基于AE对预应力钢筋砼梁损伤试验分析

吴 超，胡强圣，杨 帆，郁董凯

1.安庆职业技术学院 建筑工程系，安徽 安庆 246001；2.江苏大学 土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013

随着经济的发展，桥梁建设日益增多，桥梁事故也时有发生，因此对桥梁状况的健康监测和经常性的质量评估显得尤为重要。

桥梁检测技术有多种，目前比较常用的是声发射检测技术(Acoustic Emission，AE)。声发射检测技术是一种动态的无损检测，只需将声发射探头附着在检测对象表面的适当位置，就可以实现在线监测整个检测对象。当检测对象受到荷载作用时，它能及时检测到材料内部发生的变化[1-2]，具有其他无损检测技术无可比拟的优势[3]。

目前，国内外学者对声发射检测技术进行了大量的研究，其中李冬生等分析了钢绞线在拉伸过程中AE信号的相关特性，并对四川省峨边大渡河拱桥的吊杆进行了检测[4-5]；Yoon等利用AE传感器和应变片，监测了首尔 Dang-san铁路桥在动荷载作用下疲劳裂纹的发展[6]。本文通过对试验梁加载至破坏的声发射试验并采集声发射信号，利用相关的声发射分析方法对构件的损伤演化过程进行分析，并定性或定量地评估损伤程度，以实现钢筋砼构件损伤状态的AE信号识别。

1 实验方案

1.1 试验梁的制作

试验试件在工地加工成型，尺寸为150 mm×250 mm×1 200 mm，按照适筋梁配筋，其中受力筋HRB335，箍筋HPB300，如图1所示。在试件上浇筑C50商品混凝土，在养护至混凝土强度符合张拉要求后，张拉钢绞线并锚固。

图1 试件配筋示意图(mm)Fig 1 Schematic diagram of specimen reinforcement(mm)

1.2 声发射仪器及参数设置

试验的AE仪器为声华科技SAEU2 S-4通道USB系统，频率范围1 kHz～400 kHz，如图2所示。其16位A/D转换器，可以同时采集波形和AE参数。试验中撞击定义时间THDT通常采用峰值定义时间TPDT的2～3倍，而撞击闭锁时间THLT比撞击定义时间THDT要大20%左右。

根据测试对象和实验室的现场条件进行现场调试后，参数设置如表1所示。

图2 声发射仪器Fig 2 Acoustic emission instrument

表1 声发射检测参数设置Table 1 Setting of AE detection parameters

1.3 加载方式

采用油压千斤顶为加载仪器，其额定起重量为50 t，试验装置如图3所示。加载前为了减少噪音的影响，在几个接触点均加上隔音材料，同时也排除了加载过程中其他加载噪音对声发射信号的干扰。加载时需预加载2次，第一次是为了减少试验装置之间的间隙，第二次是为了消除钢筋与混凝土之间的原有缺陷。荷载采用分级加载方式，直至试件丧失承载力。各级加载力如表2所示。收集所有加载过程中的AE信号，得到图4所示的各级荷载的AE信号图( 由于第一级荷载较小，基本上没有AE现象，故图中没有画出第一级荷载的AE信号)。

2 声发射信号的参数分析

分析图4每一级荷载过程中AE信号的上升时间与幅值的相关性，得出如下结论：

图3 试验装置布置图Fig 3 Layout drawing of test device

表2 各级加载力Table 2 Loading force at all levels

(1)试件在初始损伤阶段，即加载至第2、3级荷载(图4a、图4b)时，数据点非常少，甚至没有，这是由于预应力的存在，加载初期的荷载由钢绞线承担了；同时该阶段声发射数据信号的幅值基本为70 dB以下的低幅值信号，且持续时间在500 μs以下，数据没有呈现离散性。

(2)试件在梁微裂缝形成阶段，即加载至第4、5级荷载(图4c、图4d)时，数据出现分散，但是分散性的程度还较小；随着幅值超过70 dB的AE信号的增加，集中在80～100 dB范围内的AE信号逐渐出现，但是信号还非常少；此时出现了持续时间在500 μs以上的AE信号，这是细微损伤的扩展阶段，也是微裂纹萌生阶段，加载初期的损伤在更高一级荷载的作用下，较小的损伤在应力集中的作用下汇聚成裂纹，混凝土之间的骨料出现开裂；这一阶段结构内部的损伤累积还处于较低的状态，其对构件承载力影响较小，结构外观完好。

图4 上升时间与幅值随加载周期的变化关系Fig 4 Relationship between rise time and amplitude with loading period

(3)试件在带裂缝工作阶段，即加载至第6级荷载(图4e)时，AE信号幅值点的离散性显著增加，说明此时是结构损伤累积的一个关键点(出现第一条宏观裂缝，图5a)；持续时间在500 μs以上的AE信号显著增加，同时在80～100 dB范围内的高幅值信号也有了显著增加，前几个阶段集聚的能量在此阶段得到释放。

试件在第7级荷载(图4f)时，AE信号幅值的离散性逐渐呈下降趋势，同时微裂缝汇集成较为明显的宏观裂缝；试件梁的跨中出现了细小的裂缝，裂缝贯穿于试件的侧面，并且进一步扩展。此时钢筋混凝土梁仍处于安全阶段。

(4) 试件梁的失效破坏阶段，即第8级荷载(图5b)至破坏(图4g～图4i)时，AE信号数据点明显增加，到第10级荷载达到了峰值；幅值在80～100 dB的信号显著增加，持续时间在1 000 μs以上的信号也明显增加，说明此时试件梁开始

进入失稳破坏阶段，试件梁出现较大的贯通截面裂缝，试件承载力迅速下降。

a 第6加载阶段

b 第8加载阶段 图5 宏观裂缝发展图Fig 5 Diagram of macroscopic fracture development

3 声发射幅值分析

通过试验发现，高幅值AE信号的增多可能是裂缝汇聚发展的征兆，所以应进一步分析AE信号幅值的变化规律。下面将信号幅值分为(0，60]dB、(60，70]dB、(70，80]dB、(80，+∞)dB 4个区间，得到各幅值区间信号的百分比，如图6所示。

图6 幅值信号百分比曲线Fig 6 Percentage curve of amplitude signal

由图6可知，试件加载至失稳破坏的过程中，AE信号幅值基本集中在(0，60]dB和(60，70]dB两个区间，且两个区间的信号数量很接近，都约在45%左右；而(70，80]dB和(80，+∞)dB的AE信号占信号总量的百分比有较大的波动，但总体呈现出增加的趋势。

在整个加载过程中，(60，70]dB区间的信号与试件裂缝的发展有关，因为整个加载过程中都伴随着损伤的出现，这些损伤不断地集聚成新的微裂缝，可以认为混凝土梁损伤发展至微裂缝的过程中产生较多的低幅值AE信号。而在加载前期产生的高幅值信号是由于钢绞线受力导致的，当加载到第8级荷载试件即将进入破坏阶段时，高幅值信号呈现出强烈的上升趋势，说明在荷载持续递增的情况下，试件的裂缝快速地向截面深处发展，直至贯通整个截面。

由上分析可知，高幅值AE信号[(80，+∞)dB]数量较少，构成构件的宏观裂缝；而中高幅值[(70～80]dB]信号数量比较多，代表了混凝土的微观裂缝。

4 基于ISA强度准则的预应力砼梁损伤分析

根据加载过程中采集到的AE信号，可以用信号强度分析(ISA)技术检测试件梁的损伤，并对试件梁的承载力进行安全评估。信号强度分析技术有2个重要的评估指标，分别为历史指标H和严重程度指数S。在预应力砼梁损伤分析中，可以通过采集损伤破坏的独立通道AE事件来统计这两个指标。

历史指标H使用如下公式计算[7-11]：

(1)

式中：H为历史指标；N为撞击数量；Si为第i个撞击的信号强度，mV；K为检测对象的经验衍生常数，对于混凝土材料，K可按表3取值。

表3 历史指数的K值Table 3 K values for Historical Index

严重指数S ，使用以下方程计算：

(2)

式中:S为严重指数，mV；J为基于材料的经验衍生常数；N为撞击数量；Sm为第m次撞击信号的强度，mV。对于混凝土材料，J按表4取值。

表4 严重程度指标的J值Table 4 J value of severity index

图7为试件不同强度区域声发射的特征，表5为各强度等级的含义。

图7 强度分析图表的例子Fig 7 Example of intensity analysis chart

基于强度分析准则，对C50试件梁的AE信号进行计算，得到历史指标H与严重程度指数S关系(图8)、加载阶段与历史指标H关系(图9)、加载阶段与试件梁应变关系(图10)。

a 梁1

b 梁2图8 预应力钢筋砼梁C50试件梁的ISA评价分析Fig 8 ISA evaluation and analysis of prestressed reinforced concrete beam C50 specimen beam

图9 试件各加载阶段的H值Fig 9 H value of specimen at each loading stage

图10 试件各加载阶段应变和H指标曲线Fig 10 The strain and H index curves of the specimen at each loading stage

由图8可知：第1、2级荷载处于A级水平，此时荷载主要有预应力承担，试件基本没有损伤，但有极少的AE信号，可能是噪音；第3级荷载在B级水平，试件从薄弱的地方开始聚合并演化成裂纹，此时有效的AE事件逐渐出现；第4、5级荷载处于C级水平，裂纹开始汇集成裂缝并进一步发展；第6、7级荷载处于D级水平，在这个阶段，表面裂缝向截面深处发展，开始出现较深的宏观裂缝(第7级荷载出现第一条裂缝，并贯穿保护层)；第8、9、10级荷载处于E级水平，此阶段宏观裂缝逐渐增加，到第10级荷载时出现贯穿截面的裂缝，此时构件进入破坏失效阶段。

由图9、图10可以看出：在荷载开始阶段，由于试件中张拉的预应力使试件下部混凝土处于受压状态，H指数和应变均较小，试件损伤较小；随着外部荷载的递增，AE信号的H指数显著提升，试件承载力逐步下降，更多的裂缝贯穿截面，试件逐渐进入失稳破坏阶段；当加载到第6级荷载附近时H指数急剧增长，微观裂缝开始发展成为宏观裂缝，而后较小的裂缝都会产生声发射活动。

从图10还可以看出：预应力钢筋砼梁的钢筋应变与H指数变化趋势非常接近，均是在第6级荷载发生突变，即宏观裂缝出现后曲线进入快速上升阶段。因此，H指数可以很好地演化试件的损伤，可以将H指标的快速上升视为试件从微观裂纹向宏观裂纹拓展的直接表现，由H值呈现上升的趋势可以推断有较大的损伤出现(也即出现宏观的裂缝)。

5 结论

根据梁各阶段的损伤破坏规律，利用相关方法对分级加载至破坏的预应力钢筋混凝土梁进行AE检测与信号分析，得出如下结论：

(1)试件梁加载过程中的AE信号与其损伤的发展过程有很好的相关性。根据钢筋混凝土梁各阶段的损伤特性，通过对其上升时间与幅值分布图的分析，得出梁损伤的4个阶段，即微损伤阶段、微裂缝形成阶段、带裂缝工作阶段和破坏失效阶段。

(2)在声发射分析中，不同幅值区间的信号代表不同损伤的类型。微裂缝的发展产生大量低幅值信号，而宏观裂纹的拓展产生少量的高幅值信号，高幅值信号能较好地体现结构重要损伤的特性。

(3)采用ISA信号强度分析准则能定性评价预应力钢筋混凝土的损伤状况，其中H指数能较好地跟踪结构关键性损伤的出现，H指数的上升直接反映了微裂纹向宏观裂纹的发展情况。