基于声发射技术的钢筋混凝土梁损伤识别试验研究

孔繁强

（中铁十四局集团铁正检测科技有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

目前，声发射技术已经广泛应用于混凝土结构的损伤识别中。李胜利等[1]针对传统混凝土空心板桥裂缝检测方法效果差、安全性低的问题，提出了基于声发射技术的检测方法，其研究表明，声发射信号的分析结果与桥梁实际损伤相同，证明了该技术应用的可行性；吴立朋等[2]总结了声发射技术在混凝土性能检测中的应用现状，重点总结了声发射技术主要应用于混凝土断裂机理分析、钢筋混凝土腐蚀分析、混凝土损伤定位等。在上述研究的基础上，本文通过试验探究声发射参数在钢筋混凝土梁性能退化过程中的变化规律，从而评估结构的损伤程度，为混凝土安全评估提供理论基础。

1 声发射检测技术原理与优势

1.1 声发射检测技术原理

材料或构件在受力过程中产生变形或裂纹时，以弹性波形式释放出应变能的现象，称为声发射。利用接收声发射信号，对材料或构件进行动态无损检测的技术，称为声发射技术。声发射技术涉及声源的产生、声波的传播、声发射传感器的接收和解码、以及对声发射信号的解释和应用等多个环节。声发射技术已成为实验应力分析的一种有力工具，通过分析声发射参数在钢筋混凝土梁性能退化过程中的变化规律，以及监视构件的疲劳断裂扩展，可以用于评价构件的完整性，判断结构的危险程度。

1.2 声发射检测技术优势

与传统的检测方法相比，声发射技术具有以下优势：

（1）实时性。声发射技术是一种实时检测的技术，能够对缺陷进行动态监测并且将检测结果实时记录，并动态跟踪缺陷的产生和扩展过程。

（2）敏感性。声发射技术具有较高的敏感性，能够对多尺寸、多位置的缺陷进行检测，几乎不受空间的影响。

（3）便捷性。在利用声发射技术对缺陷进行检测时，其声发射信号源在缺陷处，因此检测过程不需要额外的信号发射源，这使得缺陷信息更加丰富。

（4）适应性。声发射技术能够对多种形状的构件进行检测，具有很强的适应性。

利用多通道声发射检测系统，能够实现内部结构的损伤实时定位，检测安全可靠。

2 试验过程

2.1 试验装置介绍

试验装置由声发射检测系统和试验加载装置组成，采用分级循环加载的方式，通过油压千斤顶进行加载，利用静态应变测试系统进行应变分析。其中，声发射检测仪为SAEU2S集中式多通道USB声发射检测仪，具体参数见表1所示。

表1 声发射检测仪主要技术指标

2.2 试样制作

本文采用的是矩形截面试验梁，尺寸为宽×高×长=200mm×250mm×1200mm（包括两端设置100mm的支撑）。钢筋混凝土试样由商品混凝土浇筑振捣密实而成，从试样制作完成到投入试验先后经历了试样检查、制作预应力筋、预应力筋穿孔、检查锚具、安装张拉设备、启用张拉设备、张拉、孔道压浆等过程。

2.3 试验方案

利用声发射技术对混凝土梁进行损伤分析，需要对不同载荷阶段的损伤信号进行全面采集。试验采用分级循环加载的方式，通过油压千斤顶进行加载，载荷信号通过力传感器转化为电压值，利用静态应变测试系统进行应变分析，在受拉钢筋上粘贴应变片来测量试验过程中钢筋的应变值。应变片的粘贴位置分别为梁跨中部位及其两侧间距10cm 处，加载过程中各个阶段的钢筋应变如表2所示，将表2的加载荷载值与转换后的电压值的对应关系用图1表示。

表2 不同加载阶段下的钢筋应变情况

由图1 分析可知，在加载初级阶段伴随着外界荷载的增加，钢筋的应变值按照一种线性关系逐渐增加，故可将这一阶段视为弹性阶段；随着外界荷载的不断增大，钢筋应变值开始呈现出非线性关系，故可将此阶段视为构件已经处于塑性变形阶段；当试件所受荷载逐渐接近极限值时其内部钢筋的应变值呈现出迅速增大的趋势，可视为内部钢筋已经达到屈服阶段，判断此时的试件已不适合继续加载。

3 试验结果分析

3.1 基于声发射信号幅度范围的损伤演化分析

试件不同幅度信号百分比变化曲线如图2 所示。其中，低幅度信号为＜60dB，中低幅度信号为60～70dB，中高幅度信号为70～80dB，高幅度为＞80dB。从图2中可以明显看出，试样损伤过程中，发射信号主要为低幅度，全过程占比较高，并且一直存在于整个损伤过程（1～10 阶段）。低幅度和中低幅度信号波动较小，而中高幅度和高幅度信号的变化非常明显，因此，中高幅度和高幅度的出现是试样中微裂纹不断产生的结果。

图2 试样不同幅度信号百分比变化曲线

进一步分析中高幅度和高幅度信号的变化，可以发现，当进入第6 加载阶段后，中高幅度和高幅度信号明显增加，其中，中高幅度信号接近10%。这是由于微裂纹扩展为宏观裂纹导致的，此时混凝土钢筋截面出现失稳，这也是混凝土梁损伤累积的重要节点。加载阶段8 后，中高幅度信号约为12%，高幅度信号增长了3.5%。这是由于宏观裂纹的进一步生长导致的，此时混凝土内部钢筋损伤进一步加剧，混凝土和钢筋界面出现相对滑移。

3.2 基于声发射信号上升时间的损伤演化分析

本文将上升时间分为8 个区间，1～8 分别为0～25μs、25～75μs、75～150μs、150～250μs、250～500μs、500～1000μs、1000～2000μs、2000～3000μs。利用拟合函数工具对各个信号进行拟合，所采用的拟合函数形式为：

拟合后的不同加载阶段a、b值的变化曲线（由于b为负值，因此统一取|b|）如图3所示。

图3 试样拟合系数a

从图3 中可以明显看出，第5、6 加载周期，拟合系数a出现第一次的阶跃式增长，达到初期拟合系数的数倍，这表明混凝土梁累计损伤已经达到一定的程度，结构中开始出现微裂纹。第7 加载周期开始，拟合系数a均在6000 以上，说明损伤已经十分严重，结构完整性较差，第十次加载后，拟合系数达到10000以上，而且从6000 左右（第9 次）大幅增加，表明结构已经完全失效。拟合系数|b|的变化规律和a是相反的，当|b|在1.5 以上时，结构几乎完整，下降至1 左右时，开始出现轻度损伤，继续下降至0.7时，出现较为严重的损伤。

4 结束语

本文利用声发射技术进行混凝土梁损伤识别试验，试验结果表明：

（1）在混凝土梁疲劳损伤过程中，高幅度信号（>80dB）更多与钢筋和钢绞线损伤以及宏观裂缝拓展有关，而中高幅度信号（70～80dB）与微裂缝发展为宏观裂缝和钢筋与混凝土的界面损伤有关。

（2）随着损伤的加剧，指数函数拟合系数a逐渐上升，|b|逐渐下降，当a较大（＞6000），|b|较小（＜0.7）时，说明混凝土梁结构损伤较为严重，微裂纹逐渐扩展到宏观裂纹。

总之，声发射技术能够实时监测混凝土梁的损伤，对钢筋和钢绞线损伤以及宏观裂缝扩展具有较高的敏感性。该技术为混凝土安全评估提供理论基础和实验数据。