鋼筋混凝土柱加載試驗AE監(jiān)測研究

李 旭，霍林生，李宏男

（大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116023）

地震作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞屬動態(tài)破壞范疇。與靜態(tài)破壞相比，結(jié)構(gòu)在動態(tài)荷載作用下力學(xué)特性不同［1］。現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［2］均依據(jù)靜態(tài)力學(xué)特性，未考慮其動力特性，即率相關(guān)特性。因此，研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)動態(tài)力學(xué)特性具有重要意義。已有的針對鋼筋混凝土材料、構(gòu)件［3－5］及結(jié)構(gòu)［6］動態(tài)加載試驗研究多在荷載－位移宏觀力學(xué)特性基礎(chǔ)上進行，而由聲發(fā)射角度分析動態(tài)加載過程中構(gòu)件內(nèi)部斷裂特性及損傷研究尚未展開。

聲發(fā)射（Acoustic Emission，AE）指材料斷裂中釋放彈性波現(xiàn)象。AE方法能捕捉到結(jié)構(gòu)內(nèi)部微小裂紋產(chǎn)生過程，而斷裂為結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷的主要原因［7］。因此，AE技術(shù)廣泛用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測及損傷評估。針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的 AE評估方法，Ohtsu等［8－9］提出AE速率理論，用于評估實際混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強度。據(jù)混凝土Kaiser效應(yīng)，NDIS－2421標(biāo)準(zhǔn)［10］用于評估鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷情況［11］。而b值理論［12］能捕捉微裂紋從形成到宏觀拓展過程，用于監(jiān)測試驗及全尺寸結(jié)構(gòu)裂紋開裂狀況［13］。宏觀裂紋貫穿常伴隨施加荷載的突變、結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力驟降及內(nèi)力重分布。因此b值變化能體現(xiàn)施加于結(jié)構(gòu)外部荷載情況［14］，亦作為構(gòu)件內(nèi)力重分布方法［15］。

本文由AE角度分析鋼筋混凝土柱承受動、靜態(tài)加載的斷裂及損傷特性。進行40 mm／s，0.1 mm／s兩種加載速率鋼筋混凝土柱的多維加載試驗，以b值理論為基礎(chǔ)，對比分析鋼筋混凝土柱動、靜態(tài)斷裂特性及損傷狀況。

1 b值理論

b值源于地震學(xué)由 Richter［12］提出，逐步用于 AE分析。b值理論的提出基于：對頻率較低的AE事件，其幅值較高，相反頻率高的AE事件幅值較低。因此Richter通過計算幅值分布斜率即b值統(tǒng)計AE事件的幅值分布規(guī)律。b值表達(dá)式為

式中：N為AE信號峰值幅值（單位dB）；幅值大于AdB累計的AE事件數(shù)時a為常數(shù)；b值為不同幅值的AE事件分布斜率。

b值變化體現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。圖1為兩種裂紋狀態(tài)的b值。處于微裂紋拓展?fàn)顟B(tài)時，統(tǒng)計的一組AE事件數(shù)內(nèi)幅值較大的AE事件數(shù)占比較小，b值較大；裂紋狀態(tài)由微觀發(fā)展到宏觀階段時幅值較大AE事件比例增加，b值隨之降低。b值既反應(yīng)內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生、擴展的演化過程，亦反應(yīng)內(nèi)部裂紋尺度的變化，因此b值與裂紋的分形特征密切相關(guān)。理論上分形維數(shù)與b值存在2倍關(guān)系，李元輝［16］研究表明，b值與分形維數(shù)變化趨勢相同。

圖1 兩種裂紋狀態(tài)幅值分布Fig.1 The amplitude distribution from two states of crack condition

因此，通過b值分析可判斷宏觀裂紋發(fā)生時刻。定義荷載比LR為

式中：Fc為宏觀裂紋開裂時荷載；Fu為周期內(nèi)極限荷載。

LR描述發(fā)生宏觀裂紋時施加于結(jié)構(gòu)的荷載狀況。LR越大發(fā)生宏觀斷裂所需荷載越大，結(jié)構(gòu)損傷越小；反之，結(jié)構(gòu)損傷越嚴(yán)重。因此，用b值分析捕捉宏觀裂紋拓展時刻，并結(jié)合此時受力狀況可分析裂紋宏觀拓展時荷載狀態(tài)。宏觀裂紋拓展常伴隨較大損傷，故LR可體現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康狀況。b值理論提供的不同裂紋長度AE事件統(tǒng)計信息為

式中：N（≥L）為裂紋長度≥L的累計AE事件數(shù)。

裂紋產(chǎn)生、增長為結(jié)構(gòu)損傷主要原因［17］，b值理論提供的結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)，即用以電壓為單位幅值A(chǔ)0重新表示式（1），引入幅值分布時間參數(shù) βt［18］

式中：N（≥A0，t）為幅值≥A0的累計 AE事件數(shù)。βt為損傷增長速度。

圖2中βt＝1為損傷臨界值，βt＜1時N的增長速度緩慢；βt＞1時N急劇增長，表明結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，承載力喪失，結(jié)構(gòu)瀕臨倒塌狀態(tài)。

圖 2 βt三種情況Fig.2 The illustration ofβt with three conditions

2 鋼筋混凝土柱動、靜態(tài)雙向加載試驗

為分析率相關(guān)效應(yīng)對鋼筋混凝土內(nèi)部斷裂特性及損傷特性影響，進行鋼筋混凝土柱動、靜態(tài)多維加載試驗。試件用C50強度混凝土，尺寸、配筋見圖3，單位為mm。

采用軸向施加恒荷載方式，橫向用二維雙向循環(huán)加載，見圖4。軸向施加100 kN恒荷載，橫向按位移加載，加載曲線見圖5。選4根構(gòu)件，試件1、3采用速率0.1 mm／s準(zhǔn)靜態(tài)加載，試件 2、4用加載速率 40 mm／s動態(tài)加載。將4個壓電類傳感器置于距柱底400 mm的中線上（圖3）。數(shù)據(jù)采集設(shè)備為Physical Acoustic（PAC）系統(tǒng)，采樣頻率1 MHz，前置放大器40 dB，閾值電壓45 dB。同步記錄加載過程荷載位移曲線與每個AE事件時間歷程信號。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中AE源包括水泥與骨料、水泥間斷裂、骨料間摩擦及鋼筋與混凝土間脫粘等，故鋼筋混凝土破壞的AE信號特性較復(fù)雜［7］。由于b值為對AE幅值分布的統(tǒng)計規(guī)律，本文試驗中忽略AE源影響。文獻［19］討論尺寸效應(yīng)對AE影響，認(rèn)為裂紋大小分形特征與試件尺寸無關(guān)，b值可統(tǒng)計不同裂紋長度的分布信息，故本文所求b值與 βt均忽略試件尺寸效應(yīng)影響。

圖3 鋼筋混凝土柱尺寸及配筋（單位：mm）Fig.3 The dimension and reinforcement layout of reinforced concrete beam

圖4 加載裝置Fig.4 The loading equipment

圖5 兩方向加載譜Fig.5 The load spectral in two directions

圖6 一個周期循環(huán)荷載曲線及對應(yīng)b值Fig.6 The load curve and corresponding bvalue in a circle

圖7 試件1、2的LR值Fig.7 The LR value in specimen 1 and specimen 2

取100個AE事件為一組，利用最小二乘法曲線擬合計算每組信號b值。圖6為試件1第一個循環(huán)階段荷載曲線與同步AE幅值統(tǒng)計及b值。由圖6看出，由228.6 s時刻開始（圖中虛線位置）b值急劇下降，荷載開始由彈性（圖中直線段）到彈塑性轉(zhuǎn)變，由于宏觀裂紋出現(xiàn)并增多，構(gòu)件承受荷載能力減弱，此時荷載即宏觀開裂發(fā)生時荷載。因此，b值突然下降時刻對應(yīng)荷載即宏觀裂紋開始時刻荷載。分別計算試件1、2在X，Y兩方向前10個周期內(nèi)LR值，見圖7。由圖7看出，隨加載周期增加LR逐漸減小，即隨破壞的嚴(yán)重，較小外部荷載即能使裂紋發(fā)生宏觀拓展，加劇降低結(jié)構(gòu)承載力。隨荷載的增加，更多裂紋在原宏觀裂紋基礎(chǔ)上拓展貫穿，所需荷載逐漸減小。比較X，Y兩方向的LR，Y方向LR小于X方向，此由加載順序決定：X向在前，Y向在后。LR＜0.1后宏觀裂紋開裂荷載比值在0.1附近但無規(guī)律可循。3個循環(huán)周期加載后動態(tài)加載構(gòu)件LR比值已達(dá)0.1，而靜態(tài)加載構(gòu)件X方向加載直到第7個加載周期后才達(dá)0.1。比較試件1、2的LR，試件2的LR值小于試件1，即加載速率對裂紋拓展影響較大，動態(tài)加載構(gòu)件裂紋拓展需較小外部荷載，且動態(tài)加載更易導(dǎo)致宏觀裂紋形成即拓展。

構(gòu)件按位移加載方式進行加載（圖5），除最大位移5 mm階段加載一個周期外，其它最大位移階段均進行3個周期的循環(huán)加載。取A0＝25 dB，分別統(tǒng)計每階段N（≥A0），并將該階段時間歷程t與N歸一化，用最小二乘法擬合獲得βt。最大循環(huán)加載位移15 mm、20 mm、25 mm、30 mm的 t－N曲線及擬合所得 βt見圖8。由圖8看出，擬合結(jié)果較好。

圖8 試件3在X方向最大加載位移t－N曲線及βtFig.8 The t－N curve andβt from specimen 3 in X－direction when the maximum loading displacement

圖9 每階段βt值Fig.9 Theβt in each phase

按循環(huán)加載最大位移劃分的每階段βt值見圖9。由圖9看出，試件4在每階段βt均略大于試件3，且X向循環(huán)加載最大位移15 mm階段時試件4的βt已接近臨界值1。而試件4直到30 mm階段βt才大于1。與靜態(tài)加載構(gòu)件相比，動態(tài)構(gòu)件βt更大些，表明動態(tài)加載構(gòu)件損傷速率高于靜態(tài)構(gòu)件，因此高加載速率更易導(dǎo)致構(gòu)件損傷加劇，更早喪失承載能力。

3 結(jié) 論

采用AE監(jiān)測的b值理論對受動、靜態(tài)加載鋼筋混凝土柱的破壞過程監(jiān)測分析。以40 mm／s，0.1 mm／s方式進行動、靜態(tài)加載，比較分析兩種加載速率下構(gòu)件斷裂、損傷狀況，結(jié)論如下：

（1）b值不同AE事件幅值統(tǒng)計規(guī)律，在AE分析中b值急劇下降為微觀裂紋向宏觀裂紋拓展過程直接表現(xiàn)。b值驟然下降能捕捉宏觀裂紋開始時刻。

（2）用b值確定宏觀裂紋開展時刻時，可通過定義宏觀裂紋拓展時刻荷載比值比較動、靜態(tài)兩種構(gòu)件發(fā)生開裂時的荷載情況。動態(tài)加載構(gòu)件裂紋拓展所需外部荷載較小，更易導(dǎo)致宏觀裂紋形成即拓展。

（3）一定幅值的AE事件累計速度可體現(xiàn)損傷累計速率。將幅值累計時間參數(shù)引入不同加載階段AE幅值統(tǒng)計中，所得擬合結(jié)果較好，時間參數(shù)能較好體現(xiàn)鋼筋混凝土柱裂紋開展速率及損傷狀況。

（4）據(jù)AE幅值累計的時間參數(shù)對比分析動、靜態(tài)加載鋼筋混凝土柱，加載速率高的構(gòu)件損傷速率高于加載速率低的加載構(gòu)件，即高加載速率更易導(dǎo)致構(gòu)件損傷加劇。

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