基于压电损伤监测的CFRP加固混凝土板抗爆性能实验研究*

蔡路军，陈少杰，吴立过，许 凯

(1.武汉科技大学 a.理学院;b.城市建设学院,武汉 430065;2.湖北省智能爆破工程技术研究中心，武汉 430065;3.中铁广州工程局 武科大爆破技术研究中心，武汉 430065)

近年来，天然气爆炸和恐怖袭击事件频发，导致建筑结构经常处于爆炸荷载之下，受到不同程度的损伤，甚至破坏[1-5]。因此，如何防护建筑结构在爆炸荷载作用下的破坏，并对结构进行损伤监测是非常重要的。碳纤维布(Carbon Fibre Reinforced Plastics)具有自重轻、力学性能优越、强度高、抗热冲击和抗热摩擦性能优异等特点，常被用于结构加固修复和工程改造过程中。Hao Zhou等人研究了CFRP加固混凝土在疲劳循环荷载作用下的性能，实验结果表明，CFRP加固混凝土在疲劳循环荷载作用下，破坏模式取决于混凝土的强度、类型、CFRP层压板的尺寸和加载幅度[6]。R Al-Rousan等人研究了不同CFRP类型和结构加固钢筋混凝土板的性能，并建立了三维有限元模型，模拟了不同结构CFRP复合材料的圆形钢筋混凝土柱的响应[7,8]。Zhen Huang等人研究了CFRP网格作为抗弯、抗剪钢筋对混凝土板冲击剪切作用的影响，并研究对比了CFRP网格的不同放置方案[9]。Hasan Elci对修复不当的混凝土柱用CFRP进行抗震加固，实验结果表明，CFRP修复过的混凝土柱其横向强度、刚度、延性和耗能特性明显增强[10]。Rami H Haddad等人采用近表面安装CFRP条来加固钢筋混凝土梁，并研究了碳纤维布条的剖面形状对结构性能改善的影响[11]。张军伟等人研究了CFRP加固混凝土梁受弯性能实验，研究结果表明CFRP在钢筋屈服后发挥的作用最大[12]。杜永峰等人利用压电智能骨料研究工程应用中套筒灌料的早期强度。Xu K等人提出了一种利用嵌入式PZT压电智能骨料监测混凝土柱在爆炸荷载作用下损伤的新方法，并证明了所提出的主动监测方法的有效性[14]。总结国内外研究，应用CFRP材料加固混凝土并研究混凝土各项基本力学性能较多，在实验研究和数值模拟方面都有很大的进展，而针对CFRP加固混凝土抗爆性能研究较少，受限于各项条件，实验开展数量还不够，且内部埋置压电智能骨料探测爆破作用下结构的损伤几乎是空白。

通过在混凝土板内埋置PZT压电智能骨料，监测板在爆炸荷载作用下的损伤状况，并运用小波包能量分析方法对板的损伤情况进行判定，实验通过对比CFRP加固板和普通板在不同炸药当量作用下的内部损伤，研究CFRP材料对混凝土结构抗爆性能的提升，同时通过加速度和应变监测及板的破坏形态，反映混凝土板的抗爆性能。

1 压电传感器损伤监测基本原理

1.1 压电传感器

PZT压电陶瓷材料(Piezoelectric Ceramic Transducer)是脆性的且防水性差，不能在没有保护的情况下直接放置在混凝土材料中使用，因此制作了一种智能骨料SA(Smart Aggregate)，即将PZT薄膜夹在两个大理石块之间进行保护，两个大理石块之间用环氧树脂进行粘贴封装，如图1所示，PZT薄膜直径为15 mm，厚度为0.3 mm，带有BNC接头的电缆用于提供对智能骨料的电连接。采用这种封装措施，PZT在大理石块保护下可以将其埋入混凝土中使用。

1.2 损伤监测原理

PZT压电智能骨料具有正逆压电效应，在受到应力应变作用时可以产生电荷，受到电场作用时会产生应力应变，因此，智能骨料既可以作为驱动器也可以作为传感器。如图2所示，嵌入在混凝土板中的一个智能骨料作为驱动器产生沿结构传播的应力波，传播路径上的裂缝会显著降低应力波所携带的能量，被另一个作为传感器的智能骨料接收。由于传感器是嵌入在混凝土内部的，通过分析采集到的应力波信号，可以监测混凝土结构内部的损伤情况。

图 1 压电智能骨料Fig. 1 Illustration of a smart aggregate

图 2 损伤监测原理Fig. 2 Principles of damage monitoring

1.3 小波包分析和损伤指数

小波包分析能够在相对较短的时间窗口中检查相对较窄的频带中的信号，对于结构损伤监测的信号处理非常有效[15,16]。本文基于小波包分析，给出了不同损伤下接收能量的对应值。传感器接收的信号S可以在n次分解下得到2n组信号{X1,X2,X3,…,X2n},其中Xj可以表示为Xj={Xj,1,Xj,2,Xj,3,…,Xj,m}(m为采样点)。分解信号的能量被定义为

(j=1,2,3,…,2n)

(1)

因此，i时刻被分解后的能量向量为

Ei=[Ei,1,Ei,2,Ei,3,…,Ei,2n]

(2)

式中，i是时间指数，j是频带数(j=1,2,…,2n)。第i次爆炸损坏指数定义为

(3)

式中，Eh, j是健康状态下第j次频带分解传感器的能量。爆炸损伤指数表示为传播过程能量损失部分。当R值接近于0时，结构处于健康状态；R值越大，表示损伤越严重，当R值接近1时，意味着结构中发生了严重的损伤。

2 实验方案

2.1 试件制备

在实验中，设计并制作了两组等级为C30的钢筋混凝土板RC(Reinforced Concrete)作为试件，板的截面尺寸为750 mm×750 mm×90 mm，钢筋型号采用 Q235φ8@130，钢筋混凝土板的尺寸设计如图3所示，混凝土配比如表1所示。在混凝土板浇筑之前，在两组板相同的位置分别安装三块智能骨料，每块智能骨料位置如图3所示，分别编号为SA1，SA2，SA3，其中SA2作为启动器，SA1、SA3作为传感器，试件按照标准程序养护28 d。

在养护28 d后，用碳纤维布(CFRP)加固其中一组混凝土板，碳纤维布基本力学性能如表2所示，采用与混凝土粘结性较好的环氧树脂作为胶粘剂，碳纤维布加固的施工工艺按照CECS 146:2003《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》，先进行表面找平，然后采用三次涂胶的粘贴法进行加固粘贴。

表 1 混凝土配合比

表 2 碳纤维布力学性能

2.2 实验装置

本次实验在武汉科技大学校内中铁广州工程局-武科大爆破技术研究中心的空气爆炸罐中进行，将模型运送于爆炸罐中简支固定在钢架上，采用太安猛炸药并转换为对应的TNT当量，将炸药用支架悬吊于离板迎爆面正中心以上20 cm处，采用毫秒一段导爆管雷管进行引爆，实验分多级进行加载。此外，在板的背爆面分别粘贴三组应变片，详细位置如图4所示，编号为A1至A3，并在应变片旁边分别安装一个加速度计，用于测量试件的加速度。试件起爆时，用PVC管和棉被对应变片、加速度计、智能骨料的传输线进行防护，防止传输线被破坏。

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

图 4 传感器布置示意图(单位：cm)Fig. 4 Sensor layout diagram(unit:cm)

2.3 实验过程

如图5所示，炸药放在板中心的上方，其具体爆炸方案如表3所示。

图 5 加载方式Fig. 5 Loading method

实验标号用B0表示初始状态，B1～B5表示五次不同的爆炸。在第一次爆炸之前和每次爆炸结束之后，利用压电智能骨料主动监测方法采集数据，将板划分为两块区域分别监测损伤，并在每次爆炸过程中采集加速度、应变的数据。

表 3 爆炸实验方案

3 实验结果及分析

3.1 智能骨料损伤监测结果

PZT压电智能骨料对混凝土板内部的裂缝比较敏感，当混凝土板受损后，压电智能骨料接受到的信号幅值将会衰减。图6分别为普通板(RC)和CFRP加固板在Ⅰ区(S2作为驱动器，SA1作为传感器)的主动监测信号时程曲线。图7分别为普通板和CFRP加固板在Ⅱ区(SA2作为驱动器，SA3作为传感器)的主动监测信号时程曲线。在开始实验之前对初始状态的混凝土板进行一次信号采集以及每次爆炸荷载施加结束后采集一次，B0为初始状态，B1～B5依次为第一次到第五次爆炸荷载施加后所采集到的信号，复合图能够更好的表现出不同药量作用下板内部损伤情况的差异。

由图6、图7可知，混凝土板在初始状态下(B0)，信号幅值较大，随着爆炸荷载的增加，信号幅值逐渐减小，直到第五次爆炸荷载(B5)施加后，信号幅值下降明显几乎为零，说明混凝土板已经严重损坏，施加荷载后产生的应力波不能从驱动器传到传感器。普通板相比于CFRP加固板信号分布较离散，能量密度不集中，说明CFRP的加固减少了信号的散射，对能量信号的传递有增强作用。在不同位置处，区域Ⅱ信号分布较区域Ⅰ更加集中，说明在爆源正下方区域Ⅰ内板的损伤要更加严重。

图 6 Ⅰ区损伤监测时域信号Fig. 6 Damage monitoring time domain signal(Ⅰ)

图 7 Ⅱ区损伤监测时域信号Fig. 7 Damage monitoring time domain signal(Ⅱ)

为了更好的比较普通板和CFRP加固板的损伤情况，通过 MATLAB 进行编程将信号进行小波包能量分析并计算出板健康状态下的能量指数，再根据公式(3)计算出每次爆炸板的具体损伤指数R，绘成柱状图,如图8所示。

图 8 普通板和CFRP加固板损伤对比图Fig. 8 Damage index

当损伤指数为0时表示混凝土板处于初始状态，当损伤指数为1时表示已经被完全破坏。在B1到B5工况爆炸荷载作用下，区域Ⅰ内CFRP加固板损伤指数相比于普通板降低了29.05%、27.44%、15.85%、8.69%、0.35%，区域Ⅱ内损伤指数相比降低了17.12%、27.24%、8.97%、2.54%、0.23%。如图8所示，无论是区域Ⅰ和区域Ⅱ，CFRP加固的混凝土板损伤指数都要小于普通混凝土板，且区域Ⅰ在爆源正下方，区域Ⅱ相邻区域Ⅰ远离爆源，损伤指数明显小于区域Ⅰ。而在B5工况下两块板损伤都趋近于1，说明两块板都已被完全破坏。结果表明，在小药量爆炸冲击下(B1～B3)，CFRP加固板的损伤指数明显小于未加固板的损伤指数，说明CFRP在药量较小时能有效提升混凝土板的抗爆性能。在大药量作用下(B4、B5)，两块板的损伤指数区别不大，在最后一爆后损伤指数都趋近于1，板中部形成贯穿空洞，已完全破坏失去承载力，说明当药量较大时，CFRP加固材料对混凝土板的抗爆性能提升不明显。

3.2 加速度结果分析

加速度结果可以直观的展现结构受载过程中局部响应行为，通过粘贴在混凝土背面的加速度传感器可以获得混凝土板的抗爆性能的强弱。如图9所示，绘制了第二块加速度传感器(A2)在每次爆炸期间的时间响应。在实验过程，第五次爆炸(B5)后混凝土被破坏，因此提前取下加速度传感器防止被破坏，应变片也因板破坏而失真，因此忽略不计。

图 9 A2测点加速度时程曲线Fig. 9 Acceleration time history curve(A2)

加速度传感器具有较强的灵敏性，能够迅速捕捉爆炸产生冲击波作用于结构的能量，由图9可知，加速度在5 ms处达到峰值，然后缓慢衰减至平衡位置。在相同位置处炸药爆炸下，随着药量的增加，普通混凝土板和CFRP加固混凝土板的加速度峰值也不断增加，但增大幅值并非与炸药量成正比，在10 g、20 g、40 g TNT当量下加速度峰值增加较大，当在80 g TNT当量以上时，加速度峰值较前面两次趋于平缓。CFRP加固板加速度峰值明显小于普通板，说明CFRP加固混凝土板可以吸收部分能量，减少板背爆面拉伸波所作的破坏作用。从不同位置加速度动力响应分析，B1到B3阶段，A3位置处加速度幅值显著大于A1、A2位置处加速度幅值，在B4阶段，A2和A3处加速度幅值相差不大，说明当大药量作用于板时，距爆源于结构中心投影点一定范围内，结构所受爆炸效应相同，局部易发生剪切破坏。

3.3 应变结果及分析

图10显示了不同药量下普通板和CFRP加固板在A2位置处滤波后的应变信号。

由图10可知，在5 ms位置处，各板应变达到峰值，同位置下随着药量成倍的增加，应变逐渐增大，10 g、20 g、40 g TNT当量下应变呈线性增强，普通板应变幅值上升随着荷载增加而加速增长，CFRP加固混凝土板增量变化较小，再一次表明CFRP加固混凝土板可以显著改善混凝土的抗拉性能。比较不同位置应变变化情况，离爆源投影中心点近的板背部混凝土应变幅值远大于其他位置应变，变化趋势为A3>A2>A1，说明炸药爆炸正冲击结构背面损伤较其他位置更严重，局部产生的弯曲拉应力更大。CFRP的加入分散了应力波能量，减弱了爆炸应力波直接作用于结构而传播至背部的反射拉伸效应，体现了CFRP对混凝土拉伸变形的抑制作用以及增强了混凝土结构的抗裂性、抗爆性。

3.4 板的破坏形态及分析

图11显示了CFRP加固板和普通板在160 g TNT当量下接触爆炸后板的宏观破坏模式，从图中可以看到普通板破坏形式严重，板正面中心产生直径大约为13 cm的贯穿孔洞，表面分布有明显的近似方形的周向裂纹，而CFRP加固板正面也产生了直径约12 cm的贯穿孔洞，但板表面裂缝不明显，且数量明显少于普通板裂缝数量。说明在正面没有贴CFRP布时，迎爆面受压破坏模式和普通板相同，破坏结果差别不大。而在板背面由于爆炸波在自由面反射拉伸波的作用下，出现大面积的剥落和震塌现象，产生大量的径向裂纹，而CFRP加固板背面剥落坑面积相较于普通板小很多，说明CFRP充分发挥了其抗拉的优异性能，缓解拉伸波对混凝土的直接作用，抑制混凝土的裂纹发展，减小混凝土的开裂面积，同时，混凝土与碳纤维布之间的摩擦也分担了部分应力波能量，使得结构整体性抗爆性能增强。

图 10 A2测点应变时程曲线Fig. 10 Strain time history curve(A2)

图 11 开裂图Fig. 11 Damaged slabs

4 结论

通过将PZT压电智能骨料埋入混凝土板内部进行爆破实验，再结合加速度传感器和应变片，对混凝土板的动态响应以及内部损伤进行研究，得到以下主要结论：

(1)利用嵌入式PZT压电智能骨料可以对爆破荷载作用下混凝土板的内部损伤实现有效监测，同时，利用小波包能量分析法可以对采集到的信号进行有效分解。结果表明：在药量较小时CFRP加固板内部损伤明显小于普通板，说明CFRP材料能有效提高混凝土的抗爆性能。

(2)基于应变片、加速度传感器对CFRP加固板和普通板的动态响应过程进行分析，对比验证了压电智能骨料监测内部损伤的可行性。当药量较小时，CFRP加固板应变和加速度都明显小于普通板；当药量较大时，由于应变和加速度传感器易于损坏，采用智能骨料能够更加有效的反映结构内部破坏情况。

(3)对CFRP加固板和普通板做了不同药量下爆破对比实验，对其破坏形态进行分析，结果表明：CFRP加固后混凝土的抗拉强度和冲击韧性都得到了提高，CFRP材料的加固可以抑制板的裂纹扩展，在背爆面产生剥落震塌面积明显小于普通板，说明CFRP材料能够有效提升混凝土结构的抗爆性能。