基于聲發(fā)射技術(shù)的CFRP鋼管混凝土受彎破壞過程

張力偉,趙穎華,江阿蘭

(1.大連海事大學(xué)道路與橋梁工程研究所,大連 116026;2.大連交通大學(xué)土木與安全工程學(xué)院,大連 116028)

CFRP鋼管混凝土是在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[1]和FRP筒混凝土結(jié)構(gòu)[2-4]基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)形式。通過在鋼管內(nèi)澆注混凝土、管外粘貼CFRP(碳纖維增強(qiáng)聚合物)片材,使得CFRP、鋼管和混凝土三種材料的性能優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮,既提高了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,又彌補(bǔ)了FRP筒內(nèi)填混凝土結(jié)構(gòu)延性不足的問題,同時(shí)具有很好的經(jīng)濟(jì)性能和易于施工的特點(diǎn)。從2003年沈陽建筑大學(xué)最早提出這種構(gòu)想并進(jìn)行研究開始[5],很多專家和學(xué)者在這方面做了大量工作,取得了顯著的成果[6-9]。但是,由于CFRP鋼管混凝土的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及損傷不可觀測(cè)性,導(dǎo)致此類結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)比較困難,需要做深入研究。

聲發(fā)射技術(shù)作為一種新型無損檢測(cè)方法,具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、操作簡單等優(yōu)點(diǎn),近年來在材料性能評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用。筆者利用聲發(fā)射技術(shù)研究CFRP-鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在彎曲條件下的受力特點(diǎn)和破壞過程,擬為這種構(gòu)件在彎曲荷載作用下?lián)p傷過程監(jiān)測(cè)提供一種有效的方法。

1 聲發(fā)射技術(shù)簡介

聲發(fā)射是指材料在外力作用下產(chǎn)生變形和斷裂,以聲波的形式釋放能量的一種物理現(xiàn)象[10]。這種應(yīng)力波傳播到材料表面作為表面振動(dòng)可被傳感器接收,然后經(jīng)過信號(hào)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和特征提取,對(duì)聲發(fā)射源特征作出分析和研究,進(jìn)而推斷出材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的位置、大小和變化趨勢(shì)。圖1是典型聲發(fā)射波形及參數(shù)示意圖。每采集一次波形定義為一次撞擊;波形中超過門檻電壓的脈沖數(shù)稱為振鈴計(jì)數(shù);而聲發(fā)射能量是指波形包絡(luò)線對(duì)時(shí)間的積分。當(dāng)一個(gè)源波形經(jīng)過傳播,先后被一組傳感器接收,便可以根據(jù)到達(dá)時(shí)間的差異來進(jìn)行源定位,稱為一個(gè)聲發(fā)射事件。聲發(fā)射波形分析、參數(shù)分析及源定位是聲發(fā)射技術(shù)研究的主要內(nèi)容。

圖1 聲發(fā)射參數(shù)示意圖

2 試驗(yàn)介紹

2.1 材料和試件

試驗(yàn)試件總長度為 1 400 mm,支點(diǎn)跨度1 200mm。內(nèi)部混凝土為C60的高強(qiáng)混凝土,鋼管采用120mm×120mm×3 mm標(biāo)準(zhǔn)型鋼。鋼管表面粘貼兩層CFRP,內(nèi)層纖維方向?yàn)榭v向,外層纖維為環(huán)向。試件橫截面形式如圖2所示。纖維采用的是日本TORAY T70012 K碳纖維編織的單向布,主要技術(shù)性能為：單絲拉伸強(qiáng)度4 900 MPa,彈性模量230 GPa,拉斷伸長率約2%,纖維布單位重量300 g/m2,厚度t=0.167 mm。采用由遼寧省建設(shè)科學(xué)研究院研制生產(chǎn)的JGN-C和JGN-P建筑結(jié)構(gòu)粘合劑作為粘浸膠和底膠。試件具體制作過程和制作工藝及混凝土配合比可參考文獻(xiàn)[11]。

圖2 試件截面形式及應(yīng)變片布置

2.2 試驗(yàn)方法

圖3 試驗(yàn)加載裝置示意圖

試驗(yàn)在沈陽建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室完成。圖3為試驗(yàn)加載裝置示意圖。加載方法為手動(dòng)加載,荷載單調(diào)增加至試件破壞失去承載能力,每次加載后保持2～3 min以便觀察試驗(yàn)現(xiàn)象。應(yīng)變片沿跨中截面圓周方向粘貼在鋼管表面,如圖2所示,其中1,3,5,7和9測(cè)環(huán)向應(yīng)變,2,4,6,8和10測(cè)量縱向應(yīng)變。聲發(fā)射設(shè)備采用美國PAC公司PCI-2型聲發(fā)射系統(tǒng),傳感器對(duì)稱布置在試件相應(yīng)的位置,如圖3所示。傳感器與試件接觸面須平整,使用真空絕緣脂將兩者粘合在一起,然后用膠帶將其固定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件,設(shè)置門檻值45 dB,前置放大器和主放大器增益均為40 dB。加載過程中荷載、應(yīng)變和聲發(fā)射數(shù)據(jù)均為實(shí)時(shí)采集,中間不間斷。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 荷載分析

圖4表示荷載隨跨中撓度變化的關(guān)系曲線。由圖可見,整個(gè)受載過程可分為四個(gè)階段：AB彈性階段,BC彈塑性階段,CD下降階段,DE軟化階段。其中屈服荷載為200 kN,約為極限荷載的75%。文獻(xiàn)[9]指出,CFRP鋼管混凝土受彎構(gòu)件出現(xiàn)明顯的下降段是由于縱向纖維的斷裂失效所致。由試驗(yàn)過程中現(xiàn)場(chǎng)觀察也可證實(shí),當(dāng)試件接近極限荷載時(shí),試件底部CFRP布發(fā)生大面積斷裂和剝落,因此造成了試件承載能力的迅速降低,出現(xiàn)了明顯的下降段。

圖4 荷載與跨中撓度關(guān)系曲線

圖5是加載過程中試件跨中荷載-應(yīng)變曲線,其中應(yīng)變3,4和10為相應(yīng)的應(yīng)變片數(shù)值,分別表示受壓區(qū)環(huán)向、縱向應(yīng)變及受拉區(qū)縱向應(yīng)變。圖中顯示,應(yīng)變10在荷載達(dá)150 kN后開始迅速增大,但由于此時(shí)CFRP約束作用較強(qiáng),整個(gè)構(gòu)件尚處于彈性階段。200 kN以后跨中受拉區(qū)應(yīng)變迅速增加到約20 000με(με表示微應(yīng)變,即 10-6ε),即達(dá)到了CFRP內(nèi)纖維的拉斷伸長率,這也證實(shí)了受拉區(qū)CFRP是在200 kN至構(gòu)件極限荷載之間發(fā)生斷裂。而受壓區(qū)應(yīng)變的變化則完全不同,即試件進(jìn)入下降段以后應(yīng)變才由10 000με迅速增加到20 000με,說明受壓區(qū)CFRP斷裂發(fā)生在極限荷載之后,這是因?yàn)闃O限荷載后受拉區(qū)縱向變形較大,造成受壓區(qū)有效受壓面積減小,受壓區(qū)混凝土迅速被壓碎膨脹,從而使得受壓區(qū)鋼管發(fā)生向外鼓屈,外側(cè)CFRP被拉斷。與此同時(shí),應(yīng)變4則迅速由受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾?/p>

3.2 聲發(fā)射參數(shù)分析

由前面分析可知,當(dāng)試件達(dá)到極限荷載時(shí),受拉區(qū)CFRP已完全斷裂失效,鋼管處于屈服軟化階段,不僅試件的承載力急劇下降,而且試件的跨中撓度與跨度之比超過2%,構(gòu)件失去安全使用性能。因此有必要在試件達(dá)到極限荷載之前對(duì)其損傷程度進(jìn)行有效監(jiān)測(cè),以實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警的目的。

圖6表示荷載、聲發(fā)射撞擊率隨加載時(shí)間的變化關(guān)系。圖中左縱坐標(biāo)表示聲發(fā)射撞擊率,右縱坐標(biāo)則為荷載變化值。由圖可見,在彈性階段早期,即荷載達(dá)120 kN之前,撞擊率隨著荷載的增加逐漸增大,這說明試件從一開始就產(chǎn)生較多損傷。這個(gè)時(shí)期鋼管和碳纖維還處在彈性變形范圍內(nèi),因此損傷信號(hào)主要是由于變形能力較小的混凝土受拉開裂所致。彈性階段后期,由于混凝土受拉開裂已基本完成,聲發(fā)射信號(hào)有所減少。200 kN之后,聲發(fā)射撞擊率迅速增大,持載階段撞擊率也較高,說明荷載超過200 kN以后,即便荷載保持不變,也會(huì)有較多的損傷產(chǎn)生,這是鋼管發(fā)生屈服變形并造成部分纖維絲開始斷裂的結(jié)果。

圖7表示試件在達(dá)到極限荷載之前聲發(fā)射釋能率隨荷載變化趨勢(shì)圖。由圖可以看出,200 kN以前,試件損傷信號(hào)蘊(yùn)含的能量微弱;荷載達(dá)到200 kN左右時(shí),能量明顯增大;220 kN以后,出現(xiàn)第二次階躍,其增長幅度遠(yuǎn)高于第一次,并在荷載接近極限荷載時(shí)增加至最大值。因此可以看出,聲發(fā)射撞擊率和釋能率均能夠形象地表示構(gòu)件在不同加載階段受力大小和損傷程度。

3.3 聲發(fā)射信號(hào)波形分析

圖8顯示的是從荷載-撓度曲線(圖4)的AB段和BC段,即彈性和彈塑性段,提取的典型聲發(fā)射信號(hào)的波形和功率譜。由圖8(a)和(b)可見,在彈性階段,由于信號(hào)主要是由變形能力較小的混凝土開裂引起的,聲發(fā)射信號(hào)幅值相對(duì)較小,峰值頻率在20～50 kH z范圍內(nèi)。而彈塑性階段,圖 8(c)和(d)聲發(fā)射信號(hào)主要是CFRP的損傷斷裂所致,聲發(fā)射信號(hào)幅值有很大程度提高,功率譜也表現(xiàn)出明顯不同,信號(hào)具有更多的高頻分量。因此,利用聲發(fā)射信號(hào)在波形和功率譜圖方面的變化規(guī)律,可以鑒別出構(gòu)件的損傷類別。

3.4 聲發(fā)射定位分析

聲發(fā)射技術(shù)的另一應(yīng)用是材料和結(jié)構(gòu)的損傷源定位,定位方法分為線性定位、平面定位和立體定位。由于試驗(yàn)采用的試件屬于細(xì)長構(gòu)件,因此選擇線性定位的方法基本可以滿足實(shí)際應(yīng)用。線性定位需要用兩個(gè)傳感器來形成傳感器組,定位原理可用下式表示：

式中Δt為信號(hào)到達(dá)時(shí)間差,由聲發(fā)射儀記錄,v為聲發(fā)射信號(hào)在構(gòu)件中的傳播速度,由斷鉛試驗(yàn)測(cè)得,x表示損傷源與一端傳感器之間的距離。

圖9表示構(gòu)件在極限荷載30%,50%,60%和90%時(shí)的聲發(fā)射源定位圖,橫軸表示聲發(fā)射源位置,縱軸表示聲發(fā)射定位事件的累積。由圖可以看出,在極限荷載50%之前,聲發(fā)射定位基本呈均勻分布;極限荷載60%后,聲發(fā)射定位才開始出現(xiàn)集中趨勢(shì)。這主要是因?yàn)樵嚰目缍容^小,在極限荷載50%之前,受拉區(qū)拉應(yīng)力分布較均勻,混凝土開裂沿試件長度方向分布也比較均勻;而極限荷載60%,即150 kN之后,跨中純彎曲段應(yīng)力集中加劇,跨中損傷明顯增多,因此可以看到聲發(fā)射定位事件逐漸向跨中集中。加載至極限荷載90%時(shí),跨中損傷事件的累積量是兩端支點(diǎn)處的15倍,說明此時(shí)跨中破壞程度已非常嚴(yán)重。由此可見,聲發(fā)射損傷定位隨著荷載的變化表現(xiàn)出不同的特征,可以用于監(jiān)測(cè)構(gòu)件在不同時(shí)期所承受的荷載大小及損傷集中程度。

4 結(jié)論

(1)CFRP鋼管混凝土純彎曲破壞過程可分為彈性階段、彈塑性階段、下降階段和軟化階段。其中CFRP的斷裂發(fā)生在彈塑性階段,之后試件承載力出現(xiàn)突降并迅速軟化失效。

(2)利用聲發(fā)射信號(hào)撞擊和能量參數(shù)能有效區(qū)分彈性階段和彈塑性階段。彈性階段主要為混凝土開裂損傷,能量值很低,撞擊率呈先增大后減小趨勢(shì);而在彈塑性階段由于CFRP的破壞,聲發(fā)射撞擊率和能量值都較高。

(3)彈性階段聲發(fā)射信號(hào)的幅值較小,信號(hào)頻率在20～50 kHz;進(jìn)入彈塑性階段以后,信號(hào)的幅值有較大程度提高,同時(shí)信號(hào)具有較多的高頻分量。

(4)極限荷載50%以前,試件受彎矩影響較小,聲發(fā)射損傷定位分布較均勻;極限荷載60%以后,聲發(fā)射定位才開始逐漸有向跨中純彎段集中。這說明聲發(fā)射定位不僅能反映試件的損傷位置,還能反映出構(gòu)件所受荷載的大小和損傷程度。

[1]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)出版社,2000.

[2]Samaan M,Mirmiran A.Model of concrete confined fiber composite[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,1998,124(9)：1025-1031.

[3]Amir Z F,Sami H R.Confinement model for axially loaded concrete confinedBy circular FRP tubes[J].Structure Journal,2001,98(4)：451-461.

[4]于清.FRP約束混凝土柱研究與應(yīng)用中的若干關(guān)鍵問題[J].工業(yè)建筑,2001,31(4)：1-4.

[5]王慶利,趙穎華.碳纖維-鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究設(shè)想[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2003,33(8)：352-355.

[6]王慶利,趙穎華,顧威.圓截面 C FRP-鋼復(fù)合管混凝土結(jié)構(gòu)的研究[J].沈陽建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2003,19(4)：272-274.

[7]陶忠,莊金平,于清.FRP約束鋼管混凝土軸壓構(gòu)件力學(xué)性能研究.工業(yè)建筑,2005,35(9)：20-23.

[8]王慶利,張永丹,謝廣鵬,等.圓截面CFRP-鋼管混凝土柱的偏壓實(shí)驗(yàn)[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,21(5)：425-428.

[9]王慶利,姜桂蘭,高軼夫.CFRP增強(qiáng)圓鋼管混凝土受彎構(gòu)件試驗(yàn)[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,22(2)：224-227.

[10]袁振明,馬羽寬,何澤云.聲發(fā)射技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1984.

[11]葉茂.方截面CFRP-鋼管混凝土受彎性能研究[D].沈陽：沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,2009.