基于全信息声发射技术的钢筋混凝土梁损伤过程监测

蒙彦宇， 赵国栋， 高 爽， 冯培杰， 武生鑫， 赵华东， 李世鑫

(北华大学 土木与交通学院， 吉林 吉林 132013)

钢筋混凝土梁受弯破坏时，梁中和轴以下受拉区混凝土极易破坏，但混凝土结构内部破坏情况很难在试验中直接观测[1～3]。以往混凝土结构开裂或结构损伤识别的方法多是采用静态的识别方法[4，5]，该方法工作量大，时间长，经济代价高，难以实现在线实时监测，无法快速准确获得结构损伤状况的信息。因此选择一种监测技术来探测试件内部无法观察到的试验情况是很有必要的，对工程中构件管养与维护、加固都有重大的意义。

基于声发射技术方法能在很大程度上弥补静态检测方法的不足[6]。利用全信息声发射技术监测混凝土结构损伤过程，评定损伤程度，确定损伤位置区间[7～9]，实现在线实时监测，快速获取用户所需信息；及时采取维护措施以保持(增加)结构可靠性，实现高效益、低成本、省时省力的结构健康监测、检测与加固，为实现结构安全可靠、经济合理、美观悦目、低碳环保的建筑结构功能要求和设计目标，具有重要的现实意义。

基于此，本文通过声发射技术能够实时对钢筋混凝土梁进行损伤过程监测、损伤程度评定、损伤位置确定[10～12]，明确了全信息声发射技术的原理与监测方法，建立了基于全信息声发射技术的混凝土梁损伤过程监测方法，揭示应用全信息声发射技术能够实时有效地监测混凝土这种结构复杂、受力复杂的结构(构件)的损伤破坏历程。

1 试验概况

1.1 试件设计

主要包括混凝土梁设计与制作。为了研究声发射技术对混凝土梁损伤过程的监测研究，本项目根据GB 50010-2015《混凝土结构设计规范》规定，针对水灰比在0.5～0.6范围内的C30混凝土试件，制作3组，包括试块抗压强度测试、材料选择、水灰比、试件尺寸、钢筋绑扎、支模、混凝土浇筑、养护、拆模、成型等。利用声发射技术对混凝土梁的开裂过程进行损伤监测试验。

1.1.1截面参数

根据试验目的以及要求，试验拟采用两端简支的矩形截面钢筋混凝土梁，综合考虑实验室试验设备和材料等因素，所设计钢筋混凝土梁的截面尺寸为b×h=100 mm×150 mm，跨度l=1200 mm，计算跨度l0=1100 mm；试验时荷载采用分配梁连续分级加荷方式，分配梁长300 mm，居中放置。

1.1.2材料参数

配合比计算。根据JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》规定：本试验制作的钢筋混凝土梁采用P.O32.5水泥、碎石(粒径16 mm，含水率1%)、细砂(含水率2%)，设计混凝土强度等级为C30。因此，施工配合比为，单位用量水泥(mc0)∶砂(ms0)∶石(mg0)∶水(mw0)的比例分别为：mc0∶ms0∶mg0∶mw0= 1∶1.35∶2.46∶0.41。

材料用量。根据所设计的梁截面和跨度尺寸、钢筋混凝土梁及混凝土立方体试件总体积、计算配合比，可得材料用量分别为：水泥：9.6 kg；碎石：23.9 kg；砂：13 kg；水：3.9 kg。

图1 钢筋混凝土梁配筋骨架/mm

1.2 试验装置和加载制度

1.2.1试验装置

试验在结构实验室TLZW-150型钢筋混凝土试验机上进行。测试项目包括梁受力历程中的钢筋和混凝土应变，跨中、支座位移及相应的荷载值，试验数据由DH3815N静态电阻应变采集系统采集，声发射信号采用DS2-8全信息声发射信号监测分析仪采集与分析，试验装置如图2所示。

图2 试验加载装置

1.2.2加载制度及方案

传感器布置。钢筋混凝土梁每侧相同位置各粘贴4个声发射传感器，共8个传感器。布置位移计3个，混凝土应变测定共布设4片应变片，如图3所示。

图3 传感器布置及加载立面/mm

加载方式。将无初始裂纹试件在试验机上进行静力匀速加载。加载等级控制在9级，每级3 kN，预载3 kN。

声发射参数的选取。根据DS2-8全信息声发射信号监测分析系统的特点及功能，结合试验目的，所选取的声发射信号分析的基本参数包括：幅度、累计能量、振铃计数、事件四个；传感器总增益100 dB；前置放大器增益选为50 dB；门槛电压选为10 mV，主放大器总增益为60 mV；时间间隔根据传感器的位置间距确定。

噪声处理。试验过程中不可避免的存在噪声，一部分噪声主要来源于混凝土内部的噪声，其可以通过门槛幅值来控制；另一部分噪声来源于环境噪声(如加载仪器与试件的接触等)，试验中通过在加载装置与梁接触的位置垫上垫片，以减小加载仪器对结果的影响。另一方面，为了更好的采集声发射信号，通过设置声发射系统软件只接收传感器间距范围内的弹性波信号，并利用传感器布置成各传感器间的距离近似相等布设方式，即布置方式尽可能采用菱形布置方式(或等腰三角形)，以此来有效排除和减少支座及加载仪器等噪声的影响，降低监测信息误判的可能。

1.2.3试验现象

试验前检测传感器是否与基体粘结良好，且能够正常接收监测信号。试验开始，随着荷载增加，梁跨中弯矩与位移逐渐由弹性阶段很快过渡到弹塑性阶段，梁跨中出现了第一条可见裂纹；随荷载的进一步增大，裂缝逐渐增多，梁受压区高度逐渐减小，混凝土梁也随之出现呯砰的开裂声；跨中挠度持续增大，裂缝逐渐向受压区扩展，并延伸到钢筋位置；直到钢筋屈服，受压区混凝土开裂，梁表面出现明显的横纵向裂纹，停止加载。

2 试验结果及分析

2.1 信号分析

基于参数分析方法，采用幅度、能量、振铃计数等声发射参数，监测钢筋混凝土梁试件的损伤破坏过程、评定损伤程度，确定损伤位置区间。

为使提取的声发射全波形能真实地反映声发射源信号特征，本文通过试验前的断铅试验来测定声发射时间参数、波速以及衰减，通过分析声发射幅度、能量、振铃计数与加载时间的关系，取得了良好的试验效果。图4为所采集的梁损伤过程全信息声发射监测信号全波形图。

图4 全信息声发射监测信号波形

2.2 混凝土梁损伤过程监测结果分析

2.2.1基于全信息声发射技术的钢筋混凝土梁损伤过程监测

根据荷载-位移的P-Δ曲线，在开裂荷载前P-Δ成线性分布，混凝土梁处于弹性阶段。随着荷载的增加，梁跨中出现裂缝，曲线增长趋势缓慢，受拉钢筋与混凝土共同受力，梁处于带裂缝工作阶段。当荷载达到极限弯矩后，曲线增长速率极高，说明钢筋已屈服，梁处于破坏阶段。图5为钢筋混凝土梁的最终破坏形态图。

图5 钢筋混凝土梁损伤过程监测及最终破坏

将基于全信息声发射技术的钢筋混凝土梁损伤过程划分为健康状态、轻微损伤、中度损伤、重度损伤、破坏五个阶段。因此，利用声发射技术监测钢筋混凝土梁破坏过程及阶段得到验证。

2.2.2基于全信息声发射技术的钢筋混凝土梁损伤程度确定

声发射技术不仅可以监测钢筋混凝土梁的破坏过程，还可以通过幅度、能量、振铃计数的累积，对钢筋混凝土梁损伤程度进行评定。图6为声发射幅度-时间历程与损伤程度关系图；图7为声发射能量-时间历程与损伤程度关系图；图8为声发射振铃-时间历程与损伤程度关系图。

图6 声发射幅度-时间历程与损伤程度关系

图7 声发射能量-时间历程与损伤程度关系

图8 声发射振铃计数-时间历程与损伤程度关系

从图6可以看出，声发射信号采集幅度、能量、振铃计数与时间历程在0～27 s时，混凝土梁处于受载到受载稳定，出现轻微损伤。

随着荷载的增加，由图7所示，裂纹不断发展，声发射信号采集幅度、能量、振铃计数与时间历程在28～171 s时，微裂缝沿着骨料界面进一步扩展，并且逐渐向梁内部发展，在此期间产生弹性波向周围辐射，将促使混凝土损伤加剧直至开裂。从图8可知，达到开裂荷载后，梁所受的力由混凝土和钢筋共同承担，声发射信号采集幅度、能量、振铃计数与时间历程在172～689 s时，钢筋屈服，混凝土被压碎，在690 s以后，试件最终破坏。

试验结果表明，钢筋混凝土梁在各级荷载作用下，其损伤程度随着全信息声发射参数幅度、能量、振铃计数的不断累积而越来越严重，直至失效。为此，也进一步验证了基于全信息声发射技术能够有效地评定混凝土梁的损伤程度。

2.2.3基于全信息声发射技术的钢筋混凝土梁损伤定位

基于声发射监测技术，其核心内容是确定声发射源的位置，进而才能对结构损伤采取相应的解决措施。为此，本文所构建的利用全信息声发射穷举法建立的损伤源定位技术对损伤位置区间进行确定，并记录和采集了钢筋混凝土梁损伤各阶段的声发射源定位情况，如图9所示。

图9 钢筋混凝土梁损伤的声发射源定位/mm

由图9及试验过程的监测数据可知：当钢筋混凝土梁处于健康状态，梁无损伤，声发射定位图中无定位点；当梁处于轻微损伤阶段，从开始加载到分配梁与试件稳定，由于骨料间的摩擦及分配梁与试件之间的轻微碰撞等多方面因素，声发射定位图中出现零星的定位点；当梁处于中度损伤阶段，从梁受载稳定到加载到达开裂荷载，梁跨中出现第一条裂缝，声发射定位图中，跨中位置出现较多的定位点；当梁处于重度损伤阶段，由于荷载的继续增加，钢筋与混凝土梁共同承受荷载，直至钢筋屈服受压区混凝土被压碎，跨中不断出现新的裂缝，已出现的裂缝不断发展，声发射定位图中，跨中的定位点分布密集。当梁处于破坏阶段：荷载达到极限荷载之后，钢筋屈服，裂缝宽度明显增大，钢筋混凝土梁跨中挠度急剧上升，梁最终失效。

对比分析钢筋混凝土梁破坏全过程(图5)和声发射源定位(图9)，可知，在开裂荷载前，声发射源定位较少，梁内产生一些微裂缝。当梁处于重度损伤阶段时，声发射源定位点在跨中分布相当密集；说明跨中损伤严重。为此，也证明了基于全信息声发射技术可以有效确定钢筋混凝土受弯构件的损伤位置区间，进而利用本文所建立的监测方法可以有效地对服役中钢筋混凝土结构的可能破坏进行实时预警。

3 结 论

本文通过钢筋混凝土梁静载试验，研究了钢筋混凝土梁从开始加载到最终破坏全过程的声发射信号变化规律，分析了梁破坏过程与声发射信号间的关系，较精确地评定了梁的破坏过程、损伤程度和损伤区间。

(1)为了使提取的声发射全波形能真实地反映声发射源信号特征，本文通过试验前的断铅试验来测定声发射时间参数、波速及衰减，分析声发射幅度、能量、振铃计数与加载时间的关系。声发射监测过程中，噪音的存在不可避免，但是通过合理的试验设计可以最大限度地消除噪音干扰，取得了良好的试验效果。

(2)通过对分级加载下钢筋混凝土梁声发射信号的提取分析，在极限荷载的20%～30%时，声发射信号发生突变。所以可以利用全信息声发射的这个特性来对结构极限承载力进行预测，对结构的可能破坏进行预警。

(3)对钢筋混凝土梁整个受载过程中的声发射信号变化规律进行分析，其破坏过程得到了监测，破坏程度得到了确定，并对每级荷载下的损伤位置区间进行了定位；结合构件损伤历程与声发射信号的关系，利用声发射参数特征来反演信号源的特征，证明了全信息声发射技术能够反映出梁受载过程中裂纹开裂和扩展的变化规律；并利用其监测钢筋混凝土结构的损伤过程、确定损伤程度和判断损伤位置，精度能够满足要求，具有一定的通用性和实用性，其应用前景广阔。