王 毅，楊 予，包 挺，徐 浩

(浙江理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

近年來，超聲波因其具有方便、快捷、靈敏度高等優(yōu)點已然成為各類工程中重要的檢測手段[1- 8]。目前，已經(jīng)有很多學(xué)者對超聲波波速與應(yīng)力之間的關(guān)系進(jìn)行了研究[9- 18]。

由前人研究可知，使用超聲波進(jìn)行工作應(yīng)力診斷的關(guān)鍵是獲得聲彈性系數(shù)，目前對于聲彈性系數(shù)的研究集中于軸向拉壓試件，而純彎試件的相關(guān)研究較少。考慮到工程中許多構(gòu)件處于純彎工作狀態(tài)，其聲彈性系數(shù)顯然具有研究價值。

本文研究了鋼筋混凝土純彎梁受壓區(qū)聲彈性系數(shù)的獲取方法。具體步驟為：首先，通過純彎梁的加載-聲時測量實驗獲得受壓區(qū)表層聲彈性系數(shù)；其次，通過素混凝土試件軸壓實驗獲得受壓聲彈性系數(shù)；最后，對上述結(jié)果進(jìn)行對比分析，并總結(jié)純彎梁受壓區(qū)聲彈性系數(shù)的獲取方法。

本文首先介紹聲彈性系數(shù)理論的發(fā)展以及聲彈性計算方法；其次進(jìn)行純彎梁的加載實驗和素混凝土試件的軸壓實驗；然后對上述聲彈性系數(shù)進(jìn)行對比分析。

1 聲彈性理論

聲彈性理論最早由Murnaghan[19]提出， Hughes等[10]在其研究的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了聲彈性系數(shù)公式。在之后的研究中，Ivan Lillamand等[11]對Hughes的公式進(jìn)行了一階簡化，Karen F.Bompan等[12]對比了多個混凝土試件在軸壓狀態(tài)下的聲彈性系數(shù)。前人研究中常采用如下聲彈性系數(shù)公式：

(1)

通過測量試件在不同應(yīng)力狀態(tài)下的聲速再結(jié)合式(1)可計算出試件的聲彈性系數(shù)。

2 實驗過程

2.1 試件制備

為對比鋼筋混凝土純彎梁受壓區(qū)和素混凝土受壓試件的聲彈性系數(shù)，分別澆筑了一根長寬高規(guī)格為1200mm ×100mm×150mm的鋼筋混凝土梁(用于純彎實驗)和一根長寬高規(guī)格為550mm×150mm×150mm的素混凝土試件(用于單軸受壓實驗)。兩者在制作時僅尺寸與配筋不同，材料為P.O42.5的普通硅酸鹽水泥，粒徑28～40mm的粗骨料以及普通河砂，配合比見表1。梁的配筋與尺寸如圖1所示，在純彎段僅配置受拉鋼筋以避免受壓區(qū)鋼筋對波速測量的干擾，箍筋端頭采用焊接方式相連，鋼筋規(guī)格均為HRB400。

表1 混凝土配合比

圖1 梁的配筋與尺寸

2.2 實驗裝置

實驗裝置照片如圖2所示。在純彎實驗中，采用圖2(a)所示裝置加載測量波速，加載裝置由短型30t千斤頂與CP- 700液壓泵構(gòu)成，荷載由分配梁傳給純彎梁，采用YE2533程控讀數(shù)儀控制液壓泵施加的荷載。在單軸受壓實驗中，采用圖2(b)所示裝置加載測量波速，圖中液壓機為YAR- 2000微機控制電液伺服壓力試驗機。

圖2 實驗裝置照片

2.3 測點布置

為測量試件在不同應(yīng)力狀態(tài)下的波速，鋼筋混凝土梁純彎實驗在受壓區(qū)上方布置了2個40kHz換能器，如圖3所示，換能器中心距為400mm。素混凝土試件單軸受壓實驗在試件側(cè)面布置了2個40kHz換能器，如圖4所示，換能器中心距也取為400mm。

圖3 純彎實驗測點布置圖

圖4 軸壓實驗測點布置圖

2.4 加載與讀數(shù)

鋼筋混凝土梁純彎實驗采用四點彎方式加載，通過裂縫觀測儀觀察并控制梁表面最大裂縫寬度≤0.3mm以保證整個加載實驗梁處于正常工作極限狀態(tài)以內(nèi)。荷載為6個等級：3000、6000、9000、12000、15000、18000N。為減少實驗中微裂縫擴展對波速測量造成的影響，在測量聲時前對梁進(jìn)行了3輪預(yù)加載，然后再進(jìn)行3輪分級加載，每級荷載穩(wěn)定后測量記錄聲時，加載過程如圖5(a)所示。

素混凝土試件單軸受壓實驗利用電腦控制液壓機以1kN/s的速率對試件施加總共6個等級的荷載，每級應(yīng)力增量為1MPa，最大應(yīng)力為6MPa。加載過程分3輪預(yù)加載和3輪循環(huán)加載，每級荷載穩(wěn)定后測量記錄聲時，如圖5(b)所示。

實驗數(shù)據(jù)處理方法借鑒規(guī)范CECS02：88《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》，即每一級荷載的聲時均讀取并記錄16個數(shù)據(jù)，去掉最大和最小的3個數(shù)據(jù)，取剩余數(shù)據(jù)的平均值作為該級聲時，再結(jié)合測距計算出波速。

圖5 實驗加載過程圖

圖6 純彎聲彈性系數(shù)

3 實驗結(jié)果與對比分析

3.1 純彎梁受壓區(qū)聲彈性系數(shù)

根據(jù)純彎梁實驗中測得的波速和式(1)可計算出聲彈性系數(shù)。圖6為聲彈性回歸系數(shù)圖，x軸為根據(jù)平截面假定求出的受壓側(cè)混凝土應(yīng)力，y軸為波速變化率。

圖6中擬合出的直線斜率即為純彎梁受壓區(qū)聲彈性系數(shù)，第三輪實驗結(jié)果比前兩輪小，其原因是前兩輪加載過程中不斷產(chǎn)生新的微裂縫?？紤]到第三輪實驗時梁的微裂縫基本穩(wěn)定，受彎聲彈性系數(shù)取為第三輪循環(huán)加載實驗結(jié)果0.342(%/MPa)。

3.2 單軸受壓試件聲彈性系數(shù)

圖7為依據(jù)單軸受壓實驗結(jié)果繪制的聲彈性系數(shù)回歸分析圖。

圖7 受壓聲彈性系數(shù)

由圖7可知，多輪循環(huán)加載實驗得到的受壓聲彈性系數(shù)與前人[9- 10]的研究結(jié)果接近。由于軸壓實驗在前兩輪加載過程中新微裂縫發(fā)展速度較快，故受壓聲彈性系數(shù)取為第三輪實驗結(jié)果0.382(%/MPa)與純彎梁受壓區(qū)聲彈性系數(shù)0.342(%/MPa)非常接近。

3.3 兩種聲彈性系數(shù)的對比分析

純彎梁受壓區(qū)聲彈性系數(shù)與素混凝土試件受壓聲彈性系數(shù)對比如圖8所示。由圖8可知，兩種聲彈性系數(shù)在0.3～0.6(%/MPa)之間，受彎聲彈性系數(shù)的最終取值為0.342(%/MPa)比受壓聲彈性系數(shù)0.382(%/MPa)小0.04(%/MPa)，考慮到實驗中操作以及儀器測量等原因帶來的誤差很難完全避免，這兩個聲彈性系數(shù)的差值在可接受誤差范圍之內(nèi)。

圖8 聲彈性系數(shù)對比

4 結(jié)論

本文通過多輪循環(huán)加載實驗測量了兩根試件(僅尺寸與配筋不同)處于不同應(yīng)力狀態(tài)下的波速，并依據(jù)聲彈性理論擬合出聲彈性系數(shù)。實驗結(jié)果表明，受壓聲彈性系數(shù)為0.382(%/MPa)比受彎聲彈性系數(shù)0.342(%/MPa)大0.04(%/MPa)，兩種聲彈性系數(shù)的差值在可接受范圍之內(nèi)。

結(jié)論為可通過測量素混凝土試件的受壓聲彈性系數(shù)來確定純彎梁受壓區(qū)的聲彈性系數(shù)，測試中采用的條件應(yīng)保持一致性。

本文僅對受彎及受壓狀態(tài)下的聲彈性系數(shù)進(jìn)行了研究，而試件處于其他受力狀態(tài)(例如受拉、偏心受壓等)時的聲彈性系數(shù)是否可以采用類似方法測定，需要后續(xù)實驗進(jìn)行補充完善。