基于声发射的钢-连续纤维复合筋混凝土柱受压特性分析

吴 瑾，陈徐东，唐 煜，郭玉柱，宁英杰

(1.河海大学 土木与交通学院，南京 210098；2.南京林业大学 土木工程学院，南京 210037；3.浙江交工集团股份有限公司，杭州 310051)

钢筋被广泛应用于各种建筑结构中，尤其是大型、重型、轻型薄壁和高层建筑结构中。因钢筋质优价廉、延性好等特点，其在土木建筑工程中主要被用作构造和加强材料。在实际使用中，由于部分钢筋混凝土所处的环境潮湿、恶劣，具有侵蚀性，钢材常会因腐蚀和耐久性不足而被淘汰。一些学者深入研究发现，钢筋混凝土结构过早被腐蚀破坏的主要原因是内部钢筋的锈蚀。

为了解决钢筋锈蚀问题，国内外研究学者提出了将纤维增强聚合物(FRP)材料应用于钢筋混凝土中，并针对FRP筋-混凝土材料展开了性能研究[1-2]。研究发现，FRP筋具有耐腐蚀、耐疲劳、易透电磁波、高强度等特点[3]，其在工程建设中的应用也愈加广泛。随着FRP筋的应用及研究的逐渐深入，研究人员发现其混凝土结构存在延性差、裂缝宽、变形大等缺点[4-6]，严重影响了其在工程中的推广和应用[7]。为了提高FRP筋-混凝土对环境的适应性，吴刚等[8]提出了一种以钢筋为内芯，并与纵向连续纤维组合拉挤成型的钢-连续纤维复合筋(SFCB)，其二次刚度比较稳定，应用于混凝土结构中，可使混凝土结构产生具有高震后可修复性且损伤可控的SFCB增强结构。该结构具有良好的延性、优越的耐腐蚀性和较高的弹性模量等优点。

声发射技术是一种声学无损检测技术。其检测原理是：材料内部产生损伤时会释放出弹性波，安装在被测物体表面的声发射探头捕捉到弹性波信号并以电信号的形式将损伤过程中的弹性波记录下来，再对信号进行分析来评定材料性能或结构完整性。声发射技术可实时监测钢筋混凝土内部的结构损伤状况，可根据声发射参数来判断钢筋混凝土的破坏模式。

为探究钢-连续纤维复合增强混凝土柱的受压特性，文章采用的混凝土柱试件直径为150 mm，高度为300 mm，配筋类型分别为BFRP(玄武岩纤维增强塑料)、SFCB两种，对这两种配筋类型的试件开展单轴压缩试验。结合试验结果与采集的AE(声发射)信号特征对SFCB混凝土柱的受压特性进行比对分析。

1 试验概况

1.1 试件设计

配置混凝土使用的水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，细骨料为中砂，粗骨料为玄武岩碎石，粒径大小为5～10 mm，所用水为饮用自来水。每立方米混凝土中各组分的比例为水…水泥…细骨料：粗骨料=216…354…780…1 036。新拌的混凝土坍落度约为120 mm。将混凝土浇筑在直径为150 mm，高为350 mm的钢模中，共浇筑了3类混凝土柱，分别为素混凝土柱、配有螺旋箍筋的混凝土柱以及配有纵筋和螺旋箍筋的混凝土柱，钢筋保护层厚度为10 mm。混凝土柱在养护到龄期后，上下底面各切去25 mm以保持平整。

SFCB由内部螺纹钢筋和外层纤维组成。内部钢筋的屈服应力为400 MPa，直径为10 mm，纤维种类为BFRP；螺旋箍筋的直径均为11.5 mm，箍筋间距为其直径的4倍。纵筋等间距分布在螺旋箍筋内侧，其中，SFCB纵筋混凝土柱有4根纵筋，BFRP纵筋混凝土柱有8根纵筋。SFCB的工业生产过程及各组件的力学性能可参考文献[9]和[10]。

试件编号分别为A，B，C，D(见图1，图中a为BFRP螺旋箍筋，b为SFCB纵筋，c为BFRP纵筋)，其中，试件A、B不配纵筋，试件C、D的纵筋类型分别为SFCB和BFRP；试件A不配置箍筋，试件B、C、D的箍筋类型均为BFRP。每种试块各制作3个，总计12个试块。在单轴压缩试验过程中，3个试件A的峰值载荷分别为730.2，816.8，778.3 kN；3个试件B的峰值载荷分别为563.6，624.7，610.9 kN；3个试件C的峰值载荷分别为712.2，755.8，733.1 kN；3个试件D的峰值载荷分别为944.1，959.9，941.3 kN。

图1 4种试件的结构示意

1.2 试验装置

试验采用量程为3 000 kN的POPWIL型万能试验机。为避免偏心加载引起的误差，试件的上下端面与加载板之间采用超硬石膏填充，以保证试件受力均匀。圆柱试件周围均匀布置了4个LVDTs(线位移传感器)测量轴向压缩位移，采用位移控制的方式加载，加载速率为0.4 mm·min-1。在圆柱体顶端和底端各等角度安装了4个用于采集AE信号的探头，数据采集系统为美国物理声学公司生产的全天候结构健康监测系统，型号为Sensor HighwayⅢ。试验装置外观如图2所示。

图2 试验装置外观

2 试验结果及分析

2.1 应变-时间曲线特征

试件C，D的应变-时间及载荷-时间曲线如图3所示(试件C纵筋为SFCB，箍筋为BFRP；试件D纵筋和箍筋均为SFCB)，可见，BFRP混凝土柱试件的应变、载荷到达峰值的时刻接近，且在其到达峰值后，混凝土迅速开裂，钢筋很快屈服退出工作；SFCB增强混凝土柱受压过程中，载荷到达峰值后虽有下降趋势，但下降趋势较为平缓，约100 s后SFCB增强混凝土柱试件的应变达到峰值。相较于BFRP混凝土柱试件，SFCB增强混凝土的应变和载荷达到峰值后下降趋势明显更为平缓，在混凝土退出工作后，SFCB仍在较长一段时间内工作，即相比于BFRP，SFCB具有更好的延性。

图3 试件C，D的应变-时间及载荷-时间曲线

2.2 载荷-应变曲线特征

各类型试件的载荷-应变曲线如图4所示(试件A为素混凝土柱；试件B为BFRP箍筋混凝土柱)，可见，素混凝土柱和BFRP箍筋混凝土柱均是随着应变的增大，载荷先增大后减小，试验前期所有试件截荷的上升速率相当，随着混凝土裂缝的出现，载荷上升速率降低，试件A的载荷峰值达800 kN，而试件B的载荷峰值仅为560 kN。在载荷达到峰值后，试件A的载荷迅速下降，下降趋势明显大于其他试件的。这说明在到达载荷峰值后，混凝土被破坏迅速退出了工作，钢筋开始承担主要工作，降低了混凝土结构的极限承载力，增大了其延性。由图4中试件B与试件C的曲线可知，在箍筋同样为BFRP时，增加SFCB纵筋可较大程度地提高混凝土柱的极限承载力；由图4中试件C，D的曲线可知，箍筋均为BFRP时，在混凝土柱受压变形的过程中，裂缝发展阶段主要由纵筋承担拉力，试件D的载荷峰值高至950 kN，即BFRP纵筋在一定程度上提高了混凝土柱试件的极限承载力。在载荷达到峰值后，试件D的载荷下降趋势明显大于试件C的，说明BFRP的延性明显小于SFCB的，SFCB表现出良好的二次刚度。

图4 各类型试件的载荷-应变曲线

2.3 AE振铃计数特征

各类型试件的累计振铃计数-时间曲线、振铃计数-时间柱状图及载荷-时间曲线如图5所示，可见，各类型试件的振铃计数峰值均出现于载荷峰值之后。在载荷缓慢增加、匀速加载阶段前，振铃计数缓慢增加，累计振铃计数随着时间缓慢增加；在接近载荷峰值时，累计振铃计数的变化速率出现明显变化，随着时间的增加，振铃计数的增长速率增大。在载荷-时间曲线出现峰值之后，试件B、C、D的载荷-时间曲线存在断崖式下跌的时间点，其振铃计数明显增大，此时，试件发出爆裂声，钢筋断裂，试件破坏程度加剧。除素混凝土试件A外，在载荷出现峰值后，载荷-时间曲线斜率突变的时间处，振铃计数值均超过1 000。在振铃计数增加阶段，累计振铃计数曲线的斜率增加，即在载荷峰值后，混凝土柱损伤加剧，累计振铃计数随着损伤程度的加剧而增大。

显然，振铃计数和累计振铃计数以各自的特征反映出混凝土柱各个阶段压缩损伤的特征，由前者可以判断混凝土柱压缩损伤、钢筋断裂的时间点，由后者可以判断混凝土柱的整体损伤程度。由图5(a)可见，素混凝土试件A在受压进入塑性阶段后，其累计振铃计数-时间曲线的斜率增加，在载荷峰值后其振铃计数有着两次突增，在突增的时间点上，混凝土柱发出爆裂声，脆性损伤加剧。由图5(b)，(c)可见，仅配置箍筋BFRP的试件B在其载荷-时间曲线斜率突变的两个时间处振铃计数均较大，数值超过16 000；在配置纵筋SFCB和箍筋BFRP的试件C的载荷-时间曲线斜率突变的两个阶段，振铃计数在第二阶段有所下降，下降至12 000，前者的瞬时损伤破坏更为显著，而后者的受压延性相对较好。由图5(c)，(d)可见，D试件在试验中所测得的最大振铃计数值达30 000，累计振铃计数值最高接近5×106且后期还有3次较为明显的振铃计数数值变化，即在载荷峰值后，D试件发生了4次明显的损伤破坏爆裂现象；C试件的最大振铃计数为18 000，累计振铃计数最高达5×104，出现了2次明显的振铃计数变化现象。可以认为，SFCB能在一定程度上有效抑制受压结构发生剧烈的脆性破坏。

图5 各类型试件的累计振铃计数-时间曲线、振铃计数-时间柱状图及载荷-时间曲线

2.4 RA-AF值

声发射参数中的RA值为上升时间与幅值的比值，平均频率AF值则为振铃计数与持续时间的比值，两者可以反映材料内部结构的剪切损伤和拉伸损伤。一般来说，具有高RA值、低AF值的声发射信号表示剪切损伤裂纹扩展，具有低RA值、高AF值的声发射信号则表示拉伸损伤裂纹扩展。即高RA值、低AF值对应的破坏为剪切破坏，低RA值、高AF值对应的破坏为拉伸破坏。RA值和AF值可以被用来分析结构的破坏形式。RA值与AF值的临界比值与介质类型、传感器布设等边界条件有关，在不同条件下具有不同的取值，文章将该比值作为一个识别裂缝类型的临界指标，设为80…1[11]。

对试件A，B，C，D不同时间段的RA值与AF值进行分析，时间段根据载荷-时间曲线斜率的变化进行划分，划分的时间节点如表1所示。各类型试件RA-AF的分布如图6所示。由图6可知，在初始的弹性变形阶段(0-t1时间段)，素混凝土试件A内部既存在剪切裂缝又存在拉伸裂缝，随着载荷的逐渐增大，在t3时刻点后，RA-AF分布逐渐偏向AF，混凝土柱内部裂缝以拉伸裂缝为主，试件的损伤破坏形式为拉伸破坏。对比图6(a)，(b)可知，在混凝土柱受压的初始段，混凝土内部剪切裂缝与拉伸裂缝并存，二者所占比例相近，随着载荷的增大，混凝土试件表面出现裂缝，试件B中的BFRP箍筋开始承受部分剪力，在载荷出现峰值后的阶段，混凝土试件的裂缝以拉伸裂缝为主，损伤破坏形式为拉伸破坏，BFRP筋限制了混凝土柱剪切裂缝的发展。对比图6(a)，(c)可知，随着载荷的增加，混凝土柱内部剪切裂缝与拉伸裂缝并存、两者占比接近，后逐渐偏向以拉伸裂缝为主，随着混凝土柱的开裂，SFCB纵筋开始工作，主要承受拉力，限制了拉伸裂缝的发展；在试件C中，混凝土柱开裂后，虽其裂缝发展仍以拉伸裂缝为主，但由于SFCB筋的存在，抑制了拉伸裂缝的发展，剪切裂缝所占比例有明显上升，其结构损伤破坏形式为剪切-拉伸破坏。对比图6(c)，(d)可知，在混凝土试件开裂后，试件D裂缝发展明显偏向拉伸裂缝，而试件C在到达载荷峰值后裂缝发展趋势才开始偏向拉伸裂缝，即SFCB筋相比于BFRP筋能更好地承受拉应力，具备良好的延性，限制了拉伸裂缝的发展。

表1 时间节点划分结果

图6 各类型试件RA-AF的分布

3 结论

(1) SFCB相较于BFRP筋具有更好的延性，可以提高钢筋混凝土结构的延性。

(2) BFRP筋在一定程度上提高了混凝土柱试件的极限承载力；SFCB具有稳定的二次刚度，可以提高混凝土柱的抗变形能力。

(3) 振铃计数和累计振铃计数与时间的关系曲线能够反映混凝土柱受压破坏过程中的脆性损伤破坏情况，SFCB能在一定程度上有效抑制受压结构发生剧烈的脆性破坏。

(4)RA-AF分布可用于判断、分析混凝土柱的裂缝发展类型与破坏形式。SFCB具备良好的延性，相比于BFRP筋能够更好地限制拉伸裂缝的发展。