砌體結(jié)構(gòu)軸心受壓和原位軸壓試驗聲發(fā)射信號參數(shù)特征分析*

李運富 張宏偉 馬 博 吳艷奇 李勝利

(1.鄭州市路通公路建設有限公司, 鄭州 450000; 2.鄭州大學土木工程學院, 鄭州 450001)

0 引 言

聲發(fā)射是材料在受到荷載或激勵作用時,其內(nèi)部以彈性波的形式釋放能量的現(xiàn)象。作為一種新興的無損檢測手段,由于其動態(tài)和實時性的優(yōu)勢,聲發(fā)射技術(shù)已經(jīng)被廣泛引用于金屬[1-3]、混凝土[4-8]和巖石[9-10]等土木工程領域。

目前關(guān)于聲發(fā)射信號的分析方法有兩種,即波形分析和參數(shù)分析法。Li等[11]對腐蝕的吊索進行疲勞加載試驗,結(jié)果表明對于不同的損傷機制,聲發(fā)射波形和頻率特征也不相同,根據(jù)聲發(fā)射累積能量曲線可以評估吊索的損傷程度。賴于樹等[12-13]提出混凝土內(nèi)高頻率信號由微裂紋產(chǎn)生,低頻率信號由宏觀裂紋產(chǎn)生,分析低頻率帶信號在不同階段的占比可為混凝土的臨界破壞提供預警。門進杰等[14]對鋼筋混凝土梁進行四點彎曲試驗并分析聲發(fā)射參數(shù)與荷載的關(guān)系,結(jié)果表明振鈴計數(shù)和能量可以用于評估鋼筋混凝土梁的開裂荷載和屈服荷載。Aggelis等[15]發(fā)現(xiàn)根據(jù)RA(上升時間與幅值之比)和AF(振鈴計數(shù)與持續(xù)時間之比)的變化可以判別混凝土內(nèi)損傷裂紋的類型(剪切和拉伸裂紋)。趙永川等[16]研究彈性波在砂巖內(nèi)的傳播衰減特性,結(jié)果表明高頻率信號的衰減程度要大于低頻率信號,聲發(fā)射信號在傳播過程中主頻會由高頻轉(zhuǎn)向低頻。

不難發(fā)現(xiàn),以上所述研究的材料多為勻質(zhì)性材料。由于砌體是砌塊和砂漿組成的復合材料,聲發(fā)射在砌體內(nèi)的研究較淺,應用較少,但仍有一些學者進行了相關(guān)研究[17-18],結(jié)果表明聲發(fā)射在砌體損傷評估方面存在著優(yōu)勢和潛力。對于砌體結(jié)構(gòu),由于聲發(fā)射信號在材料內(nèi)傳播時其衰減較大,加之波形分析法對設備硬件要求高,所以分析方法多采用參數(shù)分析[19]。在聲發(fā)射信號分析的相關(guān)研究中[20-22],聲發(fā)射振鈴計數(shù)、能量和頻率是常用的特征參數(shù)選擇。

本文基于聲發(fā)射技術(shù)對實驗室磚砌體試件和在役砌體磚墻分別進行了軸心受壓試驗和原位軸壓試驗,分析了在整個試驗過程中聲發(fā)射參數(shù)的變化特征,為后期聲發(fā)射現(xiàn)場實時監(jiān)測提供指導。

1 試驗方法

1.1 磚砌體試件軸心受壓試驗

根據(jù)規(guī)范《砌體基本力學性能試驗方法標準》[23],實驗室磚砌體試件長寬高分別為746,365,240 mm。砂漿配合比如表1所示,灰縫厚度為10 mm。試件加載樣式如圖1所示(S1、S2為傳感器)。

表1 砌筑砂漿配合比Table 1 Masonry mortar mix ratio kg/m3

圖1 磚砌體試件加載樣式Fig.1 The brick masonry specimen loaded in test

1.2 砌體磚墻原位軸壓試驗

現(xiàn)場原位軸壓試驗的測試對象為1幢6層磚混結(jié)構(gòu)的底層承重墻。該結(jié)構(gòu)為實心磚砌體和預制樓板的磚混結(jié)構(gòu)體系。測試墻體由實心黏土磚(MU10)和水泥砂漿(M7.5)砌成,測試前墻體上無明顯的裂縫?，F(xiàn)場測試設備如圖2所示(S3、S4為傳感器)。

圖2 原位軸壓試驗加載樣式Fig.2 The specimen loaded in in-situ test

1.3 聲發(fā)射監(jiān)測

由經(jīng)驗可知,砌體結(jié)構(gòu)內(nèi)裂縫多起始于砂漿。為此,試驗中傳感器布置在試件中間部位靠近灰縫的磚塊上。聲發(fā)射傳感器型號為RS-2A,每個試件的兩個傳感器對稱布置在試件的兩個側(cè)面上[24]。傳感器與試件表面涂抹一薄層的耦合劑來提高耦合效果。相關(guān)的聲發(fā)射采集參數(shù)如表2所示。兩試驗中試件的加載均采用力控制方式加載,試件的加載與聲發(fā)射信號的采集同步進行。當液壓試驗機和現(xiàn)場原位軸壓儀的壓力示數(shù)開始下降時,表明試件已達到失效狀態(tài),此時停止試驗。聲發(fā)射測試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 聲發(fā)射測試系統(tǒng)Fig.3 AE test system

表2 聲發(fā)射采集參數(shù)Table 2 AE acquisition parameters

2 結(jié)果與分析

由于兩次測試中試件的尺寸和材料不同,因此兩次測試中所采集的聲發(fā)射信號也有所不同。為了將從實驗室測試獲得的聲發(fā)射參數(shù)特征和原位軸壓試驗數(shù)據(jù)進行比較,本文采用聲發(fā)射信號參數(shù)隨加載應力變化的相對值來評估試件的損傷演變過程。

2.1 聲發(fā)射信號參數(shù)特征

2.1.1振鈴計數(shù)

聲發(fā)射振鈴計數(shù)指信號越過門檻值的振蕩次數(shù),如圖4所示,常用于評估材料的聲發(fā)射活動。兩次測試中4個傳感器(S1～S4)聲發(fā)射振鈴計數(shù)隨加載應力的變化如圖5所示。在加載初期,聲發(fā)射信號主要以微裂紋的萌生為主,聲發(fā)射信號較少,振鈴計數(shù)水平較低。隨著荷載的增大,聲發(fā)射在極限荷載的60%～70%處開始活躍,這主要是由于前期微裂紋在試件中的擴展和聚結(jié)形成了可見的宏觀裂紋。繼續(xù)加載,在極限荷載的90%處聲發(fā)射振鈴計數(shù)呈連續(xù)型急劇增加。這種急劇增加是裂紋從不穩(wěn)定擴展階段到破壞階段的演變,主要是由于砂漿和磚塊的裂縫相互連接在試件內(nèi)形成一條明顯貫通的主裂縫所致。試件破壞后的主裂縫樣式如圖6所示。

圖4 聲發(fā)射信號參數(shù)示意[8]Fig.4 The schematic diagram of AE signal parameters

圖5 實驗室和現(xiàn)場測試中聲發(fā)射振鈴計數(shù)的變化Fig.5 Variations of AE ring counts during laboratory and field tests

a—軸心受壓試驗; b—原位軸壓試驗。圖6 試件內(nèi)主裂縫Fig.6 Main cracks inside the specimens

2.1.2能 量

聲發(fā)射能量不是聲發(fā)射源釋放信號的絕對能量值,而是聲發(fā)射信號強度的相對大小。在物理意義上聲發(fā)射能量指信號檢波包絡線下的面積。4個傳感器采集到的聲發(fā)射信號能量變化如圖7所示。從圖7可以清楚地看到,4個傳感器S1～S4的能量變化趨勢非常相似。在加載荷載達到極限荷載的60%～70%之前,聲發(fā)射能量水平較低,但偶爾會出現(xiàn)一些較高的能量信號。繼續(xù)加載,能量的變化趨勢與聲發(fā)射振鈴計數(shù)基本相同,并且高能量信號不斷出現(xiàn)。當試件進入破壞階段時,聲發(fā)射信號的能量連續(xù)突增,能量在極限荷載下達到最大值。

圖7 實驗室和現(xiàn)場測試中聲發(fā)射能量的變化Fig.7 Variations of AE energy during laboratory and field tests

圖8 試件破壞階段聲發(fā)射信號峰值頻率和能量分布Fig.8 Distribution of peak frequencies and energy of AE signals in failure stage of the specimen

2.1.3峰值頻率

通過對聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量的變化特征分析,可以發(fā)現(xiàn)參數(shù)特征的變化與砌體試件的破壞過程相對應。砌體的整個受壓過程可大致分為3個階段:

1)階段1。開裂階段。該階段對應的應力小于極限應力的60%～70%,砌體表面出現(xiàn)大量肉眼可見的微裂紋,聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量較低,且這些信號與砂漿的壓實和微裂紋的產(chǎn)生有關(guān)。

2)階段2。不穩(wěn)定擴展階段。該階段是試件從階段1到階段3的過渡,因此被稱為不穩(wěn)定擴展階段。砌體表面的微裂紋出現(xiàn)了擴展,并延伸為宏觀裂紋。與階段1相比,此階段聲發(fā)射信號的能量和幅度明顯增加,這主要歸因于微裂紋的擴展和聚集。另外,由于砂漿的開裂變形,磚塊內(nèi)發(fā)生局部的應力集中,磚塊開始開裂。

3)階段3。破壞階段。該階段對應于應力的破壞階段超過了極限應力的90%。此時由于砂漿和磚塊的裂縫相互連接在試件內(nèi)形成了一條明顯貫通的主裂縫。此階段的明顯特征是振鈴計數(shù)和能量呈連續(xù)型急劇增大,在極限應力附近達到最大值。

從圖5和圖7可以看出,當試件上的應力超過極限應力的90%時,砌體的失效破壞是劇烈的。當高振鈴計數(shù)和高能量聲發(fā)射信號頻繁出現(xiàn)時,標志著結(jié)構(gòu)可能發(fā)生了較大的損傷,在砌體結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中,應該警示這類信號的產(chǎn)生。圖8描繪了在試件破壞階段,聲發(fā)射信號的能量和峰值頻率的分布。圖8表明,在試件的破壞階段,能量高的聲發(fā)射信號基本都處于低頻率帶,這可以作為試件失效的前兆和預警。

2.2 討 論

對于在實驗室條件下進行的磚砌體試件軸心受壓試驗和在役砌體磚墻的原位軸壓試驗,雖然兩次測試試件的尺寸和材料不同,但傳感器采集信號參數(shù)(振鈴計數(shù)、能量和峰值頻率)的變化特征非常相似。而且,在試件的不同損傷階段,聲發(fā)射參數(shù)特征呈現(xiàn)出了明顯的差異。據(jù)此,在后期的研究中,可以以實驗室研究為基礎,研究磚砌體試件在不同破壞樣式下(受壓、受剪和受彎)的聲發(fā)射參數(shù)變化特征,建立一個損傷樣式和聲發(fā)射參數(shù)特征相對應的聲發(fā)射數(shù)據(jù)庫。在現(xiàn)場實際監(jiān)測時,根據(jù)現(xiàn)場采集到的聲發(fā)射參數(shù)特征與數(shù)據(jù)庫比對,反演分析出被測試結(jié)構(gòu)的損傷樣式。

眾所周知,聲發(fā)射在砌體中應用受限的主要原因是在砌體材料中聲發(fā)射信號的高衰減。值得注意的是,相比于能量和幅值,聲發(fā)射振鈴計數(shù)的衰減速度較慢,主要原因是只有信號能量或幅值低于閾值時振鈴計數(shù)才發(fā)生衰減[25]。因此,在對大型砌體結(jié)構(gòu)實施聲發(fā)射實時監(jiān)測時,相對于其他參數(shù),聲發(fā)射振鈴計數(shù)是一個更好的參數(shù)選擇。

3 結(jié) 論

本文分別對磚砌體試件和在役砌體磚墻進行了實驗室軸心受壓和現(xiàn)場原位軸壓試驗,分析了兩種測試條件下聲發(fā)射參數(shù)的變化特征和試件的破壞過程。主要結(jié)論概括如下:

1)砌體受壓破壞的整個過程大致經(jīng)歷了開裂、不穩(wěn)定擴展和破壞三個階段,這三個階段的分界線分別為極限荷載的60%～70%和90%。根據(jù)振鈴計數(shù)和能量的變化可以判別砌體所處的損傷階段。

2)具有高能量和低頻率聲發(fā)射信號的大量出現(xiàn)可以作為砌體結(jié)構(gòu)失效前的先兆,為結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測提供預警。

3)相比于其他參數(shù),當聲發(fā)射技術(shù)應用于大型的砌體結(jié)構(gòu)實時監(jiān)測時,振鈴計數(shù)是最佳的參數(shù)選擇。