基于声发射技术的CFRP钢管混凝土受弯破坏过程

2011-07-23张力伟赵颖华江阿兰

无损检测 2011年2期

张力伟,赵颖华,江阿兰

(1.大连海事大学道路与桥梁工程研究所,大连 116026;2.大连交通大学土木与安全工程学院,大连 116028)

CFRP钢管混凝土是在钢管混凝土结构[1]和FRP筒混凝土结构[2-4]基础上发展起来的一种新型结构形式。通过在钢管内浇注混凝土、管外粘贴CFRP(碳纤维增强聚合物)片材,使得CFRP、钢管和混凝土三种材料的性能优势得以充分发挥,既提高了钢管混凝土结构的强度和刚度,又弥补了FRP筒内填混凝土结构延性不足的问题,同时具有很好的经济性能和易于施工的特点。从2003年沈阳建筑大学最早提出这种构想并进行研究开始[5],很多专家和学者在这方面做了大量工作,取得了显著的成果[6-9]。但是,由于CFRP钢管混凝土的结构复杂性及损伤不可观测性,导致此类结构的安全监测比较困难,需要做深入研究。

声发射技术作为一种新型无损检测方法,具有实时监测、操作简单等优点,近年来在材料性能评价和结构损伤检测方面得到广泛应用。笔者利用声发射技术研究CFRP-钢管混凝土结构在弯曲条件下的受力特点和破坏过程,拟为这种构件在弯曲荷载作用下损伤过程监测提供一种有效的方法。

1 声发射技术简介

声发射是指材料在外力作用下产生变形和断裂,以声波的形式释放能量的一种物理现象[10]。这种应力波传播到材料表面作为表面振动可被传感器接收,然后经过信号放大、模数转换和特征提取,对声发射源特征作出分析和研究,进而推断出材料或结构内部缺陷的位置、大小和变化趋势。图1是典型声发射波形及参数示意图。每采集一次波形定义为一次撞击;波形中超过门槛电压的脉冲数称为振铃计数;而声发射能量是指波形包络线对时间的积分。当一个源波形经过传播,先后被一组传感器接收,便可以根据到达时间的差异来进行源定位,称为一个声发射事件。声发射波形分析、参数分析及源定位是声发射技术研究的主要内容。

图1 声发射参数示意图

2 试验介绍

2.1 材料和试件

试验试件总长度为 1 400 mm,支点跨度1 200mm。内部混凝土为C60的高强混凝土,钢管采用120mm×120mm×3 mm标准型钢。钢管表面粘贴两层CFRP,内层纤维方向为纵向,外层纤维为环向。试件横截面形式如图2所示。纤维采用的是日本TORAY T70012 K碳纤维编织的单向布,主要技术性能为：单丝拉伸强度4 900 MPa,弹性模量230 GPa,拉断伸长率约2%,纤维布单位重量300 g/m2,厚度t=0.167 mm。采用由辽宁省建设科学研究院研制生产的JGN-C和JGN-P建筑结构粘合剂作为粘浸胶和底胶。试件具体制作过程和制作工艺及混凝土配合比可参考文献[11]。

图2 试件截面形式及应变片布置

2.2 试验方法

图3 试验加载装置示意图

试验在沈阳建筑大学结构工程实验室完成。图3为试验加载装置示意图。加载方法为手动加载,荷载单调增加至试件破坏失去承载能力,每次加载后保持2～3 min以便观察试验现象。应变片沿跨中截面圆周方向粘贴在钢管表面,如图2所示,其中1,3,5,7和9测环向应变,2,4,6,8和10测量纵向应变。声发射设备采用美国PAC公司PCI-2型声发射系统,传感器对称布置在试件相应的位置,如图3所示。传感器与试件接触面须平整,使用真空绝缘脂将两者粘合在一起,然后用胶带将其固定。根据实验室环境条件,设置门槛值45 dB,前置放大器和主放大器增益均为40 dB。加载过程中荷载、应变和声发射数据均为实时采集,中间不间断。

3 试验结果与分析

3.1 荷载分析

图4表示荷载随跨中挠度变化的关系曲线。由图可见,整个受载过程可分为四个阶段：AB弹性阶段,BC弹塑性阶段,CD下降阶段,DE软化阶段。其中屈服荷载为200 kN,约为极限荷载的75%。文献[9]指出,CFRP钢管混凝土受弯构件出现明显的下降段是由于纵向纤维的断裂失效所致。由试验过程中现场观察也可证实,当试件接近极限荷载时,试件底部CFRP布发生大面积断裂和剥落,因此造成了试件承载能力的迅速降低,出现了明显的下降段。

图4 荷载与跨中挠度关系曲线

图5是加载过程中试件跨中荷载-应变曲线,其中应变3,4和10为相应的应变片数值,分别表示受压区环向、纵向应变及受拉区纵向应变。图中显示,应变10在荷载达150 kN后开始迅速增大,但由于此时CFRP约束作用较强,整个构件尚处于弹性阶段。200 kN以后跨中受拉区应变迅速增加到约20 000με(με表示微应变,即 10-6ε),即达到了CFRP内纤维的拉断伸长率,这也证实了受拉区CFRP是在200 kN至构件极限荷载之间发生断裂。而受压区应变的变化则完全不同,即试件进入下降段以后应变才由10 000με迅速增加到20 000με,说明受压区CFRP断裂发生在极限荷载之后,这是因为极限荷载后受拉区纵向变形较大,造成受压区有效受压面积减小,受压区混凝土迅速被压碎膨胀,从而使得受压区钢管发生向外鼓屈,外侧CFRP被拉断。与此同时,应变4则迅速由受压转变为受拉。

3.2 声发射参数分析

由前面分析可知,当试件达到极限荷载时,受拉区CFRP已完全断裂失效,钢管处于屈服软化阶段,不仅试件的承载力急剧下降,而且试件的跨中挠度与跨度之比超过2%,构件失去安全使用性能。因此有必要在试件达到极限荷载之前对其损伤程度进行有效监测,以实现安全预警的目的。

图6表示荷载、声发射撞击率随加载时间的变化关系。图中左纵坐标表示声发射撞击率,右纵坐标则为荷载变化值。由图可见,在弹性阶段早期,即荷载达120 kN之前,撞击率随着荷载的增加逐渐增大,这说明试件从一开始就产生较多损伤。这个时期钢管和碳纤维还处在弹性变形范围内,因此损伤信号主要是由于变形能力较小的混凝土受拉开裂所致。弹性阶段后期,由于混凝土受拉开裂已基本完成,声发射信号有所减少。200 kN之后,声发射撞击率迅速增大,持载阶段撞击率也较高,说明荷载超过200 kN以后,即便荷载保持不变,也会有较多的损伤产生,这是钢管发生屈服变形并造成部分纤维丝开始断裂的结果。

图7表示试件在达到极限荷载之前声发射释能率随荷载变化趋势图。由图可以看出,200 kN以前,试件损伤信号蕴含的能量微弱;荷载达到200 kN左右时,能量明显增大;220 kN以后,出现第二次阶跃,其增长幅度远高于第一次,并在荷载接近极限荷载时增加至最大值。因此可以看出,声发射撞击率和释能率均能够形象地表示构件在不同加载阶段受力大小和损伤程度。

3.3 声发射信号波形分析

图8显示的是从荷载-挠度曲线(图4)的AB段和BC段,即弹性和弹塑性段,提取的典型声发射信号的波形和功率谱。由图8(a)和(b)可见,在弹性阶段,由于信号主要是由变形能力较小的混凝土开裂引起的,声发射信号幅值相对较小,峰值频率在20～50 kH z范围内。而弹塑性阶段,图 8(c)和(d)声发射信号主要是CFRP的损伤断裂所致,声发射信号幅值有很大程度提高,功率谱也表现出明显不同,信号具有更多的高频分量。因此,利用声发射信号在波形和功率谱图方面的变化规律,可以鉴别出构件的损伤类别。

3.4 声发射定位分析

声发射技术的另一应用是材料和结构的损伤源定位,定位方法分为线性定位、平面定位和立体定位。由于试验采用的试件属于细长构件,因此选择线性定位的方法基本可以满足实际应用。线性定位需要用两个传感器来形成传感器组,定位原理可用下式表示：

式中Δt为信号到达时间差,由声发射仪记录,v为声发射信号在构件中的传播速度,由断铅试验测得,x表示损伤源与一端传感器之间的距离。

图9表示构件在极限荷载30%,50%,60%和90%时的声发射源定位图,横轴表示声发射源位置,纵轴表示声发射定位事件的累积。由图可以看出,在极限荷载50%之前,声发射定位基本呈均匀分布;极限荷载60%后,声发射定位才开始出现集中趋势。这主要是因为试件的跨度较小,在极限荷载50%之前,受拉区拉应力分布较均匀,混凝土开裂沿试件长度方向分布也比较均匀;而极限荷载60%,即150 kN之后,跨中纯弯曲段应力集中加剧,跨中损伤明显增多,因此可以看到声发射定位事件逐渐向跨中集中。加载至极限荷载90%时,跨中损伤事件的累积量是两端支点处的15倍,说明此时跨中破坏程度已非常严重。由此可见,声发射损伤定位随着荷载的变化表现出不同的特征,可以用于监测构件在不同时期所承受的荷载大小及损伤集中程度。