苏怀智 佟剑杰 胡 江 李 皓

（河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室1） 水利水电学院2） 南京 210098）

0 引 言

建筑物自身存在的缺陷对其正常运行和使用寿命影响极大，尤其对于水工混凝土结构物，由于其工作环境恶劣，长期经受高压、高速水流的渗透、侵蚀、冲刷、磨损等的作用，以及地震、曝晒和冰冻等的破坏，再加设计和施工原因，造成大量的水工混凝土结构物存在着程度不同的缺陷和损伤，给工程的安全运行带来了极大的隐患［1-2］.严重的缺陷和损伤会恶化结构的应力状态，破坏其整体性和抗渗性，加速混凝土碳化，降低混凝土抵抗各种侵蚀性介质的耐腐蚀能力，影响混凝土结构的强度和稳定性，危及建筑物的安全运行，缩短建筑物的使用寿命；轻微的缺陷和损伤也会影响建筑物的耐久性和美观，有时也会发展恶化.

要合理评价水工混凝土结构的健康状况，并为改建、加固设计提供基本的强度参数和其他设计依据，必须正确认识和估计混凝土的结构性质及力学性能，同时实现对结构中既有损伤的定位与测量，探明损伤的部位、大小和性质［3］.由于混凝土声发射检测技术能反映结构物中混凝土的强度、均匀性、连续性等各项质量指标，对保证新建工程质量，以及对已建工程的安全性评价等方面具有重要作用，越来越受到人们的重视［4-7］.如位于日本本州岛的一混凝土拱坝，在其冷凝和灌浆期间，进行了声发射检测，通过分析检测得到的声发射累积事件数和能量变化，评估了该混凝土拱坝的安全状况［8］.

已有研究表明，当采用不同的加载方式和加载速率时，材料的声发射特征和产生机理都有差异［9-15］.本文通过预置裂缝水工混凝土梁三点弯曲受载声发射试验，分析水工混凝土材料在损伤过程中的声发射模式、水工混凝土弯拉力学特性和宏观效应与声发射特性间的相关关系，研究水工混凝土结构损伤的声发射间接监测问题.

1 预置裂缝水工混凝土梁三点弯曲受载过程声发射试验过程

1.1 试验目的

以预置裂缝水工混凝土梁试件为研究对象，研究其在三点弯曲受载过程中，裂缝开度、跨中挠曲变形以及几个特定位置应变变化与声发射特征参数之间的关系，探索用声发射技术定量评估水工混凝土梁损伤的方法.

1.2 试件制作

水工混凝土三点弯曲试验所用的水工混凝土配合比是采用某坝推荐采用的混凝土配合比，见表1.其中水泥选择52.5＃中热水泥，石子按m（大石）∶m（中石）∶m（小石）=4∶3∶3，直径范围分别是4～8，2～4和0.5～2cm.经搅拌机充分搅拌后，过40 mm 的方孔筛，得到了去除大直径骨料后的湿筛混凝土，然后用钢模浇筑了2个150mm×150mm×550mm 的预置裂缝混凝土梁试件（编号为：WQ-1，WQ-2），采用高频振捣棒振捣成型.试件成型后2d拆模，并用草席覆盖试件表面，洒水养护7d后，置于普通室内环境，养护28d.

表1 水工混凝土配合比

1.3 试验设备

为对水工混凝土试件的损伤过程进行研究，在室内设计了一套如图1 所示的声发射试验系统，具体有：中国长春试验机厂制造的5000kN三轴压力机、美国PAC 公司生产的μSAMOSTM声发射采集仪、江苏东华测试技术股份有限公司生产的DH-3817型动态应变测试采集系统、美国Epsilon科技公司生产的3541-012M-040-ST 型夹式引申仪、百分表、100kN 力传感器.

图1 声发射试验系统

1.4 试验方案

1.4.1 加载方式 由于本次试验选用的加载机是长春试验机生产的5000kN 的三轴加载机，如果直接将力加载到水工混凝土梁试件上，在很短的时间内试件即会断裂，无法采集到足够多的试验数据（如应变、声发射数据、挠度等）.为了将加载速率控制在较低的水平（30～50N／s），在试件左右两侧各布置一个很大的弹簧，以起到承担一部分力的作用，其布置图见图2.

图2 加载布置图

1.4.2 传感器布置 鉴于在水工混凝土梁试件左右两侧布置了弹簧，并且在试件侧面还布置了应变片，声发射传感器布置方案见图3.

图3 预置裂缝梁试件传感器、应变片，以及预置裂缝位置图

2 试验结果分析

混凝土材料的变形和破坏由不同的机制（如微裂纹的形成、裂纹的扩展、宏观裂纹的形成等）引起，不同破坏机制含有不同的声发射信号，幅度、能量、持续时间、事件数等表征声发射信号强度和活性的特征参数随着混凝土材料的不同和破坏机制的不同呈现不同的特点.下面对声发射仪自动采集并实时记录的各相关图进行分析，通过对比分析在不同阶段产生的声发射信号的活性特征，以评定水工混凝土三点弯曲受载实验过程中的即时损伤情况.

2.1 声发射活性与荷载～挠度曲线之间的关系

图4分别给出了水工混凝土梁试件WQ-1，WQ-2的荷载-挠度曲线与声发射活性参数关系的实际结果.由图4可见，声发射事件的出现与荷载-挠度曲线之间具有较强的对应关系.在荷载-挠度曲线上升初期，基本没有声发射信号；当加载到极限荷载的90%左右时，声发射累计事件数明显增加.在荷载-挠度曲线下降期，由于混凝土结构中微裂缝的进一步扩展，这一时期声发射累计事件数随着荷载的逐渐减小而呈现缓慢增长的趋势.

图4 荷载-挠度与声发射累计事件数之间的关系

2.2 声发射活性与荷载-预置裂缝开度之间的关系

图5 给出了混凝土梁试件WQ-1，WQ-2 的荷载-开度与声发射活性参数关系试验曲线，由图5可见，裂缝开度与声发射累计事件数之间具有极强的相关关系，约90%极限荷载是一个分界点，在加载到90%极限荷载的过程中，预置裂缝几乎没有张开，基本没有声发射信号；这个阶段以后，声发射累计事件数明显的增加，预置裂缝开始较快速扩展.

利用上述试验数据，选用四次多项式拟合裂缝开度δ与声发射累计事件数N的关系，混凝土梁试件WQ-1，WQ-2对应的关系分别为

拟合曲线如图5.这2个试件的预置裂缝开度与声发射累计事件数的拟合效果都比较好，但平行性较差，由于本次试验只有2个试件参与分析，不能确定一个通用公式来说明任意一个相同条件的试件，其预置裂缝开度与声发射累计事件数的关系，但是通过这2个试件的试探性研究发现，预置裂缝开度与声发射累计事件数的确存在有一定的关系.对于一个特定范围内的裂缝，通过在线实时采集和分析混凝土材料的声发射信号，是有可能实现对裂缝张口位移发展变化规律的动态表征，实现对混凝土材料的损伤演化过程进行监测的.

图5 荷载-预置裂缝开度与声发射累计事件数之间的关系

2.3 跨中微裂缝开裂情况分析

在低加载速率下，水工混凝土的损伤主要发生在梁的中间位置.为了分析研究该区域微裂缝变化情况与声发射活性参数之间的关系，在每个试件上布置了9片长度不同的应变片（见图3）.其中，左右两侧均为20 mm 长的小应变片，中间从上至下分别为60，40和20mm 长的应变片（编号分别为S1，S2，S3）.

试验表明，左、右两侧应变片的实测数据值非常小，图6给出了试件WQ-1和试件WQ-2上中间各应变片处变形值与荷载的关系，图7给出了试件WQ-1和试件WQ-2断裂图.由图7可见，当加载到极限荷载时，下边的应变片发生的变形最大，中间次之，最上边的应变片的变形最小；在卸载阶段，试件WQ-1 中间的应变片数据有些异常，这是由于裂缝从其边缘绕过去的缘故.

试件WQ-1 和试件WQ-2 上各应变片处变形值与声发射累计事件数之间的试验关系曲线见图8.由图8可见，多数位置处变形值与声发射累计事件数之间存在一定的关系；试件WQ-1中间应变片处变形值与声发射累计事件数之间关系明显不同于其他位置，原因是该位置处裂缝绕过了应变片.图中所表现出来的规律基本符合实际，在产生相同变形的情况下，上边的应变片对应的声发射累计事件数最多，中间的应变片次之，下边的应变片最少，这和混凝土裂缝的扩展情况相符合，裂缝一般都是在梁跨中位置的下部出现，然后逐渐向上扩展，直到断裂.

图6 各位置处变形值与荷载之间的关系

图7 实际断裂截面图

3 结束语

1）三点弯曲受载的水工混凝土梁，在加载初始阶段，由于混凝土内部粗骨料的阻裂作用，使得混凝土内部裂缝呈间歇发展；但达到临界状态后，由于没有更多的能量储存，使得裂缝扩展呈失稳状态，出现连续和迅速的声发射.

图8 各位置处变形值与声发射累计事件数之间的关系

2）预置裂缝三点弯曲受载混凝土梁声发射试验表明，预置裂缝的开度与声发射事件数有着强的相关关系.对于一个特定范围内的裂缝，通过在线实时采集和分析混凝土材料的声发射信号，利用裂缝的开度与声发射累计事件数的相关关系，可实现水工混凝土结构裂缝的间接监测.

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