声发射信号分布与RC梁截面应力变化的相关性

汪兴源， 周建庭， 刘腾飞， 刘定坤， 刘思孟

(重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074)

混凝土是基础设施中使用最广泛的材料之一，主要应用于桥梁、大坝、隧道和建筑物中，然而由于过载、老化、腐蚀、疲劳和环境危害等原因，这些结构物会出现劣化、损伤甚至失效。声发射(Acoustic Emission，AE)是一种非侵入性被动无损检测(Non Destructive Testing，NDT)方法，声发射来源可以定义为由材料中损伤源快速释放能量而产生的瞬态弹性波[1]。根据材料变形时声发射的不可逆效应(即材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载的最大应力之前不产生声发射信号)，从而可以监测到缺陷的萌生、扩展及材料开裂的过程，且能初步判断缺陷位置。

1 国内外研究现状

国内外关于声发射技术在混凝土结构上的研究与应用已经进行了几十年。Hu等[2]使用AE技术研究混凝土裂缝扩展，确定了初始荷载、裂缝扩展方式和最终混凝土结构失效模式。Rouchier等[3]使用AE信号的数量和振幅分布来评估混凝土结构的损伤。Elbatanouny等[4]利用持荷阶段获得的AE信号来代替常规变形的测量，以评估PC(Precast Concrete)梁的完整性。Fu等[5]研究了凯瑟效应是否存在于剪切和弯曲试验中，并发现了AE事件数量与应力曲线的相关性比AE能量总和与应力曲线的相关性更适合于声发射的研究。胡少伟等[6]根据混凝土断裂临界状态的声发射识别特征，建立了混凝土断裂的声发射判据。范宇恒[7]运用声发射对三分点加载小梁进行了正截面二维定位监测。王明佳[8]运用声发射来评估玄武岩纤维混凝土的工作性能并预测分析玄武岩混凝土的断裂。张力伟[9]采用尖点突变模型对预制裂缝混凝土梁三点弯曲断裂过程的声发射参数序列进行了突变分析。综上所述，声发射技术已被广泛用于混凝土结构损伤评估、裂缝监测和历史上承受过的最大应力值的定量评价等方面，并取得了不少的成果。

根据本文所回顾的文献，声发射在混凝土监测方面具有重大的潜力，但迄今为止沿结构横截面高度的AE信号分布特点很少受到关注。众所周知，声发射信号与应变、位移(或变形)等都是结构受力过程中产生的；本质上，这些物理量之间存在内在联系。但是，综观众多已有研究，我们发现人们对这种内在联系的关注度亟待加强。此外，通过将这些物理量联系起来，能够揭示它们之间的定性和定量关系，为更大范围内的科学研究和工程应用拓展新的空间。因此，基于6片钢筋混凝土梁的加载试验，我们研究了AE信号在截面高度方向上的分布规律，并定量分析了声发射信号与应力分布之间的相关性。

2 基本目标

力学理论表明：随着荷载大小的变化，截面上的应力分布模式是确定的。与此同时，前人系统的研究[10～16]已经揭示，当结构内的应力水平足够高时，裂缝将萌生并发展；更为重要的是，Ohtsu等[10～16]在混凝土轴心抗压试验研究中提出了压应力与声发射信号量之间的相关关系式：

(1)

式中：N为在混凝土受压开始至v压力等级状态下积累的AE事件数。将上述两方面放在一起思考，不难提出以下猜想：在应力水平高的区域，其对应的声发射活动性(AE Activity)也相对更高。简言之，在应力值大的位置其产生的声发射信号应更密集，反之亦然。有鉴于此，应力分布模式(即应力图)与声发射信号分布形态之间极有可能存在一定的相关性。因此，以下两个问题在科学和工程领域具有十分重要的研究价值：

(1)在加载过程中，混凝土梁截面上获取的AE信号沿梁截面高度方向是如何变化的？

(2)AE信号分布和应力图之间可能存在什么关系？

为此，我们加载测试了6根钢筋混凝土梁，利用声发射系统与数字散斑(Digital Image Correlation，DIC)等技术获取了结构的响应数据，并研究了应力图与AE信号之间的关系。AE是材料内部由于局部应变能的快速释放而产生的瞬时弹性波。图1展示了用于描述波形和表达信号特征的常用AE参数[17]。在这里定义一个名为AE事件数集度的新术语，该物理量表示单位面积或体积上获得的AE事件的数量；本研究中，AE事件数集度指梁截面上单位面积内定位到的声发射事件个数。

图1 本文主要的声发射参数和概念

3 实验设计

3.1 试件设计及制作

本次试验测试了6个RC(Reinforced Concrete)梁试件，如图2所示。所有梁的截面均为矩形，宽120 mm、高150 mm，净跨径为620 mm。直径为12 mm的钢筋(N1)作为受拉钢筋，直径为6 mm的钢筋(N2)用作受压钢筋。设计混凝土强度等级为C40。

图2 RC梁试件

3.2 仪器设备及加载设置

AE信号采用美国PAC公司生产的MISTRAS系统收集。该系统由前置放大器(40 dB)，R6D传感器(40～100 kHz)和带有8个AE通道的电脑组成。电脑上安装了全套AEWin软件。表1列出了声发射系统设置中的几个重要参数。

表1 AE数据采集期间使用的参数

由于AE信号主要由与AE事件源相近的传感器记录[18]，因此大部分传感器都放置在最可能的损伤部位——纯弯曲区域。如图3，4所示，每片梁的顶部和底部共安装了6个传感器(S1～S6)，采用医用凡士林作为声学耦合剂。为了确保所有传感器工作性能良好，在加载之前完成了铅笔断铅(PLB)测试。

图3 AE传感器布置方式示意/mm

图4 AE传感器的布置方式(现场照片)

该研究中使用的其他仪器包括：数字图像相(DIC)系统，应变仪和位移传感器。为了计算每个RC梁侧表面上(局部)的应变场，使用了DIC设备。在试件1上，DIC测试区域是整个侧面，而在其他试件上DIC相机仅仅聚焦在纯弯曲区域。同时，在跨中上下边缘20 mm处贴上了两片混凝土应变片，以测量该部位的点应变。此外，位移传感器布置在每个试件的跨中正下方。

加载过程中试件都处于四点弯曲状态。加载速率为0.005 mm/s，单调增加直到梁完全破坏为止。

4 实验结果及分析

4.1 全试验阶段数据分析

本节将深入讨论1#梁上获得的数据，同时利用其他梁的数据进行交叉验证。由于6根梁获得的声发射信号分布图大体趋势基本一致，表观上无明显差异，故考虑篇幅原因只展示了1#梁的声发射信号分布。在以下讨论中，主要分析来自被6个AE传感器包围的区域获取的实验数据。在该测试区中，所有横截面都承受了相同大小的弯矩。使用了三个AE参数：AE事件数集度、绝对能量和信号强度。另外，根据DIC、混凝土应变片和电子位移计提供的测量数据计算试件的应变和应力水平。图5，6显示了1#梁加载过程中的荷载-挠度曲线和破坏时该梁的形态。

图5 梁1的荷载-挠度曲线

图6 1#梁的失效形态

图7展示了破坏阶段(图7a)和整个测试(图7b，7c)中获取的所有AE信号和应变。在图7a，7b中，梁截面高度被细分为31个小条带，每个条带分别对应三个计数器，即声发射事件(AE event)数计数器、能量(AE energy)计数器和信号强度(AE signal strength)计数器。利用声发射系统的定位功能，能够对每个声发射事件的声源位置进行定位。当某个条带中定位了一个事件之后，相应的事件数计数器增加1，该事件的能量和强度值分别累加到了能量计数器和信号强度计数器上。在分析数据时，将梁高方向设定为纵坐标，上述三个计数器的值分别作为三个图的横坐标，从而得到了图7。

图7 1#梁上采集的数据

对AE信号的处理主要是探究AE事件数集度分布与受压区应力之间的相关性(见图8)。为此，需要完成以下三个步骤：(1)在图8b中，根据在最终状态下用DIC系统获得的数据(图8d)计算1#梁的跨中截面的应变分布；(2)在图8c中，根据应力-应变本构关系计算受压区的应力(方程(2)[19]。

(2)

式中：σc为应变为εc≤0.003时的压应力值；εc1为峰值应力下的应变；fcm，Ecm分别为标准试块养护28 d时的平均抗压强度和弹性模量；εc1，fcm，Ecm是在本构关系中指定的材料常数。

这里只考虑压应力，因为由于混凝土材料的抗拉强度远远小于其抗压强度[20]，而且当外荷载较低时受拉区的混凝土就已经开裂。最后，使用曲线拟合方法(图8d)得到了AE在压缩区高度的分布。如图8c，8d所示，AE事件强度的分布与该区域上的压应力分布相关性极高。首先，这两个分布具有非常相似的曲线形状；其次AE事件数集度和应力的峰值出现在几乎相同的位置。更具体地说，前者距顶部20 mm，后者为22 mm。这在其它梁中都是一致的。综上所述，试件加载过程中AE事件数集度与截面高度方向的压应力的分布精确相关，但是在AE能量和信号强度两个参数的分布图上难以观察类似的相关性。

图8 声发射事件数集度分布与压应力图的比较

上述工作表明：AE事件数的分布与应力图之间存在的相关性。这一发现与其它学者的研究结果(式(1)所对应的文献)一致。

另外，在图8c中截面顶部有一个空白区域(高14 mm)，这归因于该部分过大的压应力压碎了一部分混凝土，从而使得此部分截面面积无法承受应力。需要指出，式(1)仅适用于当εc≤0.0035时，然而空白区域的εc远远大于该限值。事实上，εc≤0.0035意味着在物理上混凝土已被压碎，此处空白在图9中得到确认。

图9 切割后观察到的切面

4.2 切割面观察分析

5#梁和6#梁卸载后，在破坏最严重的截面处被切割成两部分。如图9所示，根据切割后暴露出的截面外观可得出以下两个结论：(1)图9中测得的被压碎混凝土层的厚度与图8c中截面顶部的无应力区域的高度(14 mm)相匹配。在图8c零应力区的讨论中，已知由于该区段顶部的混凝土被压碎导致了高14 mm的区间应力为零。在图9中，测量得到的被压碎的混凝土厚度为13～20 mm(两对红色虚线之间的空间)，该范围内的碎石混凝土的厚度与理论计算值(14 mm)非常吻合。(2)AE事件发生在梁整个高度方向截面，从图9可以观察到：测试过程中形成的裂缝几乎贯穿了整个截面。综上所述，这些观察结果有力地支持了前面讨论中所得到的结果。

5 结论与展望

本研究通过研究RC梁高度方向上的声发射(AE)信号分布并揭示了AE信号分布与压应力图之间的相关性。对6根梁进行了实验，并测量了AE信号、结构挠度和应力应变，然后进行了详细分析。基于上述的试验研究，得出以下结论：

(1)AE事件数集度的分布与应力图存在极强的几何相似性，但在AE绝对能量和信号强度两个参数的分布图上未发现该相关性。

(2)高度方向的AE事件数集度的分布和截面受压区压应力的峰值出现在几乎相同的位置并且二者分布图形在几何形态上精确匹配，可以得出沿截面高度方向的声发射事件数集度与RC梁压应力图存在密切相关性。

本文通过定性的方法探究了AE事件集度与压应力分布之间的关系，在后续的研究中，希望能够通过在压应力区采集到的AE事件集度所作出的曲线的非线性程度来描述与真实压应力之间的关系。