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。
(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)