chuàng)新，由于環(huán)形孔難以切割，因此在2007年，沈旭凱、王柏生等[13-14]采取開直線形槽或方形槽來代替環(huán)形孔，發(fā)現(xiàn)試驗結(jié)果與環(huán)孔法一致，并且發(fā)現(xiàn)在單向應(yīng)力的情況下，方形槽與直線形槽的效果也一致; 在2010年對直線性開槽法進行了深入研究，通過有限元數(shù)值模擬，確定了不同槽間距下，混凝土工作應(yīng)力全部釋放所需的開槽深度，并著重研究了擾動應(yīng)變對試驗的影響，提出對應(yīng)變測量的修正方法，特別指出當(dāng)工作應(yīng)力較小時，擾動引起的誤差相對較大，因此該方法僅適用于較大工作應(yīng)力的情況，存在一定的局限性。在2010年，Daniel I. Castaneda[15]在美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)的國家機場路面鋪裝測試所(NAPTF)將方形開槽法應(yīng)用到機場試驗道路的應(yīng)力測量，試驗結(jié)果表明，切槽深度與間距比為0.53時，路面工作應(yīng)力將完全釋放。此外，考慮室外試驗條件下，研究溫度變化對應(yīng)力結(jié)果帶來的影響。2011年，徐登云等[16]用直線形開槽法對某橋橋墩的剩余預(yù)應(yīng)力值進行推算，數(shù)值模擬結(jié)果得出，在兩條橫槽間距為20 cm的情況，槽深為7 cm時測區(qū)混凝土應(yīng)力就能夠完全釋放，現(xiàn)場試驗測得的實際鋼束剩余預(yù)應(yīng)力值與理論值相差小于20%，從而為同類橋梁的橋墩應(yīng)力測量提供參考依據(jù)。2012年，王春芬等[17]對某鐵路空心薄壁墩現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力進行試驗研究，用結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)(實測應(yīng)變值/有限元計算值)來衡量試驗的效果，其值區(qū)間為0.9～1.0，證明了該方法的可靠性。

開槽法在實際工程中易于施工，尤其是在只關(guān)注單向應(yīng)力問題時，只需切割兩條直線形槽，對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷和破壞都較小。但是實際混凝土結(jié)構(gòu)大多處于復(fù)雜受力狀態(tài)，開槽法的測量結(jié)果必定與混凝土結(jié)構(gòu)真實受力狀態(tài)存在一定的差別。該缺點限制了開槽法在實際工程中的應(yīng)用。

1.4小結(jié)

綜上所述，目前國內(nèi)外應(yīng)力釋放法的測試精度普遍在90%以下，因此無法對混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)做出準(zhǔn)確的評價。同時，應(yīng)力釋放法的精度依賴測試環(huán)境，切割擾動、外界環(huán)境的溫度和濕度變化等都會對測量結(jié)果造成不同程度的影響。此外，應(yīng)力釋放法會破壞局部混凝土結(jié)構(gòu)，不適用于經(jīng)常性檢測，因此在加強混凝土應(yīng)力釋放法研究的同時，也應(yīng)注重混凝土應(yīng)力無損檢測方法的研究。

2無損檢測技術(shù)

無損檢測技術(shù)是在不損害被檢測對象的前提下，利用設(shè)備探測結(jié)構(gòu)的內(nèi)部變化，以此來評估結(jié)構(gòu)的整體性能。在混凝土應(yīng)力測量方面，主要是利用聲發(fā)射技術(shù)和超聲波檢測技術(shù)，不僅對不同混凝土結(jié)構(gòu)具有通用性，而且檢測成本低、速度快。

2.1聲發(fā)射技術(shù)

材料或結(jié)構(gòu)在外力或內(nèi)力作用下產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射或應(yīng)力波。用儀器收集、分析聲發(fā)射信號并對材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的變化進行反演的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。

雖然對聲發(fā)射現(xiàn)象的研究和觀測已有相當(dāng)長的歷史，但是將材料物理力學(xué)性能與聲發(fā)射現(xiàn)象相結(jié)合是在德國科學(xué)家Kaiser在1953年在金屬材料上發(fā)現(xiàn)凱塞效應(yīng)(材料對受載歷史的記憶性)之后。此后，科學(xué)家對不同材料的聲發(fā)射現(xiàn)象進行研究，取得了大量的成果。在混凝土材料方面，1959年，Rusch首次將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于混凝土材料，發(fā)現(xiàn)混凝土材料的凱塞效應(yīng)僅在極限應(yīng)力的70%～85%以下的范圍內(nèi)存在。20世紀(jì)60年代開始，對混凝土聲發(fā)射現(xiàn)象的研究不斷深入，科學(xué)研究者包括L.Hermite，Robinson，Wells，Green，McCab，Reymond等，主要對混凝土的骨料、水灰比、強度等指標(biāo)與聲發(fā)射信號的關(guān)系進行研究。90年代后，得益于計算機技術(shù)的發(fā)展，對聲波信號的處理和分析能力得到了顯著的提高，因此，聲發(fā)射技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。

雖然聲發(fā)射技術(shù)在評估地應(yīng)力狀態(tài)方面已得到成功應(yīng)用，但在評估混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力方面，至今為止，相關(guān)研究仍較少。1976年，McCab研究在各應(yīng)力水平下，混凝土試件尺寸與聲發(fā)射活性的關(guān)系。2003年，紀(jì)洪廣[8]對聲發(fā)射活性參數(shù)與混凝土材料應(yīng)力-應(yīng)變之間的耦合關(guān)系進行初步探索，證明兩者確實存在著密切關(guān)系，并通過耦合的本構(gòu)方程來表達。2011年，薛云亮[19]研究巖石和混凝土材料聲發(fā)射特性，推導(dǎo)出應(yīng)力、應(yīng)變與聲發(fā)射數(shù)參量的耦合模型，耦合關(guān)系如圖1所示。

(1)

(2)

式中，E為彈性模量;N為聲發(fā)射事件數(shù);K，a，m都是依據(jù)自由邊界條件的幾何特征計算取得。

圖1　混凝土聲發(fā)射數(shù)N與應(yīng)力和應(yīng)變的耦合關(guān)系Fig.1　Coupling relation between number of acoustic emission N and stress/strain of concrete

2014年，杜慶娟等[20]通過試驗，研究聲發(fā)射參數(shù)(聲發(fā)射事件數(shù)及幅值)、幅值與頻數(shù)的關(guān)系與應(yīng)力水平的關(guān)系，并在試驗中有效評估了鋼筋混凝土梁的受力狀態(tài)。2015年，胡偉華等[21]對混凝土試件進行不同加載應(yīng)變速率下的單軸加載，研究聲發(fā)射參數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的同時，研究了混凝土材料的損傷演化規(guī)律。

2.2超聲波檢測技術(shù)

混凝土超聲波檢測技術(shù)是利用超聲波對混凝土材料進行探測，超聲波經(jīng)過混凝土材料后，其波速、首波振幅、頻率等聲學(xué)參數(shù)都會發(fā)生相應(yīng)的變化，應(yīng)用信號處理技術(shù)對這些變化進行分析，得出相應(yīng)的分析結(jié)果。

1949年，加拿大的Leslid和英國的Jons等首次將超聲波脈沖技術(shù)應(yīng)用于混凝土材料的檢測。此后國內(nèi)外科學(xué)家對應(yīng)用超聲波技術(shù)檢測混凝土結(jié)構(gòu)進行了大量的研究，國內(nèi)開始于20世紀(jì)50年代后期，經(jīng)過多年的發(fā)展，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效益。隨著該技術(shù)的日益成熟，各個國家都制定了相應(yīng)的規(guī)范，主要用于檢測混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫、缺陷、厚度、強度等參數(shù)。

相關(guān)研究表明，超聲波穿過混凝土材料后攜帶著大量有效信息，多種參數(shù)都與應(yīng)力存在相關(guān)性。按照超聲波技術(shù)和信息處理方式的不同主要可分為聲彈性應(yīng)力測試技術(shù)、尾波干涉技術(shù)和非線性超聲諧波技術(shù)。

2.2.1聲彈性應(yīng)力測試技術(shù)

聲彈性應(yīng)力測試技術(shù)主要是利用材料的縱、橫波速與應(yīng)力的相關(guān)性建立起來的一種技術(shù)。雖然1953年Hughes和Kelly就已經(jīng)提出聲彈性理論，但是應(yīng)用聲彈性理論研究混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的工作還處于探索階段。

2005年，陳立新等[22]通過試驗得出聲學(xué)參數(shù)(波速和加權(quán)譜面積)與混凝土應(yīng)力較為敏感時的骨料粒徑(40 mm)、骨料種類(卵石)、水灰比(0.51)和砂率(0.31)。同年林軍志等[23]研究混凝土應(yīng)力與超聲波波速、首波振幅、最大振幅等聲學(xué)參數(shù)的相關(guān)性。2010年，Ivan Lillamand等[24]研究混凝土材料在軸向壓力作用下的聲彈效應(yīng)，得出與應(yīng)力水平敏感性最大的是沿加載方向偏振的縱波和橫波的結(jié)論，并成功得到試件混凝土的聲彈性系數(shù)。2012年，劉新建等[25]基于模型試驗，詳細分析不同種聲學(xué)參數(shù)同應(yīng)力的相關(guān)性，并用試驗著重研究超聲波信號加權(quán)瞬時振幅峰值、加權(quán)邊際譜面積、加權(quán)瞬時能量譜面積隨應(yīng)力的變化情況。在聚合物改性混凝土材料上，2008年，楊洪武等[26]得出對聲-應(yīng)力關(guān)系敏感時的聚合物組分(純丙乳液、環(huán)氧樹脂、FeCl3、鋼纖維、鐵粉)。2009年，林軍志等[27]研究聚合物乳液對超聲波波速和加權(quán)譜面積等聲學(xué)參數(shù)與應(yīng)力相關(guān)性的影響。2012年，林錚等[28]研究發(fā)現(xiàn)丙烯酸酯對混凝土聲-應(yīng)力的相關(guān)性具有顯著的強化作用。

傳統(tǒng)的超聲波技術(shù)基于彈性波理論，主要的研究參數(shù)為超聲波波速、聲時、頻率等，很難反映混凝土內(nèi)部的微小變化。以上研究也只是定性地分析混凝土應(yīng)力與聲學(xué)參數(shù)的相關(guān)性，并未得出量化的結(jié)果。

2.2.2尾波干涉技術(shù)

由于混凝土是非均勻各向異性復(fù)合材料，具有多孔性和黏彈塑性，超聲波在其中傳播會發(fā)生復(fù)雜的反射、折射與散射等現(xiàn)象，因此給精確測量超聲波波速變化帶來很大的挑戰(zhàn)。而尾波干涉技術(shù)正好能解決這一難題，對測量尾波波速變化具有高精度和高靈敏度的特點。

尾波干涉技術(shù)是利用多次散射形成的尾波對介質(zhì)進行研究，由于傳播路徑較長，因此攜帶著大量有效信息。1969年，K. Aki首次提出尾波的概念。2005年，R. Snieder對尾波干涉理論進行了系統(tǒng)的闡述，并成功將尾波干涉技術(shù)應(yīng)用于花崗巖和鋁試件上，尾波波速變化的測量精度達到0.02%。近幾年，尾波干涉技術(shù)已成為研究熱點。

2009年，PAYAN等[29]通過尾波干涉技術(shù)精確測量尾波波速的變化，并計算得出三階彈性常數(shù)，以此來評估混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化。2011年，Simon等[30]利用尾波干涉技術(shù)來測量混凝土橋梁在節(jié)段施工時的應(yīng)力變化情況，得到了理想的結(jié)果，對該技術(shù)在以后實際工程中的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。國內(nèi)尾波干涉技術(shù)主要應(yīng)用于巖石領(lǐng)域，2012宋麗莉等[31-32]首先比較水泥試件縱波、橫波和尾波波速對應(yīng)力變化的敏感性，試驗結(jié)果表明，尾波波速變化的敏感性較強(×10-9Pa)；其次將尾波干涉技術(shù)應(yīng)用于巖體小應(yīng)力擾動下的高精度動態(tài)監(jiān)測，結(jié)果表明其具有靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點；并用尾波波速變化率dv/v來評估巖石的應(yīng)力狀態(tài)的變化。

2.2.3非線性超聲諧波技術(shù)

非線性超聲諧波技術(shù)主要關(guān)注高次諧波幅值的變化，在彈性介質(zhì)內(nèi)，單周期正弦波與介質(zhì)內(nèi)部的非線性散射體相互作用會導(dǎo)致新的諧波分量的產(chǎn)生。該方法最初應(yīng)用于金屬的微裂縫探測和損傷評估，然后逐漸應(yīng)用于巖石、水泥、混凝土等非均勻材料。在應(yīng)力測量上，研究非線性系數(shù)β與應(yīng)力的相關(guān)性。非線性系數(shù)β是根據(jù)非線性應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系的二階一維非線性彈性波的波動方程求解而得：

(3)

式中，A1為接收端基頻的振幅;A2為二次諧波振幅;k為超聲波波數(shù);x為傳播距離。

此外，K. Aki已經(jīng)證明，利用尾波干涉技術(shù)也可得到非線性系數(shù)β[33]：

(4)

2007年，陳小佳等[34]基于非線性超聲諧波的幅值比對混凝土的微裂縫進行探測，試驗結(jié)果表明非線性系數(shù)對微裂縫十分敏感，并在其博士論文[35]中得出非線性高階諧波方法和非線性超聲調(diào)制方法均能表征材料內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展的演變過程的結(jié)論。2013年，郭志偉等[36]研究巖石超聲諧波的特征，分析在單軸壓力情況下，巖石超聲諧波和名義非線性系數(shù)β與應(yīng)力變化的關(guān)系。謝凡等[37]應(yīng)用超聲二次諧波對水泥試樣的非線性系數(shù)進行測量，并優(yōu)化突出二次諧波幅值的測量方法。

研究發(fā)現(xiàn)，非線性超聲諧波技術(shù)已被證明對混凝土內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)變化比應(yīng)用線性波動理論具有更高的敏感性，而且在巖石材料的應(yīng)力評估上已取得初步成果，因此，可考慮將該技術(shù)應(yīng)用于混凝土材料的應(yīng)力測量。

2.3小結(jié)

從理論研究和實際工程應(yīng)用情況來看，混凝土應(yīng)力無損檢測技術(shù)具有靈敏度高、誤差小、可重復(fù)性好等優(yōu)點，但對測試環(huán)境要求較為苛刻，外界環(huán)境噪音對以上幾種檢測方法都有不同程度的影響，研究者也開始逐漸重視該方面的研究，從硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)處理方法入手，不斷降低外界噪音對測試結(jié)果的干擾，現(xiàn)將混凝土應(yīng)力無損檢測技術(shù)總結(jié)如下：

表1　混凝土應(yīng)力無損檢測技術(shù)匯總

3結(jié)論

綜上所述，混凝土應(yīng)力檢測技術(shù)主要分為局部破損檢測技術(shù)和無損檢測技術(shù)。應(yīng)力釋放法的精度均在90%以下，因此無法對混凝土結(jié)構(gòu)的承載力和安全性做出準(zhǔn)確的評價；而無損檢測技術(shù)雖然對相關(guān)聲學(xué)參數(shù)的測量精度較高，但都是定性地研究某些參數(shù)與應(yīng)力的相關(guān)性。以下總結(jié)了目前混凝土應(yīng)力檢測技術(shù)存在的問題和今后所需努力的方向：

(1)國內(nèi)外研究者對應(yīng)力釋放法的試驗參數(shù)取值并未達成統(tǒng)一，比如鉆孔直徑、鉆孔深度、應(yīng)變花粘貼方式、切槽間距等，因此造成測量結(jié)果的差異，試驗之間的可比性不強。

(2)針對環(huán)孔法中發(fā)現(xiàn)零點被掩蓋或后移的現(xiàn)象，至今未給出合理的解釋。是否在其他應(yīng)力釋放法中也存在同樣的問題還需進一步研究，因為應(yīng)力釋放的完全與否將直接影響試驗的結(jié)果。

(3)混凝土結(jié)構(gòu)大多為鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，若切槽或鉆孔深度過深，將會影響鋼筋的受力性能，因此需要確定一個合理的切割深度和位置，既能使測區(qū)混凝土應(yīng)力完全釋放，又不影響混凝土內(nèi)部鋼筋的受力性能。

(4)大量研究集中在實驗室，可以忽略外界環(huán)境對試驗的影響。但是實際工程中，混凝土結(jié)構(gòu)大多處于自然環(huán)境條件下，其測量結(jié)果必定與實驗室結(jié)果存在較大差異，因此應(yīng)加強外界環(huán)境變化對試驗影響的研究。

(5)無損檢測技術(shù)的原始信號為聲波信號，若想提高試驗精度，則應(yīng)加強以下兩方面的研究：第一，提高試驗儀器的采集精度和穩(wěn)定性；第二，優(yōu)化信號處理技術(shù)，最大限度地從原始信號中準(zhǔn)確提取相關(guān)參數(shù)。

(6)對混凝土應(yīng)力無損檢測技術(shù)的研究，主要是建立在試驗基礎(chǔ)的定性分析上，離實際工程應(yīng)用還有較大差距，應(yīng)加強對該方法的定量研究。

混凝土應(yīng)力檢測技術(shù)的發(fā)展對社會具有十分重要的意義，可以幫助工程人員對混凝土結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力狀態(tài)的評價，及時對存在安全隱患的結(jié)構(gòu)進行修復(fù)和加固，減少不必要的經(jīng)濟損失。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，混凝土應(yīng)力無損檢測技術(shù)必將成為一種趨勢，在未來的實際工程中具有更廣闊的發(fā)展前景。

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Review of Concrete Stress Testing Technologies

ZHUANG Chen-xu, ZHANG Jin-quan, JIANG Han-wan

(Research Institute of Highway, Ministry of Transportation, Beijing 100088, China)

Abstract：Due to material quality degradation, designing and construction defect and structural damage, a large amount of concrete structures in-service are in poor condition. Recent testing methods are emphasized on detection of cracks, cavities and reinforcement corrosion, which cannot directly reflect the real stress state of concrete structures. However, working stress is a symptom of the concrete structure safety. If it can be measured accurately, the stress state of concrete structures can also be assessed precisely. In recent decades, researchers have done a lot of work on concrete stress testing methods, and made progresses both in theoretical researches and practical engineering applications. The current situation of local damage detection technology and nondestructive testing technology is summarized respectively. The advantages and disadvantages of stress release method, acoustic emission technology and ultrasonic testing technology are analyzed in detail. The problems which need to be solved in the future are also put forward.

Key words：bridge engineering; concrete stress; stress release method; ultrasonic testing technology; review

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)03-0043-09

中圖分類號：TU414

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.03.008

作者簡介：莊晨旭(1990-)，男，浙江奉化人，碩士.(544535215@qq.com)

基金項目：交通運輸部建設(shè)科技項目(2013318223040)

收稿日期：2015-10-13