蔡路軍，陳少杰，吳立過，許 凱

(1.武漢科技大學(xué) a.理學(xué)院;b.城市建設(shè)學(xué)院,武漢 430065;2.湖北省智能爆破工程技術(shù)研究中心，武漢 430065;3.中鐵廣州工程局 武科大爆破技術(shù)研究中心，武漢 430065)

近年來，天然氣爆炸和恐怖襲擊事件頻發(fā)，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)常處于爆炸荷載之下，受到不同程度的損傷，甚至破壞[1-5]。因此，如何防護(hù)建筑結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的破壞，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷監(jiān)測是非常重要的。碳纖維布(Carbon Fibre Reinforced Plastics)具有自重輕、力學(xué)性能優(yōu)越、強度高、抗熱沖擊和抗熱摩擦性能優(yōu)異等特點，常被用于結(jié)構(gòu)加固修復(fù)和工程改造過程中。Hao Zhou等人研究了CFRP加固混凝土在疲勞循環(huán)荷載作用下的性能，實驗結(jié)果表明，CFRP加固混凝土在疲勞循環(huán)荷載作用下，破壞模式取決于混凝土的強度、類型、CFRP層壓板的尺寸和加載幅度[6]。R Al-Rousan等人研究了不同CFRP類型和結(jié)構(gòu)加固鋼筋混凝土板的性能，并建立了三維有限元模型，模擬了不同結(jié)構(gòu)CFRP復(fù)合材料的圓形鋼筋混凝土柱的響應(yīng)[7,8]。Zhen Huang等人研究了CFRP網(wǎng)格作為抗彎、抗剪鋼筋對混凝土板沖擊剪切作用的影響，并研究對比了CFRP網(wǎng)格的不同放置方案[9]。Hasan Elci對修復(fù)不當(dāng)?shù)幕炷林肅FRP進(jìn)行抗震加固，實驗結(jié)果表明，CFRP修復(fù)過的混凝土柱其橫向強度、剛度、延性和耗能特性明顯增強[10]。Rami H Haddad等人采用近表面安裝CFRP條來加固鋼筋混凝土梁，并研究了碳纖維布條的剖面形狀對結(jié)構(gòu)性能改善的影響[11]。張軍偉等人研究了CFRP加固混凝土梁受彎性能實驗，研究結(jié)果表明CFRP在鋼筋屈服后發(fā)揮的作用最大[12]。杜永峰等人利用壓電智能骨料研究工程應(yīng)用中套筒灌料的早期強度。Xu K等人提出了一種利用嵌入式PZT壓電智能骨料監(jiān)測混凝土柱在爆炸荷載作用下?lián)p傷的新方法，并證明了所提出的主動監(jiān)測方法的有效性[14]。總結(jié)國內(nèi)外研究，應(yīng)用CFRP材料加固混凝土并研究混凝土各項基本力學(xué)性能較多，在實驗研究和數(shù)值模擬方面都有很大的進(jìn)展，而針對CFRP加固混凝土抗爆性能研究較少，受限于各項條件，實驗開展數(shù)量還不夠，且內(nèi)部埋置壓電智能骨料探測爆破作用下結(jié)構(gòu)的損傷幾乎是空白。

通過在混凝土板內(nèi)埋置PZT壓電智能骨料，監(jiān)測板在爆炸荷載作用下的損傷狀況，并運用小波包能量分析方法對板的損傷情況進(jìn)行判定，實驗通過對比CFRP加固板和普通板在不同炸藥當(dāng)量作用下的內(nèi)部損傷，研究CFRP材料對混凝土結(jié)構(gòu)抗爆性能的提升，同時通過加速度和應(yīng)變監(jiān)測及板的破壞形態(tài)，反映混凝土板的抗爆性能。

1 壓電傳感器損傷監(jiān)測基本原理

1.1 壓電傳感器

PZT壓電陶瓷材料(Piezoelectric Ceramic Transducer)是脆性的且防水性差，不能在沒有保護(hù)的情況下直接放置在混凝土材料中使用，因此制作了一種智能骨料SA(Smart Aggregate)，即將PZT薄膜夾在兩個大理石塊之間進(jìn)行保護(hù)，兩個大理石塊之間用環(huán)氧樹脂進(jìn)行粘貼封裝，如圖1所示，PZT薄膜直徑為15 mm，厚度為0.3 mm，帶有BNC接頭的電纜用于提供對智能骨料的電連接。采用這種封裝措施，PZT在大理石塊保護(hù)下可以將其埋入混凝土中使用。

1.2 損傷監(jiān)測原理

PZT壓電智能骨料具有正逆壓電效應(yīng)，在受到應(yīng)力應(yīng)變作用時可以產(chǎn)生電荷，受到電場作用時會產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，因此，智能骨料既可以作為驅(qū)動器也可以作為傳感器。如圖2所示，嵌入在混凝土板中的一個智能骨料作為驅(qū)動器產(chǎn)生沿結(jié)構(gòu)傳播的應(yīng)力波，傳播路徑上的裂縫會顯著降低應(yīng)力波所攜帶的能量，被另一個作為傳感器的智能骨料接收。由于傳感器是嵌入在混凝土內(nèi)部的，通過分析采集到的應(yīng)力波信號，可以監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷情況。

圖 1 壓電智能骨料Fig. 1 Illustration of a smart aggregate

圖 2 損傷監(jiān)測原理Fig. 2 Principles of damage monitoring

1.3 小波包分析和損傷指數(shù)

小波包分析能夠在相對較短的時間窗口中檢查相對較窄的頻帶中的信號，對于結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測的信號處理非常有效[15,16]。本文基于小波包分析，給出了不同損傷下接收能量的對應(yīng)值。傳感器接收的信號S可以在n次分解下得到2n組信號{X1,X2,X3,…,X2n},其中Xj可以表示為Xj={Xj,1,Xj,2,Xj,3,…,Xj,m}(m為采樣點)。分解信號的能量被定義為

(j=1,2,3,…,2n)

(1)

因此，i時刻被分解后的能量向量為

Ei=[Ei,1,Ei,2,Ei,3,…,Ei,2n]

(2)

式中，i是時間指數(shù)，j是頻帶數(shù)(j=1,2,…,2n)。第i次爆炸損壞指數(shù)定義為

(3)

式中，Eh, j是健康狀態(tài)下第j次頻帶分解傳感器的能量。爆炸損傷指數(shù)表示為傳播過程能量損失部分。當(dāng)R值接近于0時，結(jié)構(gòu)處于健康狀態(tài)；R值越大，表示損傷越嚴(yán)重，當(dāng)R值接近1時，意味著結(jié)構(gòu)中發(fā)生了嚴(yán)重的損傷。

2 實驗方案

2.1 試件制備

在實驗中，設(shè)計并制作了兩組等級為C30的鋼筋混凝土板RC(Reinforced Concrete)作為試件，板的截面尺寸為750 mm×750 mm×90 mm，鋼筋型號采用 Q235φ8@130，鋼筋混凝土板的尺寸設(shè)計如圖3所示，混凝土配比如表1所示。在混凝土板澆筑之前，在兩組板相同的位置分別安裝三塊智能骨料，每塊智能骨料位置如圖3所示，分別編號為SA1，SA2，SA3，其中SA2作為啟動器，SA1、SA3作為傳感器，試件按照標(biāo)準(zhǔn)程序養(yǎng)護(hù)28 d。

在養(yǎng)護(hù)28 d后，用碳纖維布(CFRP)加固其中一組混凝土板，碳纖維布基本力學(xué)性能如表2所示，采用與混凝土粘結(jié)性較好的環(huán)氧樹脂作為膠粘劑，碳纖維布加固的施工工藝按照CECS 146:2003《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，先進(jìn)行表面找平，然后采用三次涂膠的粘貼法進(jìn)行加固粘貼。

表 1 混凝土配合比

表 2 碳纖維布力學(xué)性能

2.2 實驗裝置

本次實驗在武漢科技大學(xué)校內(nèi)中鐵廣州工程局-武科大爆破技術(shù)研究中心的空氣爆炸罐中進(jìn)行，將模型運送于爆炸罐中簡支固定在鋼架上，采用太安猛炸藥并轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的TNT當(dāng)量，將炸藥用支架懸吊于離板迎爆面正中心以上20 cm處，采用毫秒一段導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行引爆，實驗分多級進(jìn)行加載。此外，在板的背爆面分別粘貼三組應(yīng)變片，詳細(xì)位置如圖4所示，編號為A1至A3，并在應(yīng)變片旁邊分別安裝一個加速度計，用于測量試件的加速度。試件起爆時，用PVC管和棉被對應(yīng)變片、加速度計、智能骨料的傳輸線進(jìn)行防護(hù)，防止傳輸線被破壞。

圖 3 板配筋以及智能骨料安放位置Fig. 3 Reinforcement and smart aggregate position

圖 4 傳感器布置示意圖(單位：cm)Fig. 4 Sensor layout diagram(unit:cm)

2.3 實驗過程

如圖5所示，炸藥放在板中心的上方，其具體爆炸方案如表3所示。

圖 5 加載方式Fig. 5 Loading method

實驗標(biāo)號用B0表示初始狀態(tài)，B1～B5表示五次不同的爆炸。在第一次爆炸之前和每次爆炸結(jié)束之后，利用壓電智能骨料主動監(jiān)測方法采集數(shù)據(jù)，將板劃分為兩塊區(qū)域分別監(jiān)測損傷，并在每次爆炸過程中采集加速度、應(yīng)變的數(shù)據(jù)。

表 3 爆炸實驗方案

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 智能骨料損傷監(jiān)測結(jié)果

PZT壓電智能骨料對混凝土板內(nèi)部的裂縫比較敏感，當(dāng)混凝土板受損后，壓電智能骨料接受到的信號幅值將會衰減。圖6分別為普通板(RC)和CFRP加固板在Ⅰ區(qū)(S2作為驅(qū)動器，SA1作為傳感器)的主動監(jiān)測信號時程曲線。圖7分別為普通板和CFRP加固板在Ⅱ區(qū)(SA2作為驅(qū)動器，SA3作為傳感器)的主動監(jiān)測信號時程曲線。在開始實驗之前對初始狀態(tài)的混凝土板進(jìn)行一次信號采集以及每次爆炸荷載施加結(jié)束后采集一次，B0為初始狀態(tài)，B1～B5依次為第一次到第五次爆炸荷載施加后所采集到的信號，復(fù)合圖能夠更好的表現(xiàn)出不同藥量作用下板內(nèi)部損傷情況的差異。

由圖6、圖7可知，混凝土板在初始狀態(tài)下(B0)，信號幅值較大，隨著爆炸荷載的增加，信號幅值逐漸減小，直到第五次爆炸荷載(B5)施加后，信號幅值下降明顯幾乎為零，說明混凝土板已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p壞，施加荷載后產(chǎn)生的應(yīng)力波不能從驅(qū)動器傳到傳感器。普通板相比于CFRP加固板信號分布較離散，能量密度不集中，說明CFRP的加固減少了信號的散射，對能量信號的傳遞有增強作用。在不同位置處，區(qū)域Ⅱ信號分布較區(qū)域Ⅰ更加集中，說明在爆源正下方區(qū)域Ⅰ內(nèi)板的損傷要更加嚴(yán)重。

圖 6 Ⅰ區(qū)損傷監(jiān)測時域信號Fig. 6 Damage monitoring time domain signal(Ⅰ)

圖 7 Ⅱ區(qū)損傷監(jiān)測時域信號Fig. 7 Damage monitoring time domain signal(Ⅱ)

為了更好的比較普通板和CFRP加固板的損傷情況，通過 MATLAB 進(jìn)行編程將信號進(jìn)行小波包能量分析并計算出板健康狀態(tài)下的能量指數(shù)，再根據(jù)公式(3)計算出每次爆炸板的具體損傷指數(shù)R，繪成柱狀圖,如圖8所示。

圖 8 普通板和CFRP加固板損傷對比圖Fig. 8 Damage index

當(dāng)損傷指數(shù)為0時表示混凝土板處于初始狀態(tài)，當(dāng)損傷指數(shù)為1時表示已經(jīng)被完全破壞。在B1到B5工況爆炸荷載作用下，區(qū)域Ⅰ內(nèi)CFRP加固板損傷指數(shù)相比于普通板降低了29.05%、27.44%、15.85%、8.69%、0.35%，區(qū)域Ⅱ內(nèi)損傷指數(shù)相比降低了17.12%、27.24%、8.97%、2.54%、0.23%。如圖8所示，無論是區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ，CFRP加固的混凝土板損傷指數(shù)都要小于普通混凝土板，且區(qū)域Ⅰ在爆源正下方，區(qū)域Ⅱ相鄰區(qū)域Ⅰ遠(yuǎn)離爆源，損傷指數(shù)明顯小于區(qū)域Ⅰ。而在B5工況下兩塊板損傷都趨近于1，說明兩塊板都已被完全破壞。結(jié)果表明，在小藥量爆炸沖擊下(B1～B3)，CFRP加固板的損傷指數(shù)明顯小于未加固板的損傷指數(shù)，說明CFRP在藥量較小時能有效提升混凝土板的抗爆性能。在大藥量作用下(B4、B5)，兩塊板的損傷指數(shù)區(qū)別不大，在最后一爆后損傷指數(shù)都趨近于1，板中部形成貫穿空洞，已完全破壞失去承載力，說明當(dāng)藥量較大時，CFRP加固材料對混凝土板的抗爆性能提升不明顯。

3.2 加速度結(jié)果分析

加速度結(jié)果可以直觀的展現(xiàn)結(jié)構(gòu)受載過程中局部響應(yīng)行為，通過粘貼在混凝土背面的加速度傳感器可以獲得混凝土板的抗爆性能的強弱。如圖9所示，繪制了第二塊加速度傳感器(A2)在每次爆炸期間的時間響應(yīng)。在實驗過程，第五次爆炸(B5)后混凝土被破壞，因此提前取下加速度傳感器防止被破壞，應(yīng)變片也因板破壞而失真，因此忽略不計。

圖 9 A2測點加速度時程曲線Fig. 9 Acceleration time history curve(A2)

加速度傳感器具有較強的靈敏性，能夠迅速捕捉爆炸產(chǎn)生沖擊波作用于結(jié)構(gòu)的能量，由圖9可知，加速度在5 ms處達(dá)到峰值，然后緩慢衰減至平衡位置。在相同位置處炸藥爆炸下，隨著藥量的增加，普通混凝土板和CFRP加固混凝土板的加速度峰值也不斷增加，但增大幅值并非與炸藥量成正比，在10 g、20 g、40 g TNT當(dāng)量下加速度峰值增加較大，當(dāng)在80 g TNT當(dāng)量以上時，加速度峰值較前面兩次趨于平緩。CFRP加固板加速度峰值明顯小于普通板，說明CFRP加固混凝土板可以吸收部分能量，減少板背爆面拉伸波所作的破壞作用。從不同位置加速度動力響應(yīng)分析，B1到B3階段，A3位置處加速度幅值顯著大于A1、A2位置處加速度幅值，在B4階段，A2和A3處加速度幅值相差不大，說明當(dāng)大藥量作用于板時，距爆源于結(jié)構(gòu)中心投影點一定范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)所受爆炸效應(yīng)相同，局部易發(fā)生剪切破壞。

3.3 應(yīng)變結(jié)果及分析

圖10顯示了不同藥量下普通板和CFRP加固板在A2位置處濾波后的應(yīng)變信號。

由圖10可知，在5 ms位置處，各板應(yīng)變達(dá)到峰值，同位置下隨著藥量成倍的增加，應(yīng)變逐漸增大，10 g、20 g、40 g TNT當(dāng)量下應(yīng)變呈線性增強，普通板應(yīng)變幅值上升隨著荷載增加而加速增長，CFRP加固混凝土板增量變化較小，再一次表明CFRP加固混凝土板可以顯著改善混凝土的抗拉性能。比較不同位置應(yīng)變變化情況，離爆源投影中心點近的板背部混凝土應(yīng)變幅值遠(yuǎn)大于其他位置應(yīng)變，變化趨勢為A3>A2>A1，說明炸藥爆炸正沖擊結(jié)構(gòu)背面損傷較其他位置更嚴(yán)重，局部產(chǎn)生的彎曲拉應(yīng)力更大。CFRP的加入分散了應(yīng)力波能量，減弱了爆炸應(yīng)力波直接作用于結(jié)構(gòu)而傳播至背部的反射拉伸效應(yīng)，體現(xiàn)了CFRP對混凝土拉伸變形的抑制作用以及增強了混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性、抗爆性。

3.4 板的破壞形態(tài)及分析

圖11顯示了CFRP加固板和普通板在160 g TNT當(dāng)量下接觸爆炸后板的宏觀破壞模式，從圖中可以看到普通板破壞形式嚴(yán)重，板正面中心產(chǎn)生直徑大約為13 cm的貫穿孔洞，表面分布有明顯的近似方形的周向裂紋，而CFRP加固板正面也產(chǎn)生了直徑約12 cm的貫穿孔洞，但板表面裂縫不明顯，且數(shù)量明顯少于普通板裂縫數(shù)量。說明在正面沒有貼CFRP布時，迎爆面受壓破壞模式和普通板相同，破壞結(jié)果差別不大。而在板背面由于爆炸波在自由面反射拉伸波的作用下，出現(xiàn)大面積的剝落和震塌現(xiàn)象，產(chǎn)生大量的徑向裂紋，而CFRP加固板背面剝落坑面積相較于普通板小很多，說明CFRP充分發(fā)揮了其抗拉的優(yōu)異性能，緩解拉伸波對混凝土的直接作用，抑制混凝土的裂紋發(fā)展，減小混凝土的開裂面積，同時，混凝土與碳纖維布之間的摩擦也分擔(dān)了部分應(yīng)力波能量，使得結(jié)構(gòu)整體性抗爆性能增強。

圖 10 A2測點應(yīng)變時程曲線Fig. 10 Strain time history curve(A2)

圖 11 開裂圖Fig. 11 Damaged slabs

4 結(jié)論

通過將PZT壓電智能骨料埋入混凝土板內(nèi)部進(jìn)行爆破實驗，再結(jié)合加速度傳感器和應(yīng)變片，對混凝土板的動態(tài)響應(yīng)以及內(nèi)部損傷進(jìn)行研究，得到以下主要結(jié)論：

(1)利用嵌入式PZT壓電智能骨料可以對爆破荷載作用下混凝土板的內(nèi)部損傷實現(xiàn)有效監(jiān)測，同時，利用小波包能量分析法可以對采集到的信號進(jìn)行有效分解。結(jié)果表明：在藥量較小時CFRP加固板內(nèi)部損傷明顯小于普通板，說明CFRP材料能有效提高混凝土的抗爆性能。

(2)基于應(yīng)變片、加速度傳感器對CFRP加固板和普通板的動態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行分析，對比驗證了壓電智能骨料監(jiān)測內(nèi)部損傷的可行性。當(dāng)藥量較小時，CFRP加固板應(yīng)變和加速度都明顯小于普通板；當(dāng)藥量較大時，由于應(yīng)變和加速度傳感器易于損壞，采用智能骨料能夠更加有效的反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部破壞情況。

(3)對CFRP加固板和普通板做了不同藥量下爆破對比實驗，對其破壞形態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：CFRP加固后混凝土的抗拉強度和沖擊韌性都得到了提高，CFRP材料的加固可以抑制板的裂紋擴(kuò)展，在背爆面產(chǎn)生剝落震塌面積明顯小于普通板，說明CFRP材料能夠有效提升混凝土結(jié)構(gòu)的抗爆性能。