王 岩,路桂娟,王 瑶,徐郑郑,姚金鑫
(1.河海大学土木与交通学院,江苏 南京 210098;2.金陵科技学院建筑工程学院,江苏 南京 211169)
近年来,声发射技术作为一种新型动态无损检测技术已经应用于土木工程中,其技术优势在于可以在未知混凝土损伤状态的物理参数情况下,了解混凝土内部损伤和裂缝形成与发展的过程,进而实现判定混凝土曾经承受的最大应力历史和动态评估混凝土损伤程度等目标。在对国内外相关文献进行分类、归纳和总结的基础上,首先介绍声发射技术的定义与基本原理,然后针对声发射技术在桥梁工程、水利及岩土工程、建筑工程以及其他特种工程中的应用对声发射技术在土木工程中的应用现状和研究成果进行综述,并对该领域的研究热点和需要进一步研究的关键问题进行归纳和总结。
狭义的声发射(acoustic emission,简称AE)是指材料受外力或内力作用而出现变形或裂纹扩展,所产生的瞬态能量以弹性波的形式快速释放的现象。将流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与变形和断裂机制无直接关系的另一类弹性波源称为广义声发射[1]。更多的声发射现象很微弱,人耳不能听见而需要借助灵敏的电子仪器,用仪器采集、显示、分析声发射信号并利用其推断声发射源的位置和特征的技术为声发射技术[2]。
声发射技术涉及声发射源、波的传播、声电转换、信号处理、数据显示与记录、解释与评定等,其基本原理为声发射源产生弹性波在材料中传播,引起被监测试件表面的振动,这些振动被耦合在试件上的传感器感应到时,所产生的压电效应将弹性波引起的表面振动转换成电压信号,再经仪器放大处理后以参数或者波形的形式采集而后对其进行信号处理[2]。声发射技术的基本原理如图1所示[3]。
图1 声发射技术基本原理
近年来,世界范围内的各类桥梁陆续处于需要维修和加固的老龄化阶段,因此,迫切需求能够为实际结构提供长时间连续监测的技术和方法。声发射技术作为一种重要的无损检测技术,在现代大容量计算机的支持下,其对桥梁等大型建筑物实施动态监测已成为现实[4-5]。
人们对桥梁结构声发射与损伤之间的关系进行了诸多研究。Shigeishi等[6]应用声发射技术对英国一座古老的砌体拱桥进行了完整性评价,试验分别对拱桥的砌体部分和钢筋混凝土部分进行监测,发现了结构早期裂缝的发展,并根据不同位置处声发射传感器所接收到的声发射撞击累计数对声发射事件进行定位。除了上述定性研究之外,Yoon等[7-8]通过对韩国首尔Dang-san铁路桥的疲劳裂纹开展过程进行监测,得到了由焊缝开裂所产生的声发射信号,并对开裂位置进行定位。此外,他们还研究了2座钢筋混凝土桥梁在车辆荷载作用下结构的声发射参数与结构损伤水平之间的对应关系,发现借助声发射技术可以了解结构已发生的损伤。Mc Keefry等[9]研究了桥梁工程中H型钢梁的疲劳开裂声发射特征,发现声发射技术在定位型钢的裂缝开展及确定声发射信号与车辆荷载之间关系方面的潜力。
Suzuki等[10]基于声发射速率过程理论对混凝土桥墩的损伤情况进行定量评估,论证了声发射技术监测桥梁结构的可行性。朱宏平等[11]利用损伤力学与声发射速率过程理论导出声发射特征参数与混凝土损伤量之间的关系,并通过对轴压状态下实际桥梁混凝土芯样进行声发射试验,分析了声发射凯塞(Kaiser)效应和费莉希蒂(Felicity)效应,得到混凝土的实际损伤量并评价了其受载历史。薛云亮等[12]通过对轴压状态下岩石和混凝土材料进行声发射特性试验,研究损伤变量与声发射参数之间的关系,给出了基于Weibull分布的损伤本构模型及损伤变量与声发射计数之间的经验公式,推导出应力、应变与声发射特征参数的耦合模型,最终验证了轴压状态下岩石和混凝土的应力、应变与声发射的耦合关系。蒋志[13]和Roberts等[14]分别通过对钢筋混凝土高架桥进行现场监测和试验研究,认为声发射技术具有监测结构破坏过程和评估结构寿命的巨大潜力。千力等[15]通过在狮河桥现场钻取混凝土芯样,利用混凝土单轴受压时的声发射监测试验计算混凝土损伤量,论证了声发射技术在混凝土损伤定量评估中的可行性。Nair等[16]应用声发射技术分别对预应力混凝土桥梁和钢桥展开研究,并通过研究连续荷载作用下所累积的声发射数据来估计结构损伤情况,得出声发射作为一项无损检测技术可以连续监测和追踪桥梁等结构的健康状况的结论。
在桥梁结构损伤声发射信号滤噪处理方面,邢云等[17]在混凝土斜拉桥工程中应用声发射技术实时监测结构的内部损伤,对裂缝的形成与发展进行观察,论证了声发射技术监测混凝土结构内部损伤的可行性。贾莉莉等[18]采用固定阈值方式对小波分解系数进行软阈值的量化处理,发现声发射信号的小波去噪技术在提高结构健康监测准确性方面的作用。
虽然声发射技术具有良好的工程应用前景,但其应用于实际工程中还存在技术上的难题。Gong等[19]对几十座铁路钢桥进行声发射监测,发现了声发射技术在监测和定位裂缝等方面的潜力,同时指出声发射技术在评估钢结构构件疲劳寿命时仍面临着巨大挑战。Shigeishi等[20]在钢筋混凝土桥板上进行声发射监测,发现冲击载荷可产生较强的声发射活动,故在对现有混凝土桥梁进行监测时应考虑车辆运行速度的影响,同时发现移动荷载的振动模式可能会影响桥梁结构个别部位的声发射活动。
综上可知,声发射技术在桥梁结构中的应用研究主要集中在应用声发射速率过程理论对在役结构进行寿命评估,对结构损伤进行定位,以及研究声发射参数与损伤之间的关系等。研究者们都认识到声发射技术应用于桥梁工程领域的广阔前景和潜力,但也意识到该技术应用于实际工程中需要解决的具体问题,例如噪音和交通引起的振动等。
各类桥梁的钢索、主缆、钢筋等是桥梁的生命线。除了对桥梁主体结构进行声发射监测之外,研究者们对钢筋混凝土桥梁内部钢筋、桥梁的悬索等关键构件损伤的监测也进行了尝试和探索。Fricker等[21]应用声发射技术对瑞士一座预应力钢筋混凝土桥梁的预应力筋的损伤状况进行监测,发现监测结果与结构的实际损伤状况一致。Yuyama等[22]采用声发射技术进行后张预应力梁的损伤监测试验,通过对声发射信号的分析,识别并精确定位了钢筋的腐蚀断裂等损伤。Mohammed[23]在实验室进行了桥梁吊杆和拉索的钢丝断裂试验,将声发射技术与其他方法进行比较,并制作了一种置于拉索中动态监测钢丝变化的装置。Paulson[24]研究了应用声发射技术对悬索桥主缆和斜拉索进行长期监测的方法,并将断铅声发射信号与其他信号及噪声信号成功分离,为桥梁拉索长期损伤的声发射监测研究提供了参考依据。Piervincenzo等[25-26]采用声发射技术对碳纤维拉索的损伤进行监测,结果发现声发射技术能够更精确地监测损伤的诱发和发展,对平行碳纤维束和碳纤维绞线的测试结果表明,声发射活性与损伤程度在达到完全破坏之前具有良好的对应关系。李冬生等[27-29]研究了钢绞线拉伸过程中的声发射特征,推导了基于声发射参数的钢绞线损伤演化方程。另外,他们还应用声发射技术对某拱桥实际工程的所有吊杆进行了全面实时监测,并通过声发射参数和波形分析法初步得到了不同损伤类型的声发射特征。
由于实际工程结构的体量形式各不相同,因此在声发射监测过程中必须考虑声发射采集系统的合理设置和传感器阵列的合理布置。Stepinski等[30]采用圆形声发射传感器阵列对实际桥梁进行监测并取得了良好的效果,研究了阵元数目及声发射模拟信号频率变化对波束模式的影响。Ge等[31]对铁路钢桥进行声发射监测,通过模拟声发射信号试验确定声发射监测阈值,设置定时参数并研究声发射信号的特征。
实际工程结构的声发射监测是一项复杂的技术工作,陈喜强等[32]为了提高声发射技术在桥梁结构监测中的规范性,从准备工作、仪器的设置、传感器的选择和固定以及加载程序的确定等方面总结了监测规程的技术要点。Shigeishi等[33]为了建立一套适用于长度为10~100m的实际桥梁的声发射监测规程,应用声发射技术评估了一座已服役45 a的钢筋混凝土桥梁。
在声发射监测设备的研发方面,Grosse等[34]认为可通过应用无线信号传输技术以及研发新型声发射传感器来降低桥梁结构声发射监测成本。Grosse等[35]还在德国斯图加特一座钢筋混凝土桥梁中应用了无线声发射技术和声发射阵列技术,这些技术的应用进一步提高了工作效率。单宁[36]建立了基于光纤声发射传感技术的监测系统,实现了实时在线监测混凝土桥梁健康状况的目标,并将该系统应用于结构承载能力的评估。Stajano等[37]应用基于声发射技术的无线传感器网络系统对英国2座桥梁和伦敦1个地下隧道进行监测,通过设置网络节点实现对桥梁隧道工程的实时监测,最终发现声发射监测实际工程具有巨大潜力。针对钢筋混凝土桥梁的健康监测,Grosse等[38-39]研发了一种基于MEMS的无线传感网络节点——Mote,该系统集成了测试和传输功能,被应用于监测德国斯图加特1座钢筋混凝土桥梁,这种经特别设计的基于声发射技术的桥梁无线监测系统为在役公路桥梁的疲劳开裂监测提供了可行性。
由上述文献可知,研究者们已经开始将声发射技术应用于桥梁工程的健康监测,并对其可行性和可靠性进行了论证。虽然声发射技术应用于桥梁结构的实时监测还是一个挑战,但是在意识到它所具有的动态、无损伤、保持完整性等优点后,研究者们在探索操作规程、研发新型仪器和技术方法方面仍做出了许多卓有成效的研究工作。
在水工建筑物的安全监测方面,Minemura等[40]应用声发射技术对混凝土拱坝冬季施工和灌浆安全进行了评价。考虑到正常频率范围的声发射信号在混凝土坝体中会有较大的衰减,采用低频的传感器(谐振频率为15 kHz)探测声发射活动。通过判断分布在混凝土坝体12个部位的传感器是否探测到异常声发射活动来评估坝体在二次冷却和灌浆过程中的安全性。
除了对水利工程中的主体结构进行安全监测之外,更多的研究者将声发射技术应用于水利工程中的边坡与护坡等岩土工程中。澳大利亚等国的一些水电大坝通过建立声发射监测系统对坝基和坝肩进行监测,为声发射技术在水利工程中的应用提供了参考依据[41]。陈炳瑞等[42]为了研究施工过程中的岩石损伤演化规律,在锦屏二级水电站进行声发射监测试验,论证了其应用于评价围岩损伤范围、设计现场支护措施及选取支护时机的可行性。严明等[43]对向家坝水电站马步坎高边坡进行了声发射监测,并根据声发射监测数据对边坡岩体的稳定性进行了研究。李金河等[44]将声发射技术应用于永久船闸爆破开挖过程的稳定性监测,指出声发射事件与开挖过程的关系,从而实现了应用声发射技术对边坡岩体稳定的评估。尹贤刚等[45]首先通过声发射进行现场监测和预报,证实岩体在变形或破坏时都会产生声发射,继而论证了声发射技术应用于采场稳定性监测的可行性。蔡美峰等[46]基于声发射智能耦合监测,对矿区支护的主运巷塌陷区结构失稳过程进行监测分析,分析塌陷区结构失稳过程中微破裂和声发射之间的内在联系,同时利用固体断裂非平衡统计理论进行分析与预报。
从以上文献可以看出,声发射技术已经应用于水利和岩土工程中,主要集中在施工期和运行期混凝土坝体和船闸等结构的安全监测,护坡、边坡岩体等的稳定性监测与预报,以及借助声发射技术了解岩石内部力学性质等问题。
声发射技术应用于建筑工程的案例并不多见,主要集中于对年代久远的建筑物进行监测评估等方面。Carpinteri等[47]应用声发射技术监测钢筋混凝土结构和石材古建筑,得出压应力和声发射累计数随时间的变化曲线,他们还应用声发射技术识别钢筋混凝土结构和砌体建筑物的缺陷和损伤,并基于断裂力学提出了一种分形多尺度的方法论来预测损伤和评估结构失效的时间,最终实现了对建筑物寿命的评估。Grosse等[35]为实现一个古老的钢筋混凝土建筑的重建,经过为期7 d的连续实时声发射监测,对声发射速率值以及平均频率等参数进行分析。蒋志[13]通过对居民住宅楼进行声发射监测,利用声发射计数评估裂缝开展速度并预测裂缝的发展状况,发现在各阶段声发射计数与裂缝开展成比例关系,当裂缝发展速度最快时,声发射计数率也达到了最大值,声发射分布函数的局部极值与裂缝发展的最剧烈阶段相对应。
Bureau填海工程广泛使用了预应力混凝土管(PCP),Travers[48]采用声发射技术监测由钢绞线失效和随后滑脱所引起的PCP的失效过程,对被埋置管段的劣化区域进行定位。陈祥森[49]以某核电站混凝土结构为例,不仅应用声发射技术对其进行安全性监测,还对将来其可能发生的损伤进行定位、分析和监视,以此确定各种类型的混凝土在复杂受力过程中的力学行为。Shinomiya等[50]将铁路混凝土结构损伤评估技术应用于一种连续的砖混拱桥结构,并在存在裂纹扩展的砖混结构中成功监测到了声发射活动,显示了声发射技术评估墩台等下部子结构的潜力。
纵观土木工程各领域,声发射技术已经应用于桥梁工程、水利和岩土工程、建筑工程以及其他特种工程等诸多领域,其中以桥梁工程、水利工程等大型工程中的应用居多,从中可以看到声发射技术应用于土木工程的前景和潜力,但同时也存在难题和挑战。笔者认为声发射技术在相关领域的研究热点包括:采用声发射速率过程分析理论、声发射凯塞效应等进行结构损伤评估与寿命预测;研究声发射活动率和特征参数与结构损伤变量之间的相关性;采用声发射技术进行边坡、护坡等岩体结构的稳定性监测与预报;采用声发射源定位技术研究损伤的空间位置演化规律。声发射技术应用于土木工程所存在的问题包括:声发射传感器的布设方案和光纤、无线等新型传感器技术以及新型监测设备有待进一步研究;应用于工程实践的声发射监测操作规程不够完善,缺乏可参照的技术规程;对现场环境噪音和振动等干扰源的认识和重视不足,在如何识别背景噪音和非平稳噪音进而提高信噪比方面还需要深入研究。
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