钢筋混凝土柱加载试验AE监测研究

李 旭，霍林生，李宏男

（大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116023）

地震作用下钢筋混凝土结构破坏属动态破坏范畴。与静态破坏相比，结构在动态荷载作用下力学特性不同［1］。现行结构设计规范［2］均依据静态力学特性，未考虑其动力特性，即率相关特性。因此，研究钢筋混凝土结构动态力学特性具有重要意义。已有的针对钢筋混凝土材料、构件［3－5］及结构［6］动态加载试验研究多在荷载－位移宏观力学特性基础上进行，而由声发射角度分析动态加载过程中构件内部断裂特性及损伤研究尚未展开。

声发射（Acoustic Emission，AE）指材料断裂中释放弹性波现象。AE方法能捕捉到结构内部微小裂纹产生过程，而断裂为结构产生损伤的主要原因［7］。因此，AE技术广泛用于钢筋混凝土结构无损检测及损伤评估。针对钢筋混凝土结构的 AE评估方法，Ohtsu等［8－9］提出AE速率理论，用于评估实际混凝土结构抗压强度。据混凝土Kaiser效应，NDIS－2421标准［10］用于评估钢筋混凝土结构损伤情况［11］。而b值理论［12］能捕捉微裂纹从形成到宏观拓展过程，用于监测试验及全尺寸结构裂纹开裂状况［13］。宏观裂纹贯穿常伴随施加荷载的突变、结构内部应力骤降及内力重分布。因此b值变化能体现施加于结构外部荷载情况［14］，亦作为构件内力重分布方法［15］。

本文由AE角度分析钢筋混凝土柱承受动、静态加载的断裂及损伤特性。进行40 mm／s，0.1 mm／s两种加载速率钢筋混凝土柱的多维加载试验，以b值理论为基础，对比分析钢筋混凝土柱动、静态断裂特性及损伤状况。

1 b值理论

b值源于地震学由 Richter［12］提出，逐步用于 AE分析。b值理论的提出基于：对频率较低的AE事件，其幅值较高，相反频率高的AE事件幅值较低。因此Richter通过计算幅值分布斜率即b值统计AE事件的幅值分布规律。b值表达式为

式中：N为AE信号峰值幅值（单位dB）；幅值大于AdB累计的AE事件数时a为常数；b值为不同幅值的AE事件分布斜率。

b值变化体现结构开裂状态的转变。图1为两种裂纹状态的b值。处于微裂纹拓展状态时，统计的一组AE事件数内幅值较大的AE事件数占比较小，b值较大；裂纹状态由微观发展到宏观阶段时幅值较大AE事件比例增加，b值随之降低。b值既反应内部微裂纹产生、扩展的演化过程，亦反应内部裂纹尺度的变化，因此b值与裂纹的分形特征密切相关。理论上分形维数与b值存在2倍关系，李元辉［16］研究表明，b值与分形维数变化趋势相同。

图1 两种裂纹状态幅值分布Fig.1 The amplitude distribution from two states of crack condition

因此，通过b值分析可判断宏观裂纹发生时刻。定义荷载比LR为

式中：Fc为宏观裂纹开裂时荷载；Fu为周期内极限荷载。

LR描述发生宏观裂纹时施加于结构的荷载状况。LR越大发生宏观断裂所需荷载越大，结构损伤越小；反之，结构损伤越严重。因此，用b值分析捕捉宏观裂纹拓展时刻，并结合此时受力状况可分析裂纹宏观拓展时荷载状态。宏观裂纹拓展常伴随较大损伤，故LR可体现结构健康状况。b值理论提供的不同裂纹长度AE事件统计信息为

式中：N（≥L）为裂纹长度≥L的累计AE事件数。

裂纹产生、增长为结构损伤主要原因［17］，b值理论提供的结构损伤状态，即用以电压为单位幅值A0重新表示式（1），引入幅值分布时间参数 βt［18］

式中：N（≥A0，t）为幅值≥A0的累计 AE事件数。βt为损伤增长速度。

图2中βt＝1为损伤临界值，βt＜1时N的增长速度缓慢；βt＞1时N急剧增长，表明结构损伤严重，承载力丧失，结构濒临倒塌状态。

图 2 βt三种情况Fig.2 The illustration ofβt with three conditions

2 钢筋混凝土柱动、静态双向加载试验

为分析率相关效应对钢筋混凝土内部断裂特性及损伤特性影响，进行钢筋混凝土柱动、静态多维加载试验。试件用C50强度混凝土，尺寸、配筋见图3，单位为mm。

采用轴向施加恒荷载方式，横向用二维双向循环加载，见图4。轴向施加100 kN恒荷载，横向按位移加载，加载曲线见图5。选4根构件，试件1、3采用速率0.1 mm／s准静态加载，试件 2、4用加载速率 40 mm／s动态加载。将4个压电类传感器置于距柱底400 mm的中线上（图3）。数据采集设备为Physical Acoustic（PAC）系统，采样频率1 MHz，前置放大器40 dB，阈值电压45 dB。同步记录加载过程荷载位移曲线与每个AE事件时间历程信号。钢筋混凝土结构中AE源包括水泥与骨料、水泥间断裂、骨料间摩擦及钢筋与混凝土间脱粘等，故钢筋混凝土破坏的AE信号特性较复杂［7］。由于b值为对AE幅值分布的统计规律，本文试验中忽略AE源影响。文献［19］讨论尺寸效应对AE影响，认为裂纹大小分形特征与试件尺寸无关，b值可统计不同裂纹长度的分布信息，故本文所求b值与 βt均忽略试件尺寸效应影响。

图3 钢筋混凝土柱尺寸及配筋（单位：mm）Fig.3 The dimension and reinforcement layout of reinforced concrete beam

图4 加载装置Fig.4 The loading equipment

图5 两方向加载谱Fig.5 The load spectral in two directions

图6 一个周期循环荷载曲线及对应b值Fig.6 The load curve and corresponding bvalue in a circle

图7 试件1、2的LR值Fig.7 The LR value in specimen 1 and specimen 2

取100个AE事件为一组，利用最小二乘法曲线拟合计算每组信号b值。图6为试件1第一个循环阶段荷载曲线与同步AE幅值统计及b值。由图6看出，由228.6 s时刻开始（图中虚线位置）b值急剧下降，荷载开始由弹性（图中直线段）到弹塑性转变，由于宏观裂纹出现并增多，构件承受荷载能力减弱，此时荷载即宏观开裂发生时荷载。因此，b值突然下降时刻对应荷载即宏观裂纹开始时刻荷载。分别计算试件1、2在X，Y两方向前10个周期内LR值，见图7。由图7看出，随加载周期增加LR逐渐减小，即随破坏的严重，较小外部荷载即能使裂纹发生宏观拓展，加剧降低结构承载力。随荷载的增加，更多裂纹在原宏观裂纹基础上拓展贯穿，所需荷载逐渐减小。比较X，Y两方向的LR，Y方向LR小于X方向，此由加载顺序决定：X向在前，Y向在后。LR＜0.1后宏观裂纹开裂荷载比值在0.1附近但无规律可循。3个循环周期加载后动态加载构件LR比值已达0.1，而静态加载构件X方向加载直到第7个加载周期后才达0.1。比较试件1、2的LR，试件2的LR值小于试件1，即加载速率对裂纹拓展影响较大，动态加载构件裂纹拓展需较小外部荷载，且动态加载更易导致宏观裂纹形成即拓展。

构件按位移加载方式进行加载（图5），除最大位移5 mm阶段加载一个周期外，其它最大位移阶段均进行3个周期的循环加载。取A0＝25 dB，分别统计每阶段N（≥A0），并将该阶段时间历程t与N归一化，用最小二乘法拟合获得βt。最大循环加载位移15 mm、20 mm、25 mm、30 mm的 t－N曲线及拟合所得 βt见图8。由图8看出，拟合结果较好。

图8 试件3在X方向最大加载位移t－N曲线及βtFig.8 The t－N curve andβt from specimen 3 in X－direction when the maximum loading displacement

图9 每阶段βt值Fig.9 Theβt in each phase

按循环加载最大位移划分的每阶段βt值见图9。由图9看出，试件4在每阶段βt均略大于试件3，且X向循环加载最大位移15 mm阶段时试件4的βt已接近临界值1。而试件4直到30 mm阶段βt才大于1。与静态加载构件相比，动态构件βt更大些，表明动态加载构件损伤速率高于静态构件，因此高加载速率更易导致构件损伤加剧，更早丧失承载能力。

3 结 论

采用AE监测的b值理论对受动、静态加载钢筋混凝土柱的破坏过程监测分析。以40 mm／s，0.1 mm／s方式进行动、静态加载，比较分析两种加载速率下构件断裂、损伤状况，结论如下：

（1）b值不同AE事件幅值统计规律，在AE分析中b值急剧下降为微观裂纹向宏观裂纹拓展过程直接表现。b值骤然下降能捕捉宏观裂纹开始时刻。

（2）用b值确定宏观裂纹开展时刻时，可通过定义宏观裂纹拓展时刻荷载比值比较动、静态两种构件发生开裂时的荷载情况。动态加载构件裂纹拓展所需外部荷载较小，更易导致宏观裂纹形成即拓展。

（3）一定幅值的AE事件累计速度可体现损伤累计速率。将幅值累计时间参数引入不同加载阶段AE幅值统计中，所得拟合结果较好，时间参数能较好体现钢筋混凝土柱裂纹开展速率及损伤状况。

（4）据AE幅值累计的时间参数对比分析动、静态加载钢筋混凝土柱，加载速率高的构件损伤速率高于加载速率低的加载构件，即高加载速率更易导致构件损伤加剧。

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