基于聲發射技術的鋼筋混凝土梁損傷識別試驗研究

孔繁強

（中鐵十四局集團鐵正檢測科技有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

目前，聲發射技術已經廣泛應用于混凝土結構的損傷識別中。李勝利等[1]針對傳統混凝土空心板橋裂縫檢測方法效果差、安全性低的問題，提出了基于聲發射技術的檢測方法，其研究表明，聲發射信號的分析結果與橋梁實際損傷相同，證明了該技術應用的可行性；吳立朋等[2]總結了聲發射技術在混凝土性能檢測中的應用現狀，重點總結了聲發射技術主要應用于混凝土斷裂機理分析、鋼筋混凝土腐蝕分析、混凝土損傷定位等。在上述研究的基礎上，本文通過試驗探究聲發射參數在鋼筋混凝土梁性能退化過程中的變化規律，從而評估結構的損傷程度，為混凝土安全評估提供理論基礎。

1 聲發射檢測技術原理與優勢

1.1 聲發射檢測技術原理

材料或構件在受力過程中產生變形或裂紋時，以彈性波形式釋放出應變能的現象，稱為聲發射。利用接收聲發射信號，對材料或構件進行動態無損檢測的技術，稱為聲發射技術。聲發射技術涉及聲源的產生、聲波的傳播、聲發射傳感器的接收和解碼、以及對聲發射信號的解釋和應用等多個環節。聲發射技術已成為實驗應力分析的一種有力工具，通過分析聲發射參數在鋼筋混凝土梁性能退化過程中的變化規律，以及監視構件的疲勞斷裂擴展，可以用于評價構件的完整性，判斷結構的危險程度。

1.2 聲發射檢測技術優勢

與傳統的檢測方法相比，聲發射技術具有以下優勢：

（1）實時性。聲發射技術是一種實時檢測的技術，能夠對缺陷進行動態監測并且將檢測結果實時記錄，并動態跟蹤缺陷的產生和擴展過程。

（2）敏感性。聲發射技術具有較高的敏感性，能夠對多尺寸、多位置的缺陷進行檢測，幾乎不受空間的影響。

（3）便捷性。在利用聲發射技術對缺陷進行檢測時，其聲發射信號源在缺陷處，因此檢測過程不需要額外的信號發射源，這使得缺陷信息更加豐富。

（4）適應性。聲發射技術能夠對多種形狀的構件進行檢測，具有很強的適應性。

利用多通道聲發射檢測系統，能夠實現內部結構的損傷實時定位，檢測安全可靠。

2 試驗過程

2.1 試驗裝置介紹

試驗裝置由聲發射檢測系統和試驗加載裝置組成，采用分級循環加載的方式，通過油壓千斤頂進行加載，利用靜態應變測試系統進行應變分析。其中，聲發射檢測儀為SAEU2S集中式多通道USB聲發射檢測儀，具體參數見表1所示。

表1 聲發射檢測儀主要技術指標

2.2 試樣制作

本文采用的是矩形截面試驗梁，尺寸為寬×高×長=200mm×250mm×1200mm（包括兩端設置100mm的支撐）。鋼筋混凝土試樣由商品混凝土澆筑振搗密實而成，從試樣制作完成到投入試驗先后經歷了試樣檢查、制作預應力筋、預應力筋穿孔、檢查錨具、安裝張拉設備、啟用張拉設備、張拉、孔道壓漿等過程。

2.3 試驗方案

利用聲發射技術對混凝土梁進行損傷分析，需要對不同載荷階段的損傷信號進行全面采集。試驗采用分級循環加載的方式，通過油壓千斤頂進行加載，載荷信號通過力傳感器轉化為電壓值，利用靜態應變測試系統進行應變分析，在受拉鋼筋上粘貼應變片來測量試驗過程中鋼筋的應變值。應變片的粘貼位置分別為梁跨中部位及其兩側間距10cm 處，加載過程中各個階段的鋼筋應變如表2所示，將表2的加載荷載值與轉換后的電壓值的對應關系用圖1表示。

表2 不同加載階段下的鋼筋應變情況

由圖1 分析可知，在加載初級階段伴隨著外界荷載的增加，鋼筋的應變值按照一種線性關系逐漸增加，故可將這一階段視為彈性階段；隨著外界荷載的不斷增大，鋼筋應變值開始呈現出非線性關系，故可將此階段視為構件已經處于塑性變形階段；當試件所受荷載逐漸接近極限值時其內部鋼筋的應變值呈現出迅速增大的趨勢，可視為內部鋼筋已經達到屈服階段，判斷此時的試件已不適合繼續加載。

3 試驗結果分析

3.1 基于聲發射信號幅度范圍的損傷演化分析

試件不同幅度信號百分比變化曲線如圖2 所示。其中，低幅度信號為＜60dB，中低幅度信號為60～70dB，中高幅度信號為70～80dB，高幅度為＞80dB。從圖2中可以明顯看出，試樣損傷過程中，發射信號主要為低幅度，全過程占比較高，并且一直存在于整個損傷過程（1～10 階段）。低幅度和中低幅度信號波動較小，而中高幅度和高幅度信號的變化非常明顯，因此，中高幅度和高幅度的出現是試樣中微裂紋不斷產生的結果。

圖2 試樣不同幅度信號百分比變化曲線

進一步分析中高幅度和高幅度信號的變化，可以發現，當進入第6 加載階段后，中高幅度和高幅度信號明顯增加，其中，中高幅度信號接近10%。這是由于微裂紋擴展為宏觀裂紋導致的，此時混凝土鋼筋截面出現失穩，這也是混凝土梁損傷累積的重要節點。加載階段8 后，中高幅度信號約為12%，高幅度信號增長了3.5%。這是由于宏觀裂紋的進一步生長導致的，此時混凝土內部鋼筋損傷進一步加劇，混凝土和鋼筋界面出現相對滑移。

3.2 基于聲發射信號上升時間的損傷演化分析

本文將上升時間分為8 個區間，1～8 分別為0～25μs、25～75μs、75～150μs、150～250μs、250～500μs、500～1000μs、1000～2000μs、2000～3000μs。利用擬合函數工具對各個信號進行擬合，所采用的擬合函數形式為：

擬合后的不同加載階段a、b值的變化曲線（由于b為負值，因此統一取|b|）如圖3所示。

圖3 試樣擬合系數a

從圖3 中可以明顯看出，第5、6 加載周期，擬合系數a出現第一次的階躍式增長，達到初期擬合系數的數倍，這表明混凝土梁累計損傷已經達到一定的程度，結構中開始出現微裂紋。第7 加載周期開始，擬合系數a均在6000 以上，說明損傷已經十分嚴重，結構完整性較差，第十次加載后，擬合系數達到10000以上，而且從6000 左右（第9 次）大幅增加，表明結構已經完全失效。擬合系數|b|的變化規律和a是相反的，當|b|在1.5 以上時，結構幾乎完整，下降至1 左右時，開始出現輕度損傷，繼續下降至0.7時，出現較為嚴重的損傷。

4 結束語

本文利用聲發射技術進行混凝土梁損傷識別試驗，試驗結果表明：

（1）在混凝土梁疲勞損傷過程中，高幅度信號（>80dB）更多與鋼筋和鋼絞線損傷以及宏觀裂縫拓展有關，而中高幅度信號（70～80dB）與微裂縫發展為宏觀裂縫和鋼筋與混凝土的界面損傷有關。

（2）隨著損傷的加劇，指數函數擬合系數a逐漸上升，|b|逐漸下降，當a較大（＞6000），|b|較小（＜0.7）時，說明混凝土梁結構損傷較為嚴重，微裂紋逐漸擴展到宏觀裂紋。

總之，聲發射技術能夠實時監測混凝土梁的損傷，對鋼筋和鋼絞線損傷以及宏觀裂縫擴展具有較高的敏感性。該技術為混凝土安全評估提供理論基礎和實驗數據。