鋼筋混凝土板裂縫對聲發(fā)射波傳播特征影響

門進杰, 郭琳穎, 蘭 濤,3, 魏蓉蓉

(1.西安建筑科技大學 土木工程學院,西安 710055；2.結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點實驗室(西安建筑科技大學),西安 710055；3.中國船舶重工集團國際工程有限公司,北京 100021)

聲發(fā)射是材料在變形、裂縫產(chǎn)生及擴展過程中由于能量瞬間釋放而產(chǎn)生短暫的壓縮波的伴生現(xiàn)象[1].聲發(fā)射檢測技術(shù)具有實時動態(tài)、靈敏度高、對被檢測對象的接近程度要求不高等優(yōu)點，已成為無損檢測領域最具發(fā)展前景的檢測技術(shù)之一.在工程領域，聲發(fā)射現(xiàn)象被用來作為一種動態(tài)無損檢測技術(shù)，通過檢測加載過程中結(jié)構(gòu)缺陷釋放的聲發(fā)射信號來確定缺陷源的位置、損傷程度等特性，對工程的安全性評價具有重要作用[2].

目前，在混凝土結(jié)構(gòu)方面，聲發(fā)射檢測技術(shù)主要用于研究裂縫定位方法以及聲發(fā)射參數(shù)和混凝土材料損傷變量之間關系的建立.張黎明等[3]在大理巖常規(guī)三軸試驗中得到的理論起裂點與采用聲發(fā)射損傷定位得到的起裂位置較吻合，驗證了采用聲發(fā)射技術(shù)進行裂縫定位的有效性；朱宏平等[4]提出了混凝土聲發(fā)射特征參數(shù)與損傷演化的關系式，實現(xiàn)了采用聲發(fā)射特征參數(shù)量化評估混凝土的損傷大??；吳勝興等[5]指出幅度、振鈴、持續(xù)時間、聲發(fā)射信號能量、絕對能量、信號強度這些參數(shù)能夠較好體現(xiàn)混凝土軸拉損傷過程的階段性特征；王士民等[6]利用聲發(fā)射測試對盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的裂縫位置和損傷破壞過程進行了測試和分析；蘇懷智等[7]指出混凝土裂縫產(chǎn)生的范圍與聲發(fā)射事件均隨加載速率變化而變化；Sagar等[8-9]、Reginald等[10]通過研究混凝土材料基本特性與聲發(fā)射特征參數(shù)之間的關系，揭示混凝土裂縫產(chǎn)生、擴展和斷裂的損傷演化規(guī)律和結(jié)構(gòu)破壞機理；Tetsuya 等[11]通過研究聲發(fā)射參數(shù)與混凝土凍融循環(huán)之間的關系，得出了聲發(fā)射傳播速率與混凝土彈性模量相關的結(jié)論；Goszczynska 等[12]通過研究鋼筋混凝土梁裂縫不斷生長過程中聲發(fā)射信號參數(shù)特征的變化，總結(jié)出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基于耐久性的損傷評價標準；門進杰等[13]通過對鋼筋混凝土梁進行四點加載試驗，基于聲發(fā)射參數(shù)計算得到了構(gòu)件開裂與屈服時的裂縫位置，與試驗吻合較好.

研究表明，在鋼筋混凝土構(gòu)件開裂之前，聲發(fā)射波的波速、振幅等特性主要和混凝土強度、配筋情況、構(gòu)件尺寸等有關，然而，當混凝土開裂之后，由于聲發(fā)射波在裂縫界面會發(fā)生一定程度的折射、反射等現(xiàn)象，其傳播特征會發(fā)生變化.當波速和振幅的變化較大時，會影響傳感器所采集數(shù)據(jù)的準確性，進而影響傳感器的有效工作范圍.而目前在利用聲發(fā)射參數(shù)對裂縫進行定位等研究時，均沒有考慮已存在裂縫對聲發(fā)射波傳播特征的影響，這往往會導致定位誤差太大，很難直接得到令人滿意的結(jié)果.本文通過靜力加載和聲發(fā)射檢測試驗，研究鋼筋混凝土裂縫寬度、數(shù)量、深度對聲發(fā)射波波速、振幅衰減情況的影響，并對損傷定位中采用固定波速和考慮裂縫影響的修正波速精度問題做深入的探討，為推進聲發(fā)射檢測技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程的廣泛應用提供技術(shù)支撐.

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗設計了3個鋼筋混凝土板試件(B1、B2、B3)，試件尺寸均為1 500 mm×250 mm×150 mm，為探究裂縫參數(shù)對聲發(fā)射傳播特征的影響，3個試件保護層厚度取不同值，分別為10、20和40 mm.試件尺寸及配筋情況見圖1，采用HPB300級鋼筋(實測屈服強度為324 N/mm2)、C30級混凝土(實測抗壓強度為35.7 N/mm2)制作.試件制作、加載和聲發(fā)射測試均在西安建筑科技大學結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點實驗室完成.

1.2 靜力試驗加載裝置和加載制度

圖1 鋼筋混凝土板試件配筋圖(mm)

圖2 試驗加載裝置(mm)

1.3 聲發(fā)射測試方案

聲發(fā)射測試儀器采用北京聲華興業(yè)科技有限公司的SAEU2S數(shù)字聲發(fā)射系統(tǒng).

1.3.1 降噪方案和傳感器布置

1)降噪方案.在進行聲發(fā)射測試過程中，無法避免實驗室噪聲的存在.為了降低試驗場地周圍噪聲對所采集聲發(fā)射信號的影響，需要通過設置合適的門檻值剔除大部分噪聲信號.首先在實驗室用聲發(fā)射儀器采集噪聲，時間為30 min，為達到濾噪目的，門檻值的幅值需大于噪聲的振幅值.重設不同門檻值，采用同樣方法收集噪聲信號，以收集不到噪聲信號的門檻值為最終門檻值.通過不斷測試，當門檻值提高到40 dB時，儀器收集不到噪聲，門檻值低于40 dB時，儀器收集到少量噪聲，故設門檻值為40 dB是合理的.

2)傳感器布置.為了研究裂縫參數(shù)對聲發(fā)射傳播特征的影響，合理的傳感器布置能保證加載過程中裂縫產(chǎn)生的聲發(fā)射信號在有效范圍內(nèi)被傳感器接收到.試驗時設置4個傳感器S1、S2、S3、S4，并沿試件縱向中心線對稱布置于試件底部，見圖3“○”標記.

圖3 傳感器和斷鉛位置示意(mm)

1.3.2 斷鉛試驗

在靜力加載開始前需要進行一次斷鉛測試，利用斷鉛產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，設置聲發(fā)射儀器的時間采集參數(shù)；靜力試驗開始后，在每級靜力加、卸載后需再次進行斷鉛試驗，利用斷鉛產(chǎn)生的聲發(fā)射信號研究裂縫參數(shù)對聲發(fā)射傳播特征的影響.

自2017年8月“平安西江”專項行動開展以來，珠海海事局結(jié)合廣東海事局開展的各項專項行動加強現(xiàn)場檢查力度，擴大檢查范圍，重點核查船舶開展開航前自查情況、AIS及VHF開啟情況、船舶進出港報告情況，取得了良好的成效。2017年7月至今系列行動現(xiàn)場出動執(zhí)法人員2433人次，開展夜巡81次，巡查、值守時長累計超過2344小時，檢查船舶5092艘次，依法查處違章違法船舶201艘次。通過“平安西江”專項行動結(jié)合系列行動的開展，船舶違章違法行為得到了一定程度遏制和震懾，轄區(qū)水上通航秩序保持了良好態(tài)勢。

1)時間參數(shù)的設置.盡管有關文獻[14]給出了不同類型材料的時間參數(shù)取值范圍，聲發(fā)射信號的傳播特征在不同材料中卻差別很大.對于鋼筋混凝土構(gòu)件，混凝土強度、配合比、配筋率等因素均對其傳播特征有影響，無法直接使用文獻給出的時間參數(shù)值，需進行斷鉛試驗來確定具體的聲發(fā)射時間參數(shù).

靜力試驗加載開始前，在試件底部進行原位斷鉛試驗確定聲發(fā)射時間參數(shù).原位斷鉛試驗根據(jù)GB/T 18182—2012[15]推薦的方法模擬聲發(fā)射信號，斷鉛試驗時采用標準的0.5 mm粗的HB鉛芯，鉛芯伸出長度為2.5 mm，斷鉛時需保持斷鉛角度均為30°，在傳感器S1位置附近進行10次原位斷鉛，以此模擬脈沖聲發(fā)射信號.傳感器S2接收到10次模擬脈沖聲發(fā)射信號，取斷鉛信號上升時間的平均值確定時間參數(shù).通常把撞擊鑒別時間設置為峰值定義時間的2倍，撞擊閉鎖時間比撞擊定義時間略大.本文通過原位斷鉛試驗，得到的峰值定義時間、撞擊鑒別時間和撞擊閉鎖時間分別為50、100和250 μs.

2)裂縫影響的研究方案.每級加、卸載后觀察并記錄裂縫3個參數(shù)所對應的數(shù)據(jù).為了研究3個裂縫參數(shù)對聲發(fā)射傳播特征的影響，在加載前以及每級加載后、卸載后，均要在圖3所示5個斷鉛位置分別進行三次原位斷鉛試驗，圖3“●”代表斷鉛的位置，利用聲發(fā)射儀采集裂縫不同發(fā)展時期所對應的斷鉛信號.分析聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)并計算信號傳播距離為200 mm(傳感器S1-S2、S3-S4間距)、400 mm(傳感器S2-S3間距)、600 mm(傳感器S1-S3、S2-S4間距)、800 mm(傳感器S1-S4間距)的波速和振幅衰減值，在斷鉛點斷鉛三次，波速和振幅衰減值取平均值.根據(jù)裂縫參數(shù)狀態(tài)和聲發(fā)射波速和振幅衰減值為依據(jù)，研究裂縫參數(shù)對聲發(fā)射傳播特征的影響.另外在每級開始加載至加載結(jié)束和開始卸載至卸載結(jié)束過程中，采集裂縫不斷生長的聲發(fā)射信號，為后面進行裂縫定位做準備.本文在定位計算時，選取出現(xiàn)頻率較高位置處的10個聲發(fā)射數(shù)據(jù)作為定位計算的依據(jù).

1.4 試驗現(xiàn)象和裂縫測試結(jié)果

在加載過程中，板的撓度隨荷載的增加呈線性增長趨勢.對于3個試件，當加載到24 kN左右時，在板的側(cè)面均出現(xiàn)豎直微裂縫；隨著荷載的增大，板側(cè)裂縫數(shù)量、寬度、深度隨之增長，卸載后裂縫閉合.當加載至第4、5級，裂縫增長迅速，逐漸向跨中發(fā)展.隨后加載，裂縫發(fā)展緩慢，裂縫寬度明顯增大.當荷載分別達到73、66、59 kN左右時，3個試件的原有裂縫已經(jīng)延伸到靠近板頂受壓區(qū)，此時再無新裂縫產(chǎn)生，認為試件破壞，停止加載.卸載后，裂縫深度幾乎保持不變，無法再閉合.由于試件B1、B2、B3的保護層厚度不同，導致其有效高度不同，因此3個試件的極限承載力不同.

對于受彎構(gòu)件，其主要受力裂縫往往出現(xiàn)在側(cè)面.因此，本文以板的側(cè)面裂縫為研究對象，在每級加、卸載后，對試件產(chǎn)生的裂縫數(shù)量、最大寬度和最大深度進行測量.測量時，將板側(cè)面裂縫高度近似認為是裂縫深度，采用游標卡尺測量其寬度和深度，取所對應加載級別下原有裂縫和新產(chǎn)生裂縫的最大值作為最終結(jié)果，得到的數(shù)據(jù)見表1.表中S1-S2、S2-S3、S3-S4分別表示相應傳感器位置之間的裂縫情況.

2 裂縫對聲發(fā)射波傳播特征的影響分析

2.1 裂縫對聲發(fā)射波傳播特征的總體影響

2.1.1 裂縫對波速影響的總體特征

在不同加載等級下，3個試件的波速變化曲線見圖4.隨著荷載的增大，波速呈整體下降的趨勢，其下降程度大致可以劃分為3個階段.例如，對于試件B1在加載等級1～3之間波速的減小程度很小，在加載等級3～5之間的波速減小程度較大，約為18%；之后，波速的減小程度又變得有所緩和，直到加載結(jié)束.試件B2和B3的變化規(guī)律是一致的，只是變化時的荷載等級和減小程度有不同.

表1 試件的裂縫發(fā)展情況

圖4 荷載-波速曲線

分析其原因，在前三級加載過程中，板基本處于彈性階段，只有個別的細觀裂縫產(chǎn)生，因此對波速的阻礙作用很??；而當加載等級達到3級時，3個試件均開始產(chǎn)生宏觀裂縫，并逐漸進入裂縫發(fā)展的快速期，該階段的裂縫數(shù)量多、長度大、寬度大，且卸載后不能完全閉合，導致對波速的阻礙作用很大；之后，已開裂的裂縫逐漸趨于穩(wěn)定，且新裂縫的數(shù)量逐漸變少，使波速的減小程度又趨于緩和.從圖4還可看出，在整體上試件B1的波速最大，試件B2次之，而試件B3的波速最小，分析原因主要是受混凝土保護層厚度的影響，保護層厚度越大，受拉裂縫產(chǎn)生的越早、發(fā)展的也較為充分，進而影響波的傳播，波速就越小.而對同一試件，傳播距離較大時，測得的波速相對較小，分析原因是較大傳播距離內(nèi)所受裂縫的綜合影響更為嚴重，導致波速減小程度增大.

此外，從表1和圖4還可看出，對于同一試件，在加載和卸載階段，其波速變化規(guī)律是一致的，且相差很小.而在加載、卸載階段，裂縫的開、閉對應的裂縫寬度是不同的.因此，可以說裂縫寬度對聲發(fā)射波速的影響是很小的，幾乎可以忽略.

2.1.2 裂縫對振幅衰減影響的總體特征

圖5所示是在不同加載等級下，3個試件的振幅衰減曲線，從圖5可看出，隨荷載等級增加，振幅衰減呈整體增大的趨勢，增大趨勢大致劃分為兩個階段.在前兩級加載時，與未加載時相比，振幅衰減程度相差很小，試件B1、B2和B3的振幅衰減分別約為26、22、20 dB.當荷載等級達到第3級后，振幅的衰減程度不斷增大，有成比例增加的趨勢，直到加載結(jié)束.分析原因，在前兩級加載過程中，僅板內(nèi)部有個別細觀裂縫產(chǎn)生，對振幅衰減的影響很小.而當加載等級達到第3級時，由表1可知，3個試件均開始產(chǎn)生宏觀裂縫，隨著加載等級的增加，裂縫數(shù)量、長度、寬度均進入快速增長階段，卸載后裂縫不能完全閉合，并逐步進入裂縫發(fā)展的快速期，裂縫數(shù)量、長度、寬度的增長使得振幅衰減呈快速增長趨勢，此快速增長趨勢持續(xù)到加載結(jié)束.從圖5還可看出，試件B1振幅衰減最大，B2次之，B3衰減最小，分析其原因，3個試件僅有保護層厚度不同，受其影響混凝土有效高度依次減小，混凝土的損傷程度必不相同.對3個試件分別分析，傳播距離越大，振幅衰減越大，分析原因主要是隨著傳播距離的增加，其間包含的裂縫較多，對聲發(fā)射波的阻礙較大，振幅衰減隨之增大.

此外，從表1和圖5還可看出，對于同一試件，在加載和卸載階段，其振幅衰減規(guī)律是一致的，且相差很小.同樣可以說明裂縫寬度對振幅衰減的影響是很小的.

圖5 荷載-振幅衰減曲線

2.2 裂縫數(shù)量對聲發(fā)射傳播特征的影響

由2.1節(jié)可知，裂縫寬度對聲發(fā)射傳播特征幾乎沒有影響，因而在分析裂縫數(shù)量這一參數(shù)影響時，只需保證裂縫深度一致而裂縫數(shù)量不同即可，故在表1中選擇相同裂縫深度時的裂縫數(shù)量和對應的波速和振幅衰減情況進行分析.例如，對于試件B2，當加載到3步時，S1-S3范圍內(nèi)和S2-S4范圍內(nèi)(間距均為600 mm)的裂縫最大深度均為40 mm，而對應范圍內(nèi)的裂縫數(shù)量分別為3條和2條，如表2所示，相應范圍內(nèi)測得的波速和振幅衰減值也見表2.可以看出，裂縫數(shù)量由2條變化到3條時，相應的波速和振幅衰減值的變化分別為0.4%和2%，基本沒有變化.表2還給出了試件B2和B3在加載步為4和5時，S1-S3范圍內(nèi)和S2-S4范圍內(nèi)的裂縫數(shù)量和相應的波速和振幅衰減情況.同樣可以看出，裂縫數(shù)量對聲發(fā)射波速和振幅衰減的影響很小，其變化范圍均在5%以內(nèi).而3個試件在其他范圍內(nèi)、其他加載等級和加卸載時的影響規(guī)律是一致的.

2.3 裂縫深度對聲發(fā)射波傳播特征的影響

為了考慮更多裂縫的深度情況對聲發(fā)射傳播特征的影響，對于3個試件，均選取600 mm范圍內(nèi)的裂縫進行分析.得到的裂縫最大深度-波速關系曲線和裂縫最大深度-振幅衰減曲線分別見圖6、7.

表2 裂縫數(shù)量及對應的波速和振幅衰減值

從圖6可知，隨著裂縫深度的增大，波速逐漸減小，兩者之間基本呈線性關系變化.分析波速減小的原因，主要是當混凝土開裂之后，隨著裂縫深度的增大，聲發(fā)射波在混凝土內(nèi)部傳播時發(fā)生折射、反射的裂縫界面面積增大，這導致裂縫對聲發(fā)射波傳播的阻礙作用增大，進而造成波速的減小.由圖7可知，裂縫深度增大，振幅衰減隨之增大，兩者之間的關系也基本呈線性變化.分析振幅衰減增大的主要原因，也是裂縫截面的增大對聲發(fā)射波阻礙增大，導致振幅衰減更快更大.

圖6 裂縫最大深度-波速曲線

圖7 裂縫最大深度-振幅衰減曲線

對圖6、7的曲線變化規(guī)律進行線性擬合，則可分別得到裂縫最大深度dmax與波速V，與振幅衰減值M的關系式：

V=2 795.06-6.41dmax，

(1)

M=24.27+0.15dmax.

(2)

上述兩式擬合的相關系數(shù)R2均為0.89，擬合精度較高，得到的擬合曲線見圖6、7中的紅色虛線.上述兩式可作為聲發(fā)射波速和振幅衰減情況的修正公式，供鋼筋混凝土構(gòu)件聲發(fā)射檢測時參考.

3 基于修正波速的聲發(fā)射裂縫源定位分析

3.1 基于修正波速的時差定位法的提出

3.1.1 時差定位法的基本原理

傳統(tǒng)的時差定位方法，其基本原理見圖8.設傳感器S1和S2之間有一聲發(fā)射源，聲發(fā)射信號傳到S1、S2的時間分別為t1、t2，時間差Δt=t1-t2，設S1和S2間距為D，則根據(jù)聲發(fā)射波傳播波速v即可確定源點位置d.即

(3)

圖8 聲發(fā)射時差定位圖

3.1.2 基于修正波速的時差定位法的提出

研究表明，對于鋼筋混凝土構(gòu)件，在利用傳統(tǒng)時差定位法對裂縫位置進行定位時，在構(gòu)件的受力初期，其裂縫定位結(jié)果比較準確.但當裂縫隨著荷載的增大而擴展到某一地步時，采用傳統(tǒng)方法定位得出的裂縫位置與其實際位置差異較大.這主要是因為沒有考慮裂縫發(fā)展對聲發(fā)射波速的影響，采用彈性階段固定不變的波速造成的.

為了減小時差定位法的誤差，基于上述研究結(jié)果，本文提出在利用時差定位法對鋼筋混凝土構(gòu)件的裂縫位置進行定位時，需要考慮最大裂縫深度對聲發(fā)射波速的影響，即在構(gòu)件的不同受力階段，把測試得到的最大裂縫深度代入式(1)，得到考慮裂縫影響的等效波速，或稱修正波速.然后把修正波速代入式(3)，從而得到鋼筋混凝土構(gòu)件在不同受力階段的裂縫定位情況.將上述方法稱之為基于修正波速的時差定位法.

3.2 裂縫定位結(jié)果的對比分析

聲發(fā)射儀自帶軟件(USBAE)，可以利用時差定位法根據(jù)固定波速直接給出裂縫定位結(jié)果.且以裂縫可能出現(xiàn)地方的事件頻數(shù)表示分析得出的裂縫定位位置.以試件B2、B3為例，基于固定波速計算得到的裂縫定位圖分別見圖9(b)和圖10(b)，圖中的數(shù)字①～⑥表示裂縫的編號，其對應的裂縫來自試驗結(jié)果，即圖9(a)和圖10(a).圖中的數(shù)字3、4和5表示荷載加載等級.利用本文提出的基于修正波速的時差定位法，也可以計算得到試件B2、B3的裂縫定位圖分別見圖9(c)和圖10(c)，同樣是以事件頻數(shù)表示裂縫位置.

從圖9、10可看出，兩種方法得到的裂縫數(shù)量與試驗結(jié)果均是吻合的，即試件B2、B3的裂縫數(shù)量分別為6條(4級加載后)和4條(5級加載后).而兩種方法對裂縫位置的定位結(jié)果顯著不同，基于修正波速的裂縫定位結(jié)果不僅在整體上與試驗結(jié)果符合程度更好，而且每一條裂縫的定位精度均很高.兩種方法定位結(jié)果的誤差見表3.

圖9 試件B2的裂縫定位結(jié)果對比

圖10 試件B3的裂縫定位結(jié)果對比

由表3可知，基于修正波速定位方法的誤差較小，對每條裂縫來說， 誤差均在3%以下；而基于固定波速的定位方法誤差相對較大，對于試件B2和B3其最大誤差可達5%和11.5%.而隨著加載等級的增大，試件裂縫的發(fā)展，該誤差也越來越大，由于篇幅所限，本文未能列出其他荷載等級時的結(jié)果.分析原因主要是后者沒有考慮已出現(xiàn)的裂縫會影響聲發(fā)射傳播速度.從表3還可看出，對于試件B2的裂縫②、⑥，試件B3的裂縫①、②、④，基于修正波速定位方法的精度更高，而此處正好靠近傳感器的位置，說明離傳感器越近的裂縫，利用修正波速方法的優(yōu)勢更加明顯.

表3 兩種方法的定位誤差

4 結(jié) 論

對鋼筋混凝土板進行四點靜力加載破壞試驗和聲發(fā)射檢測，得到以下主要結(jié)論：

1)通過加、卸載試驗和聲發(fā)射測試，得到了波速和振幅衰減隨不同等級加、卸載荷載的變化關系.加卸載對波速和振幅衰減的影響很小，同時表明裂縫寬度對聲發(fā)射傳播特征的影響很??；混凝土保護層厚度增大，波速、振幅衰減均減小.

2)通過分析聲發(fā)射波速、振幅衰減和裂縫在不同發(fā)展階段對應關系，認為裂縫深度對聲發(fā)射傳播特征有顯著影響.得到了裂縫最大深度-波速、裂縫最大深度-振幅衰減關系式，此關系式可供鋼筋混凝土聲發(fā)射檢測、修正波速和確定傳感器的有效工作范圍時參考.

3)提出基于修正波速的時差定位法用于鋼筋混凝土構(gòu)件的裂縫定位.算例分析結(jié)果表明，采用此方法定位得到的裂縫位置與試驗結(jié)果吻合較好，定位誤差在3%以內(nèi).