蒙彥宇， 趙國棟， 高 爽， 馮培杰， 武生鑫， 趙華東， 李世鑫

(北華大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 吉林 吉林 132013)

鋼筋混凝土梁受彎破壞時(shí)，梁中和軸以下受拉區(qū)混凝土極易破壞，但混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部破壞情況很難在試驗(yàn)中直接觀測(cè)[1～3]。以往混凝土結(jié)構(gòu)開裂或結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的方法多是采用靜態(tài)的識(shí)別方法[4，5]，該方法工作量大，時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)代價(jià)高，難以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無法快速準(zhǔn)確獲得結(jié)構(gòu)損傷狀況的信息。因此選擇一種監(jiān)測(cè)技術(shù)來探測(cè)試件內(nèi)部無法觀察到的試驗(yàn)情況是很有必要的，對(duì)工程中構(gòu)件管養(yǎng)與維護(hù)、加固都有重大的意義。

基于聲發(fā)射技術(shù)方法能在很大程度上彌補(bǔ)靜態(tài)檢測(cè)方法的不足[6]。利用全信息聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)損傷過程，評(píng)定損傷程度，確定損傷位置區(qū)間[7～9]，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，快速獲取用戶所需信息；及時(shí)采取維護(hù)措施以保持(增加)結(jié)構(gòu)可靠性，實(shí)現(xiàn)高效益、低成本、省時(shí)省力的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、檢測(cè)與加固，為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、美觀悅目、低碳環(huán)保的建筑結(jié)構(gòu)功能要求和設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

基于此，本文通過聲發(fā)射技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行損傷過程監(jiān)測(cè)、損傷程度評(píng)定、損傷位置確定[10～12]，明確了全信息聲發(fā)射技術(shù)的原理與監(jiān)測(cè)方法，建立了基于全信息聲發(fā)射技術(shù)的混凝土梁損傷過程監(jiān)測(cè)方法，揭示應(yīng)用全信息聲發(fā)射技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)有效地監(jiān)測(cè)混凝土這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)的損傷破壞歷程。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

主要包括混凝土梁設(shè)計(jì)與制作。為了研究聲發(fā)射技術(shù)對(duì)混凝土梁損傷過程的監(jiān)測(cè)研究，本項(xiàng)目根據(jù)GB 50010-2015《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，針對(duì)水灰比在0.5～0.6范圍內(nèi)的C30混凝土試件，制作3組，包括試塊抗壓強(qiáng)度測(cè)試、材料選擇、水灰比、試件尺寸、鋼筋綁扎、支模、混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)、拆模、成型等。利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)混凝土梁的開裂過程進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。

1.1.1截面參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康囊约耙螅囼?yàn)擬采用兩端簡(jiǎn)支的矩形截面鋼筋混凝土梁，綜合考慮實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)設(shè)備和材料等因素，所設(shè)計(jì)鋼筋混凝土梁的截面尺寸為b×h=100 mm×150 mm，跨度l=1200 mm，計(jì)算跨度l0=1100 mm；試驗(yàn)時(shí)荷載采用分配梁連續(xù)分級(jí)加荷方式，分配梁長(zhǎng)300 mm，居中放置。

1.1.2材料參數(shù)

配合比計(jì)算。根據(jù)JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》規(guī)定：本試驗(yàn)制作的鋼筋混凝土梁采用P.O32.5水泥、碎石(粒徑16 mm，含水率1%)、細(xì)砂(含水率2%)，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。因此，施工配合比為，單位用量水泥(mc0)∶砂(ms0)∶石(mg0)∶水(mw0)的比例分別為：mc0∶ms0∶mg0∶mw0= 1∶1.35∶2.46∶0.41。

材料用量。根據(jù)所設(shè)計(jì)的梁截面和跨度尺寸、鋼筋混凝土梁及混凝土立方體試件總體積、計(jì)算配合比，可得材料用量分別為：水泥：9.6 kg；碎石：23.9 kg；砂：13 kg；水：3.9 kg。

圖1 鋼筋混凝土梁配筋骨架/mm

1.2 試驗(yàn)裝置和加載制度

1.2.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室TLZW-150型鋼筋混凝土試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。測(cè)試項(xiàng)目包括梁受力歷程中的鋼筋和混凝土應(yīng)變，跨中、支座位移及相應(yīng)的荷載值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由DH3815N靜態(tài)電阻應(yīng)變采集系統(tǒng)采集，聲發(fā)射信號(hào)采用DS2-8全信息聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)分析儀采集與分析，試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)加載裝置

1.2.2加載制度及方案

傳感器布置。鋼筋混凝土梁每側(cè)相同位置各粘貼4個(gè)聲發(fā)射傳感器，共8個(gè)傳感器。布置位移計(jì)3個(gè)，混凝土應(yīng)變測(cè)定共布設(shè)4片應(yīng)變片，如圖3所示。

圖3 傳感器布置及加載立面/mm

加載方式。將無初始裂紋試件在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行靜力勻速加載。加載等級(jí)控制在9級(jí)，每級(jí)3 kN，預(yù)載3 kN。

聲發(fā)射參數(shù)的選取。根據(jù)DS2-8全信息聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能，結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康?，所選取的聲發(fā)射信號(hào)分析的基本參數(shù)包括：幅度、累計(jì)能量、振鈴計(jì)數(shù)、事件四個(gè)；傳感器總增益100 dB；前置放大器增益選為50 dB；門檻電壓選為10 mV，主放大器總增益為60 mV；時(shí)間間隔根據(jù)傳感器的位置間距確定。

噪聲處理。試驗(yàn)過程中不可避免的存在噪聲，一部分噪聲主要來源于混凝土內(nèi)部的噪聲，其可以通過門檻幅值來控制；另一部分噪聲來源于環(huán)境噪聲(如加載儀器與試件的接觸等)，試驗(yàn)中通過在加載裝置與梁接觸的位置墊上墊片，以減小加載儀器對(duì)結(jié)果的影響。另一方面，為了更好的采集聲發(fā)射信號(hào)，通過設(shè)置聲發(fā)射系統(tǒng)軟件只接收傳感器間距范圍內(nèi)的彈性波信號(hào)，并利用傳感器布置成各傳感器間的距離近似相等布設(shè)方式，即布置方式盡可能采用菱形布置方式(或等腰三角形)，以此來有效排除和減少支座及加載儀器等噪聲的影響，降低監(jiān)測(cè)信息誤判的可能。

1.2.3試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)前檢測(cè)傳感器是否與基體粘結(jié)良好，且能夠正常接收監(jiān)測(cè)信號(hào)。試驗(yàn)開始，隨著荷載增加，梁跨中彎矩與位移逐漸由彈性階段很快過渡到彈塑性階段，梁跨中出現(xiàn)了第一條可見裂紋；隨荷載的進(jìn)一步增大，裂縫逐漸增多，梁受壓區(qū)高度逐漸減小，混凝土梁也隨之出現(xiàn)呯砰的開裂聲；跨中撓度持續(xù)增大，裂縫逐漸向受壓區(qū)擴(kuò)展，并延伸到鋼筋位置；直到鋼筋屈服，受壓區(qū)混凝土開裂，梁表面出現(xiàn)明顯的橫縱向裂紋，停止加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 信號(hào)分析

基于參數(shù)分析方法，采用幅度、能量、振鈴計(jì)數(shù)等聲發(fā)射參數(shù)，監(jiān)測(cè)鋼筋混凝土梁試件的損傷破壞過程、評(píng)定損傷程度，確定損傷位置區(qū)間。

為使提取的聲發(fā)射全波形能真實(shí)地反映聲發(fā)射源信號(hào)特征，本文通過試驗(yàn)前的斷鉛試驗(yàn)來測(cè)定聲發(fā)射時(shí)間參數(shù)、波速以及衰減，通過分析聲發(fā)射幅度、能量、振鈴計(jì)數(shù)與加載時(shí)間的關(guān)系，取得了良好的試驗(yàn)效果。圖4為所采集的梁損傷過程全信息聲發(fā)射監(jiān)測(cè)信號(hào)全波形圖。

圖4 全信息聲發(fā)射監(jiān)測(cè)信號(hào)波形

2.2 混凝土梁損傷過程監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.2.1基于全信息聲發(fā)射技術(shù)的鋼筋混凝土梁損傷過程監(jiān)測(cè)

根據(jù)荷載-位移的P-Δ曲線，在開裂荷載前P-Δ成線性分布，混凝土梁處于彈性階段。隨著荷載的增加，梁跨中出現(xiàn)裂縫，曲線增長(zhǎng)趨勢(shì)緩慢，受拉鋼筋與混凝土共同受力，梁處于帶裂縫工作階段。當(dāng)荷載達(dá)到極限彎矩后，曲線增長(zhǎng)速率極高，說明鋼筋已屈服，梁處于破壞階段。圖5為鋼筋混凝土梁的最終破壞形態(tài)圖。

圖5 鋼筋混凝土梁損傷過程監(jiān)測(cè)及最終破壞

將基于全信息聲發(fā)射技術(shù)的鋼筋混凝土梁損傷過程劃分為健康狀態(tài)、輕微損傷、中度損傷、重度損傷、破壞五個(gè)階段。因此，利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)鋼筋混凝土梁破壞過程及階段得到驗(yàn)證。

2.2.2基于全信息聲發(fā)射技術(shù)的鋼筋混凝土梁損傷程度確定

聲發(fā)射技術(shù)不僅可以監(jiān)測(cè)鋼筋混凝土梁的破壞過程，還可以通過幅度、能量、振鈴計(jì)數(shù)的累積，對(duì)鋼筋混凝土梁損傷程度進(jìn)行評(píng)定。圖6為聲發(fā)射幅度-時(shí)間歷程與損傷程度關(guān)系圖；圖7為聲發(fā)射能量-時(shí)間歷程與損傷程度關(guān)系圖；圖8為聲發(fā)射振鈴-時(shí)間歷程與損傷程度關(guān)系圖。

圖6 聲發(fā)射幅度-時(shí)間歷程與損傷程度關(guān)系

圖7 聲發(fā)射能量-時(shí)間歷程與損傷程度關(guān)系

圖8 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)-時(shí)間歷程與損傷程度關(guān)系

從圖6可以看出，聲發(fā)射信號(hào)采集幅度、能量、振鈴計(jì)數(shù)與時(shí)間歷程在0～27 s時(shí)，混凝土梁處于受載到受載穩(wěn)定，出現(xiàn)輕微損傷。

隨著荷載的增加，由圖7所示，裂紋不斷發(fā)展，聲發(fā)射信號(hào)采集幅度、能量、振鈴計(jì)數(shù)與時(shí)間歷程在28～171 s時(shí)，微裂縫沿著骨料界面進(jìn)一步擴(kuò)展，并且逐漸向梁內(nèi)部發(fā)展，在此期間產(chǎn)生彈性波向周圍輻射，將促使混凝土損傷加劇直至開裂。從圖8可知，達(dá)到開裂荷載后，梁所受的力由混凝土和鋼筋共同承擔(dān)，聲發(fā)射信號(hào)采集幅度、能量、振鈴計(jì)數(shù)與時(shí)間歷程在172～689 s時(shí)，鋼筋屈服，混凝土被壓碎，在690 s以后，試件最終破壞。

試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼筋混凝土梁在各級(jí)荷載作用下，其損傷程度隨著全信息聲發(fā)射參數(shù)幅度、能量、振鈴計(jì)數(shù)的不斷累積而越來越嚴(yán)重，直至失效。為此，也進(jìn)一步驗(yàn)證了基于全信息聲發(fā)射技術(shù)能夠有效地評(píng)定混凝土梁的損傷程度。

2.2.3基于全信息聲發(fā)射技術(shù)的鋼筋混凝土梁損傷定位

基于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)，其核心內(nèi)容是確定聲發(fā)射源的位置，進(jìn)而才能對(duì)結(jié)構(gòu)損傷采取相應(yīng)的解決措施。為此，本文所構(gòu)建的利用全信息聲發(fā)射窮舉法建立的損傷源定位技術(shù)對(duì)損傷位置區(qū)間進(jìn)行確定，并記錄和采集了鋼筋混凝土梁損傷各階段的聲發(fā)射源定位情況，如圖9所示。

圖9 鋼筋混凝土梁損傷的聲發(fā)射源定位/mm

由圖9及試驗(yàn)過程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知：當(dāng)鋼筋混凝土梁處于健康狀態(tài)，梁無損傷，聲發(fā)射定位圖中無定位點(diǎn)；當(dāng)梁處于輕微損傷階段，從開始加載到分配梁與試件穩(wěn)定，由于骨料間的摩擦及分配梁與試件之間的輕微碰撞等多方面因素，聲發(fā)射定位圖中出現(xiàn)零星的定位點(diǎn)；當(dāng)梁處于中度損傷階段，從梁受載穩(wěn)定到加載到達(dá)開裂荷載，梁跨中出現(xiàn)第一條裂縫，聲發(fā)射定位圖中，跨中位置出現(xiàn)較多的定位點(diǎn)；當(dāng)梁處于重度損傷階段，由于荷載的繼續(xù)增加，鋼筋與混凝土梁共同承受荷載，直至鋼筋屈服受壓區(qū)混凝土被壓碎，跨中不斷出現(xiàn)新的裂縫，已出現(xiàn)的裂縫不斷發(fā)展，聲發(fā)射定位圖中，跨中的定位點(diǎn)分布密集。當(dāng)梁處于破壞階段：荷載達(dá)到極限荷載之后，鋼筋屈服，裂縫寬度明顯增大，鋼筋混凝土梁跨中撓度急劇上升，梁最終失效。

對(duì)比分析鋼筋混凝土梁破壞全過程(圖5)和聲發(fā)射源定位(圖9)，可知，在開裂荷載前，聲發(fā)射源定位較少，梁內(nèi)產(chǎn)生一些微裂縫。當(dāng)梁處于重度損傷階段時(shí)，聲發(fā)射源定位點(diǎn)在跨中分布相當(dāng)密集；說明跨中損傷嚴(yán)重。為此，也證明了基于全信息聲發(fā)射技術(shù)可以有效確定鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的損傷位置區(qū)間，進(jìn)而利用本文所建立的監(jiān)測(cè)方法可以有效地對(duì)服役中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可能破壞進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警。

3 結(jié) 論

本文通過鋼筋混凝土梁靜載試驗(yàn)，研究了鋼筋混凝土梁從開始加載到最終破壞全過程的聲發(fā)射信號(hào)變化規(guī)律，分析了梁破壞過程與聲發(fā)射信號(hào)間的關(guān)系，較精確地評(píng)定了梁的破壞過程、損傷程度和損傷區(qū)間。

(1)為了使提取的聲發(fā)射全波形能真實(shí)地反映聲發(fā)射源信號(hào)特征，本文通過試驗(yàn)前的斷鉛試驗(yàn)來測(cè)定聲發(fā)射時(shí)間參數(shù)、波速及衰減，分析聲發(fā)射幅度、能量、振鈴計(jì)數(shù)與加載時(shí)間的關(guān)系。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)過程中，噪音的存在不可避免，但是通過合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以最大限度地消除噪音干擾，取得了良好的試驗(yàn)效果。

(2)通過對(duì)分級(jí)加載下鋼筋混凝土梁聲發(fā)射信號(hào)的提取分析，在極限荷載的20%～30%時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)發(fā)生突變。所以可以利用全信息聲發(fā)射的這個(gè)特性來對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載力進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)結(jié)構(gòu)的可能破壞進(jìn)行預(yù)警。

(3)對(duì)鋼筋混凝土梁整個(gè)受載過程中的聲發(fā)射信號(hào)變化規(guī)律進(jìn)行分析，其破壞過程得到了監(jiān)測(cè)，破壞程度得到了確定，并對(duì)每級(jí)荷載下的損傷位置區(qū)間進(jìn)行了定位；結(jié)合構(gòu)件損傷歷程與聲發(fā)射信號(hào)的關(guān)系，利用聲發(fā)射參數(shù)特征來反演信號(hào)源的特征，證明了全信息聲發(fā)射技術(shù)能夠反映出梁受載過程中裂紋開裂和擴(kuò)展的變化規(guī)律；并利用其監(jiān)測(cè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的損傷過程、確定損傷程度和判斷損傷位置，精度能夠滿足要求，具有一定的通用性和實(shí)用性，其應(yīng)用前景廣闊。