汪興源， 周建庭， 劉騰飛， 劉定坤， 劉思孟

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

混凝土是基礎(chǔ)設(shè)施中使用最廣泛的材料之一，主要應(yīng)用于橋梁、大壩、隧道和建筑物中，然而由于過載、老化、腐蝕、疲勞和環(huán)境危害等原因，這些結(jié)構(gòu)物會(huì)出現(xiàn)劣化、損傷甚至失效。聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)是一種非侵入性被動(dòng)無損檢測(cè)(Non Destructive Testing，NDT)方法，聲發(fā)射來源可以定義為由材料中損傷源快速釋放能量而產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波[1]。根據(jù)材料變形時(shí)聲發(fā)射的不可逆效應(yīng)(即材料被重新加載期間，在應(yīng)力值達(dá)到上次加載的最大應(yīng)力之前不產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào))，從而可以監(jiān)測(cè)到缺陷的萌生、擴(kuò)展及材料開裂的過程，且能初步判斷缺陷位置。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外關(guān)于聲發(fā)射技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)上的研究與應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)行了幾十年。Hu等[2]使用AE技術(shù)研究混凝土裂縫擴(kuò)展，確定了初始荷載、裂縫擴(kuò)展方式和最終混凝土結(jié)構(gòu)失效模式。Rouchier等[3]使用AE信號(hào)的數(shù)量和振幅分布來評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)的損傷。Elbatanouny等[4]利用持荷階段獲得的AE信號(hào)來代替常規(guī)變形的測(cè)量，以評(píng)估PC(Precast Concrete)梁的完整性。Fu等[5]研究了凱瑟效應(yīng)是否存在于剪切和彎曲試驗(yàn)中，并發(fā)現(xiàn)了AE事件數(shù)量與應(yīng)力曲線的相關(guān)性比AE能量總和與應(yīng)力曲線的相關(guān)性更適合于聲發(fā)射的研究。胡少偉等[6]根據(jù)混凝土斷裂臨界狀態(tài)的聲發(fā)射識(shí)別特征，建立了混凝土斷裂的聲發(fā)射判據(jù)。范宇恒[7]運(yùn)用聲發(fā)射對(duì)三分點(diǎn)加載小梁進(jìn)行了正截面二維定位監(jiān)測(cè)。王明佳[8]運(yùn)用聲發(fā)射來評(píng)估玄武巖纖維混凝土的工作性能并預(yù)測(cè)分析玄武巖混凝土的斷裂。張力偉[9]采用尖點(diǎn)突變模型對(duì)預(yù)制裂縫混凝土梁三點(diǎn)彎曲斷裂過程的聲發(fā)射參數(shù)序列進(jìn)行了突變分析。綜上所述，聲發(fā)射技術(shù)已被廣泛用于混凝土結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估、裂縫監(jiān)測(cè)和歷史上承受過的最大應(yīng)力值的定量評(píng)價(jià)等方面，并取得了不少的成果。

根據(jù)本文所回顧的文獻(xiàn)，聲發(fā)射在混凝土監(jiān)測(cè)方面具有重大的潛力，但迄今為止沿結(jié)構(gòu)橫截面高度的AE信號(hào)分布特點(diǎn)很少受到關(guān)注。眾所周知，聲發(fā)射信號(hào)與應(yīng)變、位移(或變形)等都是結(jié)構(gòu)受力過程中產(chǎn)生的；本質(zhì)上，這些物理量之間存在內(nèi)在聯(lián)系。但是，綜觀眾多已有研究，我們發(fā)現(xiàn)人們對(duì)這種內(nèi)在聯(lián)系的關(guān)注度亟待加強(qiáng)。此外，通過將這些物理量聯(lián)系起來，能夠揭示它們之間的定性和定量關(guān)系，為更大范圍內(nèi)的科學(xué)研究和工程應(yīng)用拓展新的空間。因此，基于6片鋼筋混凝土梁的加載試驗(yàn)，我們研究了AE信號(hào)在截面高度方向上的分布規(guī)律，并定量分析了聲發(fā)射信號(hào)與應(yīng)力分布之間的相關(guān)性。

2 基本目標(biāo)

力學(xué)理論表明：隨著荷載大小的變化，截面上的應(yīng)力分布模式是確定的。與此同時(shí)，前人系統(tǒng)的研究[10～16]已經(jīng)揭示，當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力水平足夠高時(shí)，裂縫將萌生并發(fā)展；更為重要的是，Ohtsu等[10～16]在混凝土軸心抗壓試驗(yàn)研究中提出了壓應(yīng)力與聲發(fā)射信號(hào)量之間的相關(guān)關(guān)系式：

(1)

式中：N為在混凝土受壓開始至v壓力等級(jí)狀態(tài)下積累的AE事件數(shù)。將上述兩方面放在一起思考，不難提出以下猜想：在應(yīng)力水平高的區(qū)域，其對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射活動(dòng)性(AE Activity)也相對(duì)更高。簡(jiǎn)言之，在應(yīng)力值大的位置其產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)應(yīng)更密集，反之亦然。有鑒于此，應(yīng)力分布模式(即應(yīng)力圖)與聲發(fā)射信號(hào)分布形態(tài)之間極有可能存在一定的相關(guān)性。因此，以下兩個(gè)問題在科學(xué)和工程領(lǐng)域具有十分重要的研究?jī)r(jià)值：

(1)在加載過程中，混凝土梁截面上獲取的AE信號(hào)沿梁截面高度方向是如何變化的？

(2)AE信號(hào)分布和應(yīng)力圖之間可能存在什么關(guān)系？

為此，我們加載測(cè)試了6根鋼筋混凝土梁，利用聲發(fā)射系統(tǒng)與數(shù)字散斑(Digital Image Correlation，DIC)等技術(shù)獲取了結(jié)構(gòu)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，并研究了應(yīng)力圖與AE信號(hào)之間的關(guān)系。AE是材料內(nèi)部由于局部應(yīng)變能的快速釋放而產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性波。圖1展示了用于描述波形和表達(dá)信號(hào)特征的常用AE參數(shù)[17]。在這里定義一個(gè)名為AE事件數(shù)集度的新術(shù)語，該物理量表示單位面積或體積上獲得的AE事件的數(shù)量；本研究中，AE事件數(shù)集度指梁截面上單位面積內(nèi)定位到的聲發(fā)射事件個(gè)數(shù)。

圖1 本文主要的聲發(fā)射參數(shù)和概念

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試件設(shè)計(jì)及制作

本次試驗(yàn)測(cè)試了6個(gè)RC(Reinforced Concrete)梁試件，如圖2所示。所有梁的截面均為矩形，寬120 mm、高150 mm，凈跨徑為620 mm。直徑為12 mm的鋼筋(N1)作為受拉鋼筋，直徑為6 mm的鋼筋(N2)用作受壓鋼筋。設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。

圖2 RC梁試件

3.2 儀器設(shè)備及加載設(shè)置

AE信號(hào)采用美國(guó)PAC公司生產(chǎn)的MISTRAS系統(tǒng)收集。該系統(tǒng)由前置放大器(40 dB)，R6D傳感器(40～100 kHz)和帶有8個(gè)AE通道的電腦組成。電腦上安裝了全套AEWin軟件。表1列出了聲發(fā)射系統(tǒng)設(shè)置中的幾個(gè)重要參數(shù)。

表1 AE數(shù)據(jù)采集期間使用的參數(shù)

由于AE信號(hào)主要由與AE事件源相近的傳感器記錄[18]，因此大部分傳感器都放置在最可能的損傷部位——純彎曲區(qū)域。如圖3，4所示，每片梁的頂部和底部共安裝了6個(gè)傳感器(S1～S6)，采用醫(yī)用凡士林作為聲學(xué)耦合劑。為了確保所有傳感器工作性能良好，在加載之前完成了鉛筆斷鉛(PLB)測(cè)試。

圖3 AE傳感器布置方式示意/mm

圖4 AE傳感器的布置方式(現(xiàn)場(chǎng)照片)

該研究中使用的其他儀器包括：數(shù)字圖像相(DIC)系統(tǒng)，應(yīng)變儀和位移傳感器。為了計(jì)算每個(gè)RC梁側(cè)表面上(局部)的應(yīng)變場(chǎng)，使用了DIC設(shè)備。在試件1上，DIC測(cè)試區(qū)域是整個(gè)側(cè)面，而在其他試件上DIC相機(jī)僅僅聚焦在純彎曲區(qū)域。同時(shí)，在跨中上下邊緣20 mm處貼上了兩片混凝土應(yīng)變片，以測(cè)量該部位的點(diǎn)應(yīng)變。此外，位移傳感器布置在每個(gè)試件的跨中正下方。

加載過程中試件都處于四點(diǎn)彎曲狀態(tài)。加載速率為0.005 mm/s，單調(diào)增加直到梁完全破壞為止。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 全試驗(yàn)階段數(shù)據(jù)分析

本節(jié)將深入討論1#梁上獲得的數(shù)據(jù)，同時(shí)利用其他梁的數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證。由于6根梁獲得的聲發(fā)射信號(hào)分布圖大體趨勢(shì)基本一致，表觀上無明顯差異，故考慮篇幅原因只展示了1#梁的聲發(fā)射信號(hào)分布。在以下討論中，主要分析來自被6個(gè)AE傳感器包圍的區(qū)域獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在該測(cè)試區(qū)中，所有橫截面都承受了相同大小的彎矩。使用了三個(gè)AE參數(shù)：AE事件數(shù)集度、絕對(duì)能量和信號(hào)強(qiáng)度。另外，根據(jù)DIC、混凝土應(yīng)變片和電子位移計(jì)提供的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算試件的應(yīng)變和應(yīng)力水平。圖5，6顯示了1#梁加載過程中的荷載-撓度曲線和破壞時(shí)該梁的形態(tài)。

圖5 梁1的荷載-撓度曲線

圖6 1#梁的失效形態(tài)

圖7展示了破壞階段(圖7a)和整個(gè)測(cè)試(圖7b，7c)中獲取的所有AE信號(hào)和應(yīng)變。在圖7a，7b中，梁截面高度被細(xì)分為31個(gè)小條帶，每個(gè)條帶分別對(duì)應(yīng)三個(gè)計(jì)數(shù)器，即聲發(fā)射事件(AE event)數(shù)計(jì)數(shù)器、能量(AE energy)計(jì)數(shù)器和信號(hào)強(qiáng)度(AE signal strength)計(jì)數(shù)器。利用聲發(fā)射系統(tǒng)的定位功能，能夠?qū)γ總€(gè)聲發(fā)射事件的聲源位置進(jìn)行定位。當(dāng)某個(gè)條帶中定位了一個(gè)事件之后，相應(yīng)的事件數(shù)計(jì)數(shù)器增加1，該事件的能量和強(qiáng)度值分別累加到了能量計(jì)數(shù)器和信號(hào)強(qiáng)度計(jì)數(shù)器上。在分析數(shù)據(jù)時(shí)，將梁高方向設(shè)定為縱坐標(biāo)，上述三個(gè)計(jì)數(shù)器的值分別作為三個(gè)圖的橫坐標(biāo)，從而得到了圖7。

圖7 1#梁上采集的數(shù)據(jù)

對(duì)AE信號(hào)的處理主要是探究AE事件數(shù)集度分布與受壓區(qū)應(yīng)力之間的相關(guān)性(見圖8)。為此，需要完成以下三個(gè)步驟：(1)在圖8b中，根據(jù)在最終狀態(tài)下用DIC系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)(圖8d)計(jì)算1#梁的跨中截面的應(yīng)變分布；(2)在圖8c中，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系計(jì)算受壓區(qū)的應(yīng)力(方程(2)[19]。

(2)

式中：σc為應(yīng)變?yōu)棣與≤0.003時(shí)的壓應(yīng)力值；εc1為峰值應(yīng)力下的應(yīng)變；fcm，Ecm分別為標(biāo)準(zhǔn)試塊養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)的平均抗壓強(qiáng)度和彈性模量；εc1，fcm，Ecm是在本構(gòu)關(guān)系中指定的材料常數(shù)。

這里只考慮壓應(yīng)力，因?yàn)橛捎诨炷敛牧系目估瓘?qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度[20]，而且當(dāng)外荷載較低時(shí)受拉區(qū)的混凝土就已經(jīng)開裂。最后，使用曲線擬合方法(圖8d)得到了AE在壓縮區(qū)高度的分布。如圖8c，8d所示，AE事件強(qiáng)度的分布與該區(qū)域上的壓應(yīng)力分布相關(guān)性極高。首先，這兩個(gè)分布具有非常相似的曲線形狀；其次AE事件數(shù)集度和應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在幾乎相同的位置。更具體地說，前者距頂部20 mm，后者為22 mm。這在其它梁中都是一致的。綜上所述，試件加載過程中AE事件數(shù)集度與截面高度方向的壓應(yīng)力的分布精確相關(guān)，但是在AE能量和信號(hào)強(qiáng)度兩個(gè)參數(shù)的分布圖上難以觀察類似的相關(guān)性。

圖8 聲發(fā)射事件數(shù)集度分布與壓應(yīng)力圖的比較

上述工作表明：AE事件數(shù)的分布與應(yīng)力圖之間存在的相關(guān)性。這一發(fā)現(xiàn)與其它學(xué)者的研究結(jié)果(式(1)所對(duì)應(yīng)的文獻(xiàn))一致。

另外，在圖8c中截面頂部有一個(gè)空白區(qū)域(高14 mm)，這歸因于該部分過大的壓應(yīng)力壓碎了一部分混凝土，從而使得此部分截面面積無法承受應(yīng)力。需要指出，式(1)僅適用于當(dāng)εc≤0.0035時(shí)，然而空白區(qū)域的εc遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該限值。事實(shí)上，εc≤0.0035意味著在物理上混凝土已被壓碎，此處空白在圖9中得到確認(rèn)。

圖9 切割后觀察到的切面

4.2 切割面觀察分析

5#梁和6#梁卸載后，在破壞最嚴(yán)重的截面處被切割成兩部分。如圖9所示，根據(jù)切割后暴露出的截面外觀可得出以下兩個(gè)結(jié)論：(1)圖9中測(cè)得的被壓碎混凝土層的厚度與圖8c中截面頂部的無應(yīng)力區(qū)域的高度(14 mm)相匹配。在圖8c零應(yīng)力區(qū)的討論中，已知由于該區(qū)段頂部的混凝土被壓碎導(dǎo)致了高14 mm的區(qū)間應(yīng)力為零。在圖9中，測(cè)量得到的被壓碎的混凝土厚度為13～20 mm(兩對(duì)紅色虛線之間的空間)，該范圍內(nèi)的碎石混凝土的厚度與理論計(jì)算值(14 mm)非常吻合。(2)AE事件發(fā)生在梁整個(gè)高度方向截面，從圖9可以觀察到：測(cè)試過程中形成的裂縫幾乎貫穿了整個(gè)截面。綜上所述，這些觀察結(jié)果有力地支持了前面討論中所得到的結(jié)果。

5 結(jié)論與展望

本研究通過研究RC梁高度方向上的聲發(fā)射(AE)信號(hào)分布并揭示了AE信號(hào)分布與壓應(yīng)力圖之間的相關(guān)性。對(duì)6根梁進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并測(cè)量了AE信號(hào)、結(jié)構(gòu)撓度和應(yīng)力應(yīng)變，然后進(jìn)行了詳細(xì)分析?；谏鲜龅脑囼?yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1)AE事件數(shù)集度的分布與應(yīng)力圖存在極強(qiáng)的幾何相似性，但在AE絕對(duì)能量和信號(hào)強(qiáng)度兩個(gè)參數(shù)的分布圖上未發(fā)現(xiàn)該相關(guān)性。

(2)高度方向的AE事件數(shù)集度的分布和截面受壓區(qū)壓應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在幾乎相同的位置并且二者分布圖形在幾何形態(tài)上精確匹配，可以得出沿截面高度方向的聲發(fā)射事件數(shù)集度與RC梁壓應(yīng)力圖存在密切相關(guān)性。

本文通過定性的方法探究了AE事件集度與壓應(yīng)力分布之間的關(guān)系，在后續(xù)的研究中，希望能夠通過在壓應(yīng)力區(qū)采集到的AE事件集度所作出的曲線的非線性程度來描述與真實(shí)壓應(yīng)力之間的關(guān)系。