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PC桥齿板张拉声发射检测及稳定性研究

发布日期:2017-06-15 17:12    浏览次数:

     在混凝土梁桥的设计中,国际上趋向于将结构划分为B区和D区分别对待[1]。B区是指截面应变分布基本符合平截面假定的结构区域;D区是指截面应变分布呈现明显非线性的结构区域,不符合平面假定。齿板这样的预应力锚固区就属于D区。预应力混凝土梁桥在张拉过程中,齿板出现结构性裂缝已不是少数。在张拉过程中,由于齿板结构的突变型和受力的非线性,不容易计算出受力区域及大小,因此难以评价齿板的安全性。齿板张拉过程中,拉应力主要集中分布在齿板锚下方、齿板与底板交接处、锚后区、底板下缘、预应力孔道弯曲段附近、齿块前方底板内和齿块与底板交界面附近处[2,3]。齿板属于小偏心受压中的短柱类型,失效为材料破坏,不用考虑二阶弯矩。作为小偏心构件,齿板失效表现为混凝土材料破坏。混凝土材料在应力作用下,材料变形与裂纹扩展,是结构失效的重要机制。这种直接与变形和断裂机制有关的源,通常称为典型的声发射源。声发射技术不仅能无损研究材料的破坏,而且能重现材料的破坏场景。作为齿板基本材料的混凝土和金属、岩石一样,在张拉受力过程中会产生声发射源[4]。应用声发射技术可对张拉中的齿板进行实时监测,定位齿板主要受力区域,并定性评价齿板结构的安全性。

    声发射检测往往会受到各种噪声的影响,为了剔除这些背景噪声,需要设置适当的阈值电压,也称门槛值。高于这个阈值电压的信号,对应于振铃震荡信号形成脉冲,对应于事件信号,形成事件脉冲。声发射特性可用振铃计数、事件计数和能量表示,从不同角度描述能量释放。振铃计数为越过门槛信号的振荡次数。超过阈值的电信号的每一振荡波均记为一个振铃计数。能量计数是时间信号检波包络线下的面积。能量计数可以反映事件的相对能量或强度,对门槛、工作频率和传播特性不甚敏感,可取代振铃计数[5]。
    尹贤刚把混凝土的单轴受压过程分为压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和峰后破坏等4个阶段。如图1所示,在加载峰值应力的5%之前,这一阶段声发射率处于较高的水平;峰值应力的5%~65%左右,有一段时间声发射率水平非常低。峰值应力的65%~95%左右,声发射迅速逐渐增多[6]。

    纪宏广等认为,按声发射活性,混凝土声发射过程包括初始阶段、平稳阶段和活跃阶段。混凝土试件从C40开始,声发射活性逐渐出现双峰特征,存在明显平静期。如图2所示,C50试件双峰特征尤为明显。C50、C60和C70试件峰值应力的a%~65%左右(a 的数字不确定),有一段时间声发射率水平非常低。峰值应力的大概65%之后,声发射陡然增加,近似指数性增加[7]。

    李杰等研究混凝土随机损伤本构模型时,得到混凝土单轴受拉声发射能量率和应力应变关系。如图3所示,我们不难发现发现混凝土抗拉试验声发射陡增的起点大概也是峰值应力的65%[8]。
    混凝土试件破坏前有声发射迅速增多的现象,陡增的起点大概在峰值强度的65%左右。声发射陡增现象之前存在明显的平静期。
    Tatyana Katsaga研究大型混凝土梁剪切破坏时发现,试件表面裂缝的位置会伴有声发射点簇。不管是预破裂还是主破裂,点簇先于表面裂缝形成,点簇定位位置与实际裂缝距离在5mm以内[9]。

    因此,C40强度以上混凝土试件存在平静期,把峰值应力的65%作为张拉中齿板从平静期向活跃期过渡的参考值。预应力混凝土结构张拉过程中,如果混凝土声发射现象未到活跃期,声发射源没有形成特定曲面,那么可以认为混凝土结构是安全的。
1 试验材料和试验方法
    齿板锚下张拉应力为1 302MPa,采用15%,30%,100%三级张拉。使用便携式SAEU2S—10声发射系统,采用特征参数法进行采集,4通道同时采集4个独立方位的声发射信号。现场声发射采用SR150N型混凝土专用传感器,用凡士林作耦合剂。根据试验环境门槛值取值45,前置放大增益定为40,滤波器带通为20~200kHz。
    承德下板城PC混凝土箱梁桥的梁体为单箱单室,箱梁预应力钢筋张拉采用后张法。齿板的材质为C50混凝土。如图4所示,齿板的3个外露面近似垂直,可以采用立方体三维空间法对声发射源进行定位。必须把4个声发射传感器布置在2个或2个以上的平面上,4个探头的坐标分别为(0 180200),(0 200 1050),(450 0 970),(200 0 270)。根据声发射源到达传感器的时差,进行声发射源的三维空间定位。试验过程中,将声发射检测系统与加载设备同时开启,以便统一时间,记录张拉应力、时间和相应的声发射参数值。

2 结果与讨论
2.1 声发射数据筛选
    声发射振铃计数本质上是由声发射能量决定的,所以两者具有较高的相似度。参照图5~图9,比较1、2、3、4传感器及总体采集到的振铃和能量,发现振铃数和能量幅值分布上有相关性和同步性。也就是说振铃数突然增大,会伴随高的弹性能释放。4个传感器中,3号传感器采集的振铃数和能量值相关性最好,1号相对最差,2、4号次之。分析原因,3号传感器在张拉齿板主要受力区的斜上方,并且传感器距离受力区距离短,声发射源产生的弹性波到达传感器前,受波纹管等内部结构影响小;1号传感器在张拉齿板主要受力区的斜后方,波纹管在传感器和受力区之间,而且传感器距离受力区距离长,声发射源产生的弹性波会受到波纹管得干扰。3号传感器和总的振铃数的能量图存在与高度的相关性。因此,在记录数据和图像选择上,优先选择总的振铃数和能量幅图,受内部结构影响小、距离短传感器的数据次之。

2.2 齿板张拉安全评价
    参照图7和图9,一级张拉中振铃数比较平稳。二级张拉中振铃数先是逐步增加,后期逐步下降。三级张拉前期振铃数明显增加,中后期,振铃数减少直至平静。在200s左右声发射活性明显降低,进入平静期。因此齿板不会在张拉中破坏,张拉力没有到达峰值应力的65%,安全系数应该大于1.54,与混凝土设计安全系数1.5相吻合,如图10、表1所示。


3 结语
(1)中高强度混凝土在应力强度的65%左右,进入非稳定破裂发展阶段,释放大量应变能,声发射试件指数增加。作为小偏心钢筋混凝土局部承压构件,齿板设计的安全系数为1.5,对应混凝土强度的67%左右。因此,混凝土受力到达峰值强度的67%时,作为齿板张拉安全的一级判据。混凝土结构体受力接近峰值应力时,出现内部裂缝,声发射源形成特定的点簇曲面,作为齿板张拉安全的二级判据。
(2)声发射参数统计中,声发射源和采集探头在同一侧时,受齿板内部预应力管道影响小。第3采集通道的能量计数和振铃计数相关性最好,其振铃计数和总的振铃计数变化规律极为相似。在参数分析中,优选第3通道和总的振铃计数作为样本。本次试验过程中,声发射能量和振铃计数未出现陡增情况;实时三维定位,声发射源在空间未形成特定曲面,因此齿板张拉是安全的。
(3)对于齿板等预应力构件,通过定位声发射源,找到构件中的应力集中区,优化预应力构件的配筋设计,可提高构件在张拉过程中的安全性。设计中,齿板锚下方加密正交箍筋,抵抗横向拉力和水平剪力;管道弯曲段加密正交箍筋,抵抗径向力效应。


参考文献:
[1] AASHTO LRFD Bridge Specifications[S].
[2] 刘钊,吕志涛,惠卓,等.拉压杆模型在混凝土梁桥中应用与研究进展[J].中国工程科学,2008,(10):14-18.
[3] 张向群,林波,刘钊.预应力梁桥齿板锚固区配筋设计新方法[J].中国工程科学,2010,12(4):82-84.
[4] 李为杜,童寿兴.混凝土受力声发射特性[J].无损检测,1987,9(5):125-128.
[5] 耿荣生,沈功田,刘时风.声发射信号处理和分析技术[J].无损检测,2002,24(1):23-28.
[6] 李杰,张其云.混凝土随机损伤本构关系[J].同济大学学报:自然科学版,2001,29(10):1135-1141.
[7] 尹贤刚.受载岩石与混凝土声发射特性对比实验研究[J].四川大学学报:工程科学版,2010,42(2):83-85.
[8] 纪洪广,候昭飞,张磊,等.混凝土材料声发射信号的频率特征及其与强度参量的相关性试验研究[J].声学学报,2011,30(2):112-115.
[9]Tatyana Katsaga,Edward G.Sherwood,Michael PCollins,et al.YoungAcoustic emission imaging of shear  failure in large reinforced concrete structures[J].2008,148:30-40.


崔 明,李 淼
(北京科技大学土木与环境工程学院 北京市 100083)