應(yīng)力歷史影響下混凝土應(yīng)力的激光超聲檢測

王瑰玫,廖 棱,張森華,張 洪,蔣合靖,周建庭*

(1.省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074;3.重慶交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074)

混凝土具備價格低、耐久性好和可塑性強等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于土木建筑工程中。但混凝土結(jié)構(gòu)由于過度加載、凍融、鋼筋銹蝕或堿硅反應(yīng)等因素引起的劣化若未被及時發(fā)現(xiàn)且持續(xù)發(fā)展會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞，帶來惡劣影響。而應(yīng)力作為控制工程結(jié)構(gòu)評價的指標[1]，可以反映混凝土結(jié)構(gòu)的安全性能，測得混凝土結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)力，即可準確評估結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)，對承載能力不足的結(jié)構(gòu)進行預(yù)防性維修與針對性加固，避免安全事故的發(fā)生，減少經(jīng)濟損失與人員傷亡。

目前混凝土應(yīng)力的檢測方法主要分為有損檢測方法和無損檢測方法。作為典型的有損檢測方法，應(yīng)力釋放法按鉆孔形式不同可分為盲孔法[2-3]、環(huán)孔法[4-5]和開槽法[6]。應(yīng)力釋放法原理清晰且操作簡單，但無法測得絕對應(yīng)力，且會損傷混凝土結(jié)構(gòu)，不適用于經(jīng)常性檢測。無損檢測方法主要包括聲發(fā)射法和尾波干涉檢測法、非線性超聲諧波檢測法、聲彈性應(yīng)力檢測法等超聲波檢測法。這些方法都是基于聲學(xué)提出的，通過分析聲波經(jīng)過混凝土?xí)r聲學(xué)參數(shù)的變化評估混凝土應(yīng)力。聲發(fā)射法的優(yōu)勢在于無需發(fā)射源，是一種被動檢測方法，但目前聲發(fā)射信號僅能定性判斷混凝土應(yīng)力水平[7]。尾波干涉檢測法測量結(jié)果靈敏度高、誤差小，但僅適用于混凝土應(yīng)力較小情況下的檢測[8-9]。非線性超聲諧波檢測法靈敏度高，也可應(yīng)用于混凝土材料的應(yīng)力測量，但諧波幅值易受噪聲影響[10]。聲彈性應(yīng)力檢測方法是基于聲彈性理論建立起來的一種方法，聲彈性理論指出彈性范圍和非線性應(yīng)力—應(yīng)變范圍內(nèi)均存在超聲波波速與應(yīng)力有關(guān)的現(xiàn)象[11-12]，因而聲彈性方法適用于混凝土應(yīng)力檢測。

超聲波法在混凝土應(yīng)力檢測中應(yīng)用較廣泛，但傳統(tǒng)超聲的激發(fā)與接收需要壓電換能器和耦合劑，超聲測試的靈敏度與帶寬會因耦合劑的存在產(chǎn)生很大的不確定性，測試時精度與空間分辨率會受限于換能器尺寸。激光超聲具有無需耦合劑、帶寬、空間分辨率高等優(yōu)點，可消除耦合劑帶來的附加影響，保證測試精度，遠程非接觸激發(fā)和接收超聲波信號的特點使其適用于惡劣環(huán)境下的檢測[13-14]。因此，為克服超聲波檢測方法的局限性，引入激光超聲技術(shù)激發(fā)超聲波。

由于近年來激光超聲技術(shù)在中外無損檢測領(lǐng)域多應(yīng)用于材料缺陷的探測[15]、材料性質(zhì)的表征[16]以及金屬殘余應(yīng)力的檢測[17]，目前尚未有激光超聲技術(shù)檢測混凝土應(yīng)力的相關(guān)研究。且在混凝土應(yīng)力的超聲檢測研究中多是采用單調(diào)加載試驗[18-19]，不符合在役混凝土結(jié)構(gòu)的實際受力情況，因此現(xiàn)設(shè)計循環(huán)荷載下的混凝土試件單軸加載試驗。同時，由于在傳播方式各異的多種超聲波中，有單調(diào)加載試驗[20]證明了僅沿樣品表面?zhèn)鞑サ娜鹄☉?yīng)用于混凝土應(yīng)力檢測方面的可行性，故采用激光激發(fā)的瑞利波檢測混凝土應(yīng)力。

結(jié)合當前激光超聲技術(shù)與混凝土應(yīng)力檢測研究現(xiàn)狀，現(xiàn)應(yīng)用聲彈性技術(shù)原理探討應(yīng)力歷史對激光超聲技術(shù)檢測混凝土應(yīng)力狀況的影響。采用自行搭建的激光超聲檢測裝置，開展單軸循環(huán)加載條件下混凝土試件的激光超聲試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行分析，研究應(yīng)力歷史對聲彈性效應(yīng)的影響，得到歷史應(yīng)力作用下混凝土絕對應(yīng)力的量化結(jié)果，提出基于激光超聲技術(shù)的混凝土應(yīng)力狀況檢測方法，以期為混凝土應(yīng)力狀況的檢測與評價提供參考。

1 聲彈性技術(shù)檢測原理

Hughes等[21]在Murnaghan[22]提出的非線性彈性理論基礎(chǔ)上，利用超聲波測得了物體的三階彈性常數(shù)，并提出了適用于各向同性材料的聲彈性效應(yīng)表達式。聲彈性效應(yīng)指出彈性波在固體材料中的傳播速度不僅與材料密度、二階彈性常數(shù)和高階彈性常數(shù)有關(guān)，還取決于材料所受應(yīng)力，單軸應(yīng)力作用下各向同性固體聲速與應(yīng)力關(guān)系為

(1)

式(1)中：ρ0為材料在零應(yīng)力狀態(tài)下的初始密度；Vij(i,j=1,2,3)為超聲波的傳播速度(i為波的傳播方向，j為波的偏振方向；當i=j時，Vij為縱波聲速VL；當i≠j時，Vij為橫波聲速VS)；λ和μ為Lame常數(shù)；l、m和n為Murnaghan常數(shù)；σ11為沿主應(yīng)力的法向應(yīng)力；K0=λ+2/3μ為材料在初始狀態(tài)下的體積模量。

在平面應(yīng)力狀態(tài)下，對式(1)進行一階線性簡化得到式(2)和式(3)，分別表示橫波和縱波波速與應(yīng)力的關(guān)系。

(2)

CL(σ22+σ11)

(3)

式中：VSσ與VLσ分別為橫波和縱波在任意應(yīng)力σ下的波速；VS0與VL0分別為橫波和縱波在零應(yīng)力下的波速；σ11和σ22為平面應(yīng)力狀態(tài)下沿主應(yīng)力的法向應(yīng)力；CS為橫波的聲彈性系數(shù)；CL為縱波的聲彈性系數(shù)。對于瑞利波來說，其質(zhì)點振動位移分量與橫波的傳播特性一致，因此瑞利波的聲彈性系數(shù)可等同于橫波的聲彈性系數(shù)。

單軸應(yīng)力下，平行于應(yīng)力方向的聲速對應(yīng)力更為敏感，因此垂直方向的應(yīng)力可忽略不計，令σ22=σ，σ11=0，瑞利波速度與應(yīng)力的關(guān)系為

(4)

式(4)中：σ為單軸應(yīng)力下的主應(yīng)力；VR為應(yīng)力加載狀態(tài)下的瑞利波速度；VR0為無應(yīng)力狀態(tài)下的瑞利波速度；CR為瑞利波的聲彈性系數(shù)。在得到無應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)力加載狀態(tài)下的瑞利波速度和聲彈性系數(shù)后，即可得到混凝土結(jié)構(gòu)當前狀態(tài)下的應(yīng)力。

2 激光超聲試驗

2.1 激光超聲試驗系統(tǒng)

為了實現(xiàn)混凝土應(yīng)力的激光超聲檢測，搭建了一套激光超聲試驗系統(tǒng)，如圖1所示，試驗系統(tǒng)由激光激發(fā)與接收裝置以及加載裝置組成，包括三維掃查平臺、Nd:YAG脈沖激光器、全反射鏡、透鏡、干涉式拾振器、示波器、PC端、300 t全自動壓力試驗機。

圖1 激光超聲試驗系統(tǒng)Fig.1 Laser ultrasonic test system

試驗中，將混凝土試件置于壓力試驗機的上、下壓盤之間，激光器激光與拾振器紅外線垂直對準試件測區(qū)。Nd:YAG脈沖激光器波長為1 064 nm，脈沖寬度2 ns，單束脈沖最大能量為10 mJ，發(fā)出的脈沖激光經(jīng)全反射鏡反射后入射至聚焦透鏡，并經(jīng)透鏡調(diào)焦后輻照到試件表面。三維掃查平臺的位移精度為1 mm，分別置于脈沖激光器與干涉式拾振器之下，通過移動激光器實現(xiàn)混凝土試件表面的激光掃描并控制拾振器移動至信號采集點。

輻照到試件表面的脈沖激光因融蝕作用產(chǎn)生超聲波，干涉式拾振器獲取傳播至采集點處的超聲波信號后將其轉(zhuǎn)換為電信號傳遞給PC端，示波器將電信號轉(zhuǎn)換為可視化波形。PC端用于控制采樣頻率、掃描方向、時間步長、加載步驟等參數(shù)，實現(xiàn)混凝土在荷載作用下激光掃描與超聲波信號接收的過程，并存儲試驗數(shù)據(jù)以供后續(xù)分析使用。

2.2 試件制備

選用設(shè)計強度等級為C40的混凝土試件進行激光超聲試驗，混凝土配合比設(shè)置如表1所示，按照混凝土試件制作標準共制備20個試件，每個試件的尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm，并分別按照設(shè)定好的標簽進行編號。澆筑完畢的試件在實驗室環(huán)境中固化1 d后從模具中取出，按照試驗所需齡期要求在標準養(yǎng)護條件下分別養(yǎng)護28、56、84 d。

表1 混凝土配合比設(shè)計Table 1 Concrete mix design

2.3 加載方案

將20個混凝土試件分成T1～T4共4組，加載方案如表2所示。T1組試件直接加載至破壞，T2～T4組試件則以2 MPa的步長通過300 t全自動壓力試驗機進行循環(huán)加載，最大加載應(yīng)力分別為12、18、28 MPa，6次循環(huán)后加載至破壞，從而探討歷史應(yīng)力對混凝土聲彈性效應(yīng)的影響。

表2 加載方案Table 2 Loading scheme

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 歷史應(yīng)力對混凝土聲彈性效應(yīng)的影響

T1組試件不加預(yù)壓直接加載至破壞，T2組試件則承受最大應(yīng)力分別為12、18、28 MPa的循環(huán)荷載，兩組試件齡期相同。加載試驗中信號采集點與激光激勵點間距固定為10 mm，即瑞利波傳播距離為10 mm。檢測得到零應(yīng)力狀態(tài)下的瑞利波初始速度后，對試件進行加載。由于放置在萬能試驗機上的試件會隨試驗機的振動而振動，導(dǎo)致拾振器與試件的相對位置變化，信號采集點偏離原位置。因此，對測點信號進行多次采集并取平均值，以減少試驗機工作特性造成的誤差。

根據(jù)瑞利波在不同應(yīng)力水平下的飛行時間結(jié)合傳播距離計算波速。由于不同試件的初始波速不同，以應(yīng)力作用下瑞利波速度與初始波速的比值VR/VR0作為相對波速來衡量波速變化。最終得到相對瑞利波速度與應(yīng)力的關(guān)系如圖2所示。

圖2 相對瑞利波速度與應(yīng)力關(guān)系Fig.2 Relation between relative Rayleigh wave velocity and stress

對于直接受壓至破壞的T1組試件，隨著應(yīng)力的增加，T1-1試件瑞利波速度逐漸減小，當荷載加載到8 MPa時波速突然增加，增加的趨勢持續(xù)到16 MPa，之后繼續(xù)減小直至破壞，T1-2試件隨著應(yīng)力的增加，瑞利波速度則呈先減小后增加的趨勢。對于齡期相同的兩試件，瑞利波速度在缺陷的發(fā)展以及應(yīng)力增加共同作用下均呈不規(guī)律變化，不能得到良好的波速與應(yīng)力間比例關(guān)系。

以T2組承受最大應(yīng)力為12 MPa循環(huán)荷載的試件為代表，從瑞利波速度隨應(yīng)力的變化關(guān)系中可以看出瑞利波速度測量顯示出明顯的應(yīng)力依賴性，循環(huán)荷載作用下，瑞利波在混凝土中的波速隨應(yīng)力的變化規(guī)律是相似的。在前兩個循環(huán)階段，瑞利波速度隨循環(huán)荷載的變化是不規(guī)律的，這是由于當應(yīng)力增加到一定水平時混凝土內(nèi)部開始出現(xiàn)微裂縫等內(nèi)部缺陷，且隨著應(yīng)力的逐漸增加，微裂縫等損傷的發(fā)展與應(yīng)力影響相互抵消，使應(yīng)力對波速的影響減弱，造成了波速隨應(yīng)力的不規(guī)則起伏變化，但此時混凝土并未發(fā)生塑性破壞。若干次循環(huán)加載后，循環(huán)的荷載導(dǎo)致微裂縫逐漸閉合，損傷趨于穩(wěn)定狀態(tài)，在這之后的荷載循環(huán)階段，如圖2中的循環(huán)3～循環(huán)6，每一循環(huán)中速度—應(yīng)力曲線的斜率接近，卸載后零應(yīng)力狀態(tài)下的波速差距很小，波速與應(yīng)力呈穩(wěn)定的正比例關(guān)系，混凝土內(nèi)沒有產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性損傷。

而對于從零應(yīng)力重新加載至破壞的循環(huán)7，根據(jù)Kaiser效應(yīng)，在穩(wěn)定的介質(zhì)中，應(yīng)力水平超過該介質(zhì)應(yīng)力歷史中的最大水平時會出現(xiàn)新的微裂縫。因此當混凝土軸壓逐漸增大時，新出現(xiàn)的微裂縫導(dǎo)致瑞利波在混凝土中傳播速度的降低。所以在應(yīng)力水平較低時，混凝土的波速仍然隨著應(yīng)力的增大線性增加，但當應(yīng)力超過應(yīng)力歷史中的最大水平時，新的損傷逐漸形成，斜率隨之發(fā)生變化，波速隨應(yīng)力增加的趨勢變緩，甚至下降，直至出現(xiàn)不可恢復(fù)的塑性損傷，混凝土試件破壞。因此對于從零應(yīng)力狀態(tài)重新加載至破壞的循環(huán)7，其波速與應(yīng)力的關(guān)系在整個加載階段并不是完全線性的。至于最后階段瑞利波速的突變，判斷為萬能試驗機千斤頂?shù)奶乖嚇优c激光之間的相對位置發(fā)生變化導(dǎo)致的，這一突變并不影響波速與應(yīng)力間的整體關(guān)系。

通過齡期相同加載方式不同試件的瑞利波速度與應(yīng)力關(guān)系的對比結(jié)果可以看出，隨荷載的增加，未經(jīng)預(yù)壓的試件其波速在缺陷發(fā)展以及應(yīng)力增加的共同作用下呈不規(guī)則變化，而循環(huán)荷載作用下的試件在內(nèi)部損傷穩(wěn)定后，其波速與應(yīng)力在荷載循環(huán)階段呈穩(wěn)定的正比例關(guān)系，因此選用經(jīng)受循環(huán)荷載的試件分析波速與應(yīng)力關(guān)系，既符合在役混凝土結(jié)構(gòu)受力特性，分析結(jié)果也更具有可靠性。

3.2 混凝土絕對應(yīng)力檢測

根據(jù)式(4)，聲彈性系數(shù)為瑞利波速度相對變化與材料所受單軸應(yīng)力間線性關(guān)系的斜率，因此對實測瑞利波相對速度與應(yīng)力變化曲線的線性部分進行擬合即可確定聲彈性系數(shù)。以T3組試件為例，將線性關(guān)系較好的任意循環(huán)階段相對波速處理為式(4)等式左邊形式并與應(yīng)力進行線性擬合，由于同一齡期試件聲彈性系數(shù)相差不大，選用T3-12-1試件循環(huán)5階段線性擬合得到的最優(yōu)聲彈性系數(shù)以及T3組各試件循環(huán)7階段的相對波速計算該組混凝土試件的絕對應(yīng)力，計算結(jié)果與實際應(yīng)力的誤差Δσ如圖3所示。

由于混凝土自身材料特性的影響，不同試件的聲彈性系數(shù)是有所差異的，因此采用同一聲彈性系數(shù)計算得到的混凝土應(yīng)力勢必存在誤差。誤差值的大小不僅受材料特性影響，更多的是受應(yīng)力水平影響。圖3中，混凝土試件從無應(yīng)力狀態(tài)加載至破壞狀態(tài)的整個階段，T3-12-1試件計算結(jié)果的平均誤差最大，為5.15 MPa，T3-28-2試件平均誤差最小，為2.86 MPa，整組試件平均誤差為3.68 MPa。當混凝土試件內(nèi)應(yīng)力尚未達到歷史最大應(yīng)力之前，計算結(jié)果與實際應(yīng)力的最大誤差僅為4.76 MPa，平均誤差均在2 MPa以內(nèi)，誤差百分比在5%以內(nèi)，可滿足實際工程需要。

圖3 T3組試件基于聲彈性效應(yīng)計算的混凝土絕對應(yīng)力與實際應(yīng)力誤差ΔσFig.3 The error Δσ between absolute stress and actual stress of concrete calculated by acoustoelastic effect in group T3

但由于循環(huán)7階段試件相對波速與應(yīng)力的關(guān)系并不是完全線性的，所以在波速-應(yīng)力曲線的非線性部分，計算誤差最大可達10 MPa左右，出現(xiàn)在歷史最大應(yīng)力之后。而對于T3-12-1與T3-12-2試件，由于其歷史最大應(yīng)力僅為12 MPa，相對較小，所以試件內(nèi)部在較早的時間內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)新的微裂縫，隨微裂縫持續(xù)發(fā)展，波速與應(yīng)力逐漸呈非線性關(guān)系。此時根據(jù)聲彈性公式進行線性計算，出現(xiàn)了高達18 MPa的計算誤差，出現(xiàn)在混凝土試件破壞前。由于本文僅進行了最大應(yīng)力為12、18、28 MPa的循環(huán)加載試驗，所以無法給出歷史最大應(yīng)力與基于聲彈性效應(yīng)的混凝土計算應(yīng)力誤差間的定量關(guān)系。

在實際工程中，由于混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)受的歷史最大應(yīng)力不能確定，所以根據(jù)聲彈性公式得到的混凝土絕對應(yīng)力計算結(jié)果不是絕對正確的，但具有一定的參考意義。只需對混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)留試件進行標定得到聲彈性系數(shù)，利用激光超聲方法檢測得到瑞利波相對速度即可確定混凝土構(gòu)件絕對應(yīng)力。

3.3 混凝土應(yīng)力狀況判別

受應(yīng)力歷史影響，基于激光超聲的混凝土絕對應(yīng)力計算方法具有一定局限性，所以根據(jù)試驗結(jié)果進一步分析波速與應(yīng)力關(guān)系。試驗中得到的瑞利波速度的測量結(jié)果清楚表明，瑞利波速度與應(yīng)力密切相關(guān)，為了獲得通常情況下的速度-應(yīng)力關(guān)系，將試驗中的第7個加載周期中采集的波速測量值單獨討論。在這個循環(huán)過程中，試件從無應(yīng)力狀態(tài)逐步重新加載直至破壞。將測點應(yīng)力與實測極限應(yīng)力的比值σ/σs定義為相對應(yīng)力，混凝土試件波速與相對應(yīng)力的關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同齡期混凝土試件相對瑞利波速度與相對應(yīng)力關(guān)系Fig.4 Relation between relative Rayleigh wave velocity and relative stress of concrete specimens of different ages

圖4中，混凝土試件從無應(yīng)力狀態(tài)逐步重新加載直至破壞，各試件的波速大小因混凝土自身材料特性影響不盡相同，但變化趨勢相似，各齡期試件波速隨應(yīng)力的變化曲線主要分為3個階段。

(1)混凝土應(yīng)力未達到歷史最大應(yīng)力之前。此階段內(nèi)混凝土由于之前循環(huán)荷載作用，內(nèi)部微裂縫閉合并保持穩(wěn)定，波速變化的主要誘因是應(yīng)力的作用，因此根據(jù)聲彈性效應(yīng)，波速與應(yīng)力呈正比關(guān)系，隨應(yīng)力增加平穩(wěn)上升。

(2)混凝土應(yīng)力處于歷史最大應(yīng)力和70%的極限強度之間，此階段是應(yīng)力過渡期，混凝土內(nèi)部損傷的發(fā)展與應(yīng)力的增長相互制約，導(dǎo)致波速—應(yīng)力曲線斜率受影響增大。

(3)混凝土應(yīng)力已超過70%的極限強度，此階段混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了新的微裂縫，隨應(yīng)力增加微裂縫持續(xù)發(fā)展并逐步了抵消應(yīng)力對波速的影響，使波速增加趨勢逐漸變緩甚至下降，直至出現(xiàn)不可恢復(fù)的塑性損傷，混凝土試件破壞。

圖4(b)中T3-28-1試件波速-應(yīng)力曲線的特殊性，推斷是由于歷史最大應(yīng)力與混凝土70%極限抗壓強度相等，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部損傷的穩(wěn)定性持續(xù)時間較長，波速-應(yīng)力變化曲線的過渡期同階段(1)和階段(3)融合，但總體上該試件仍符合混凝土中波速-應(yīng)力變化關(guān)系。

通過圖4中波速-應(yīng)力曲線的變化可看出70%的極限應(yīng)力可作為混凝土應(yīng)力狀況判別的臨界線。結(jié)合相關(guān)文獻[23]結(jié)論以及本文試驗結(jié)果，當應(yīng)力處于70%的極限應(yīng)力以下時，混凝土處于應(yīng)力工作階段，安全可靠性高；當應(yīng)力超過70%的極限應(yīng)力后，混凝土處于應(yīng)力過載階段，應(yīng)引起足夠重視。

根據(jù)混凝土的波速-應(yīng)力曲線，將70%的極限應(yīng)力作為混凝土應(yīng)力狀況判別界限，當混凝土試件的應(yīng)力小于判別界限時，瑞利波速度始終沒有達到最大值，當應(yīng)力超過判別界限之后，波速相對于判別界限對應(yīng)的波速值有大于和小于兩種情況。

根據(jù)上述情況，提出了一種基于激光超聲的混凝土應(yīng)力狀況判別方法，該方法由兩個步驟構(gòu)成。

步驟1 定義安全系數(shù)Vβ。

(5)

圖5 安全系數(shù)Vβ與相對應(yīng)力關(guān)系Fig.5 Relation between safety factor Vβ and relative stress

將相對應(yīng)力為0.7，安全系數(shù)等于1時對應(yīng)的點稱為臨界點，0.7的相對應(yīng)力稱為臨界應(yīng)力。安全系數(shù)大于1時對應(yīng)的應(yīng)力均已超過臨界應(yīng)力，處于應(yīng)力過載階段，而當安全系數(shù)小于1時，混凝土應(yīng)力值大部分都小于臨界應(yīng)力，但也存在比臨界應(yīng)力大的情況。為了區(qū)分安全系數(shù)小于1時的應(yīng)力區(qū)間，引入步驟2。

步驟2 斜率判別法，構(gòu)造安全系數(shù)與應(yīng)力的關(guān)系模型為

(6)

式(6)中：(Vβ)σ為任意應(yīng)力狀態(tài)下的安全系數(shù)；(Vβ)σ0.7=1為相對應(yīng)力0.7時的安全系數(shù)；k1和k2分別為應(yīng)力工作階段和應(yīng)力過載階段的斜率；c1和c2均為常數(shù)，取決于混凝土自身材料特性。

根據(jù)式(6)，當安全系數(shù)小于1時，若斜率大于0，則混凝土的相對應(yīng)力小于0.7，處于應(yīng)力工作階段，若斜率大于0時，混凝土的相對應(yīng)力大于0.7，處于應(yīng)力過載狀態(tài)。

因此，通過對混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)留試件進行標定，得到該試件達到70%極限應(yīng)力時對應(yīng)的相對瑞利波速度，應(yīng)用激光超聲方法測量零應(yīng)力狀態(tài)下的波速(由混凝土結(jié)構(gòu)對應(yīng)力最不敏感部位的測量波速近似得到)以及待測部位波速，通過式(5)計算得到安全系數(shù)。當安全系數(shù)大于1時可直接判斷混凝土結(jié)構(gòu)測區(qū)處于應(yīng)力過載階段，需要對該測區(qū)進行綜合檢測與評估，采取針對性加固，防止安全事故的發(fā)生；當安全系數(shù)小于1時，通過式(6)計算得到的斜率進一步判斷混凝土所處應(yīng)力區(qū)間，若斜率為正，混凝土同樣處于應(yīng)力過載階段，若斜率為負，則測區(qū)處于應(yīng)力工作階段，進行日常養(yǎng)護即可排除安全隱患。

4 結(jié)論

探究了應(yīng)力歷史對激光超聲技術(shù)檢測混凝土應(yīng)力的影響，設(shè)計了激光超聲試驗系統(tǒng)，對三種齡期的混凝土試件進行單軸加載試驗，主要試驗結(jié)論如下。

(1)混凝土中的瑞利波速度與應(yīng)力相關(guān)，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力依賴性。多次循環(huán)荷載作用下，混凝土試件的內(nèi)部缺陷逐漸穩(wěn)定，其波速與應(yīng)力在荷載循環(huán)階段呈穩(wěn)定的正比例關(guān)系。

(2)根據(jù)聲彈性公式，由實測瑞利波相對波速與應(yīng)力擬合得到的聲彈性系數(shù)可用于計算混凝土試件絕對應(yīng)力，計算應(yīng)力與實際應(yīng)力的誤差受應(yīng)力歷史影響。

(3)經(jīng)受過循環(huán)荷載的試件從無應(yīng)力狀態(tài)重新加載直至破壞，其波速-應(yīng)力曲線主要分為三個階段，各階段的區(qū)別表現(xiàn)在斜率的不同，每兩階段間的界限分別為歷史最大應(yīng)力與70%的極限應(yīng)力。通過對混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)留試件標定得到相對應(yīng)力為0.7時的相對瑞利波速度，并采用激光超聲方法量測混凝土結(jié)構(gòu)測區(qū)零應(yīng)力狀態(tài)和當前應(yīng)力狀態(tài)下的波速，即可利用本文提出的基于激光超聲的安全系數(shù)法和斜率判別法結(jié)合判斷混凝土結(jié)構(gòu)測區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)。

(4)應(yīng)用激光超聲技術(shù)檢測混凝土應(yīng)力時，受應(yīng)力歷史影響，在整個應(yīng)力加載階段中波速與應(yīng)力的關(guān)系并非絕對線性。因此通過聲彈性公式計算得到混凝土絕對應(yīng)力后，可通過本文提出的基于激光超聲的混凝土應(yīng)力狀況判別方法加以補充判斷。