基于AE全波形信号的钢筋混凝土动态破坏监测研究

摘要： 全波形声发射信号分析是钢筋混凝土结构检测的一种有效方法。分析了动态弯曲破坏下，钢筋混凝土梁不同破坏阶段全波形声发射信号的频谱特性。结果表明，在钢筋混凝土梁破坏的各个阶段，全波形声发射信号的频谱特性呈现规律性变化。随着破坏严重，钢筋混凝土的破坏机理呈现多样化，声发射信号功率谱密度的峰值频率也显著增加。

Abstract： Full waveform analysis of AE signal is an effective tool for damage evaluation of RF concrete structure. In this paper， the frequency spectrum of AE waveform signal is analyzed for the RF concrete beam subject to dynamic loading. The result is shown that the frequency spectrum of AE waveform signal perform regularly. With the increase of damage status， the failure mechanism becomes more complex and the peak frequency of PSD will increase observably.

关键词： 动态破坏；钢筋混凝土；声发射；功率谱密度

Key words： dynamic failure；RF concrete；acoustic emission；power spectral density（PSD）

中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章編号：1006-4311（2018）08-0138-02

0 引言

声发射（Acoustic emission，简称AE）是材料由于内力或外力的作用下，形成裂纹而发生的瞬间能量释放而形成弹性波的现象[1]。材料形成裂纹往往会造成材料内部的损伤。因此，声发射现象往往是对材料或结构损伤过程的记录。因此，声发射是结构损伤检测和评估的一种有效工具。声发射现象常被用于混凝土损伤检测中。常见的方法包括AE速率理论[2]、NDIS-2421标准[3]、b值理论[4，5]、声发射分形特性[6]等。

混凝土是一种内部复杂的复合材料，内部裂纹形成的机理复杂，破坏的方式不同，声发射信号的波形特性也有所不同。因此，声发射信号的波形信息也被用于混凝土的损伤检测中[7]。地震作用是钢筋混凝土破坏的主要原因之一，相比于静态荷载，地震荷载是一种动态荷载。本文通过钢筋混凝土梁的动态弯曲破坏试验，分析了动态加载情况下，钢筋混凝土结构的全波形声发射特性。

1 试验分析

本文以钢筋混凝土动态弯曲破坏试验为例，分析钢筋混凝土梁在动态荷载作用下的声发射全波形信号特性。梁尺寸和配筋如图1所示，混凝土强度为C30，纵筋用HRB335钢筋，直径为18mm；箍筋用HPB235钢筋，直径为6.5mm，间距为200mm，通长布置。纵筋配筋率分别为1.4%，箍筋配筋率为0.22%。为两点动态加载，加载速率为30mm/s。声发射传感器布置如图1所示，声发射信号的采样频率为100MHz。

混凝土梁的荷载挠度曲线如图2所示。混凝土梁受弯破坏全过程可分为三个阶段，如图2所示：在第Ⅰ阶段，从荷载挠度曲线上来看，荷载挠度呈线性关系，梁的工作情况与匀质弹性梁相似。由于混凝土的极限拉应变远远小于钢筋的极限拉应变，在此阶段随着梁挠度的增大，声发射源以梁底部的混凝土微裂纹逐渐形成和拓展为主。在第Ⅱ阶段，在梁底部的宏观裂纹开始形成并逐渐加剧，受拉区尚未开裂的混凝土只承受很小的拉力，拉力主要由钢筋承担，在此阶段的声发射源以混凝土达到极限拉应变引起的宏观开裂为主。在第Ⅲ阶段，受拉钢筋屈服，裂缝宽度沿梁高向上延伸，随着中和轴的不断上移，受压区高度进一步减小，最后受压区混凝土达到极限抗压强度而破坏。这一阶段混凝土的拉伸断裂已经完成，声发射源主要以钢筋与混凝土界面的失稳为主。钢筋混凝土梁在弯曲破坏三个阶段的声发射源的形成机理有所不同，故声发射信号的波形特性也有所差异。

由AE传感器得到的10kHz-100kHz范围内的声发射波形信号如图3所示。截取声发射信号中能量较高的几段波形信号，分别用字母？髿-？鬄标出。其中？髿段信号为Ⅰ阶段的声发射信号。？鬀段为Ⅱ阶段的声发射信号，？鬁、？鬂、？鬄为Ⅲ阶段的声发射能量较高的部分信号。

分别分析？髿-？鬄段信号的功率谱密度图，如图4所示。可以看出，？髿段信号的频谱图的峰值点主要集中在20kHz-40kHz的频率范围内，在第？鬀段信号的频谱图中，幅值较大的频率点主要为40kHz和51.17kHz。在？鬁段信号，幅值较大的频率点包括40kHz、51.17kHz和52.27kHz。在？鬂段信号，幅值较大的频率点除了40kHz、52.27kHz外，还包括54kHz，且66.8kHz和70kHz。而到了？鬄段信号，频谱图内的峰值点则主要集中在48kHz-72kHz的范围内。整个破坏过程中，声发射信号频谱图的峰值点频率有逐渐增大的趋势。随着破坏的严重，声发射波形的峰值频率点有逐渐升高的趋势。因此，可以通过对声发射信号进行频谱分析，可进一步判断钢筋混凝土梁的破坏程度。

2 结论

本文以钢筋混凝土动态弯曲破坏试验为例，分析钢筋混凝土梁在动态加载的各阶段全波形声发射信号的频谱特性。结果表明，随着不同的破坏阶段，声发射信号的频谱特性呈现规律变化，随着钢筋混凝土梁从弹性阶段到弹塑性阶段、屈服阶段，声发射信号的形成机理不同，声发射信号功率谱密度的峰值频率有逐渐增大的趋势。因此，可根据声发射信号的频谱特性，来进一步判断钢筋混凝土梁的破坏阶段。

参考文献：

[1]D.G. Aggelis， Tomoki Shiotani and Shouhei Momoki. Acoustic Emission and Ultrasound for Damage Characterization of Concrete Elements[J]. ACI Materials Journal ， 2009， 106（6）：1-6.

[2]Masayasu Ohtsu， Hiroshi Watanabe. Quantitative damage estimation of concrete by acoustic emission[J]. Construction and Building Materials，2001， 15（5）： 217-224.

[3]李冬生，曹海.聚乙烯醇纤维混凝土损伤演化声发射监测及其评价[J]. 振动与冲击，2012，31（9）：29-32.

[4]Richter CF. Elementary seismology[M]. Freeman， NewYork （1958）.

[5]李旭，霍林生，李宏男.钢筋混凝土柱加载试验的AE监测研究[J].振动与冲击，2014，33（20）：12-15.

[6]李元辉，刘建坡，赵兴东，等.岩石爆破过程中的声发射b值及分形特征研究[J].岩土力学，2009，30（9）：2559-2563.

[7]王余刚，骆英，柳祖亭.全波形声发射技术用于混凝土材料损伤监测研究[J].岩石力学与工程学报，2005（05）：803-807.