基于声发射技术的混凝土梁损伤演化研究
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摘 要：材料中局部区域能量快速释放而产生瞬态弹性波的现象就称为声发射（Acoustic Emission简称“AE”）。大量的声发射信号，会产生在工程结构的混凝土材料拉伸损伤过程中。本文通过对声发射（AE）信号的数据进行分析，研究混凝土材料的损伤演变规律;发现声发射（AE）技术可以比传统百分表、应变仪技术能够超前检测出混凝土材料之细微变形及应变能的变化。因此将声发射技术应用于抗震防灾及工程结构的使用状态动态监测中，可以在抗震防灾及工程结构安全可靠度领域中实现在大数据框架下逐年提高大量房屋、桥梁、边坡、地下工程等类似工程结构使用寿命，产生良好的社会效益和经济收益。
关键词：声发射;混凝土材料;抗震防灾工程结构;安全可靠度
中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）01-0082-02
0 引言
声发射（Acoustic Emission，简称“AE”）技术是一种能实时监测混凝土内部损伤与扩展的动态无损检测技术。由于声发射是材料不均匀变形或裂缝开裂及扩展过程的伴生现象，伴随着混凝土性能的退化过程，混凝土材料中的孔隙、微裂缝和裂缝将随之而发展。所以，我们设想在损伤力学和声发射速率过程理论的基础上，构建单轴受压状态下混凝土材料的声发射特征参数与损伤演化间关系的关系描述方法，得到实现运用测量得到的声发射特征参数、能够最终量化评估混凝土损伤大小的监测方法。[1]本研究小组，对某实际工程结构的混凝土梁试样进行单轴压力下的声发射试验，得出混凝土的实际损伤量;进行了混凝土芯样的承载损伤发展评价;并应用Kaiser效应和Felicity效应的理论加以分析。本次试验的结果，充分证明了声发射技术，具有对混凝土损伤状态及发展过程评估之有效性和准确性。本技术因此将应用于目前国际上先进的工程结构使用寿命健康检测体系中，适时动态检监测重要工程结构的安全状态，对于贵州省抗震防灾及工程结构安全可靠度领域中重要工程结构的整体安全产生系统性保障效应，如图1所示。
1 实验原理
本实验对普通钢筋混凝土梁与增加新型碳纤维复合材料的梁的抗弯强度进行对比，分析新型碳纤维复合材料对钢筋混凝土梁的强度提高情况;使用声发射（Acoustic Emission，简称“AE”）技术，实时监测复合材料混凝土梁的内部损伤与扩展的动态状况，如图2所示[2]。
2 实验进程与分析
2.1 实验过程
（1）试件设计原理：钢筋混凝土简支梁正截面强度静载试验。
（2）在相同的条件下制作截面尺寸、配筋、混凝土强度均相同的四根简支梁，取其中的两根梁在梁底粘贴碳纤维板，然后加载并记录每根梁的开裂荷載、破坏荷载、挠度[3]。
（3）实验原理、理论计算。
未加碳纤维板梁开裂荷载：其中，Pcr=4.2kn;未加碳纤维板梁极限弯矩估算。
对于适筋梁：Pu=12.7KN;实验的试验梁为倒置，加载采用反力钢梁及拉杆，从下向上分级加载，在标准荷载以前共分5级荷载。第一级荷载值，即是在试件上的试验设备重量及自重等;第二级～第五级荷载值，是根据梁的设计强度而确定的[4]。
实验过程中，密切观察试件破坏特征并确定破坏荷载值，特别是当试件接近破坏时。
（1）受压区混凝土破损;
（2）纵向受拉钢筋屈服;
（3）混凝土的最大裂缝宽度达到1.5mm，在构件纵向受拉钢筋处。
2.2 实验主要设备及材料与试样
（1）实验采用的加载设备，拉杆、千斤顶测力计、反力钢梁、分配梁。（2）数字静态电阻应变仪（DH3818-2）。（3）百分表、表架。（4）刻度放大镜。（5）声发射仪器：Disp型数字化声发射系统，美国物理声学公司（PAC）;传感器型号为SR40-RIC，前置放大器增益为40dB，带通频率为10KHZ～2.5MHZ。（6）CMOS相机：MER-500-7UM-L型，中国大恒（集团）有限公司[5]。
实验梁尺寸及配筋：混凝土抗压设计值：C20，按浇制实件由压力机测得：
f=20.5（MPa）
钢筋强度：实验使用的受拉主筋Rg=235MPa（实际屈服强度）。
箍筋Rg=180MPa。
2.3 结果分析
从以上对于该实际工程结构的混凝土梁单轴受压状态下声发射现象分析，得到了量化的混凝土损伤结果;在此基础上，分析混凝土芯样的受力损伤破坏发展数据情况，并配合声发射技术的Kaiser效应和Felicity效应理论加以验证。试验数据结果表明：对于工程结构中的混凝土损伤评估，声发射技术是一种简便、快捷的动态方法;通过定量识别混凝土损伤大小，而了解混凝土内部裂缝形成与开展的过程，可以不需要知晓混凝土未损伤状态时的物理参数。对于工程资料不全、工程资料缺失的工程结构，评估其混凝土结构损伤状况以及评估混凝土结构曾经承受的最大应力，可以使用声发射技术来有效进行，如图3，图4所示[6]。
3 结论
声发射（AE）技术，检测混凝土材料之细微变形及应变能的变化，可以比传统百分表、应变仪技术能够超前更加超前、更加精细。同时，声发射（AE）技术可以在线实时监测，不受材料加工形状及表面结构的影响，对于混凝土损伤状态评估，是比较简便快捷的动态实用监测评价方法，如图5，图6所示[7]。
参考文献
[1] 雷兴林校，（日）縢山邦久，编著.声发射（AE）技术的应用[M].冯夏庭，译.冶金工业出版社，1996.
[2] 袁振明，马羽宽，何泽云，编著.声发射技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，1985.
[3] 陈龙珠，梁发云，等.防灾工程学导论[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.
[4] 黄建中，周钜乾.国内外防灾减灾科技应用的思考[J].华南地震，2006，26（4）92-98.
[5] 纪洪广，蔡美峰.混凝土材料断裂的声发射自相似性识别特征[J].岩石力学与工程学报，1999，18（2）：157-160.
[6] 纪洪广，裴广文，单小云.混凝土材料声发射技术研究综述[J].应用声学，2002，21（4）：1-5.
[7] 朱宏平，徐文胜，陈晓强，等.利用声发射信号与速率过程理论对混凝土损伤进行定量评估[J].工程力学，2008，25（1）：186-191.
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