王 巖,路桂娟,王 瑤,徐鄭鄭,姚金鑫

(1.河海大學土木與交通學院,江蘇 南京 210098;2.金陵科技學院建筑工程學院,江蘇 南京 211169)

近年來,聲發(fā)射技術作為一種新型動態(tài)無損檢測技術已經應用于土木工程中,其技術優(yōu)勢在于可以在未知混凝土損傷狀態(tài)的物理參數(shù)情況下,了解混凝土內部損傷和裂縫形成與發(fā)展的過程,進而實現(xiàn)判定混凝土曾經承受的最大應力歷史和動態(tài)評估混凝土損傷程度等目標。在對國內外相關文獻進行分類、歸納和總結的基礎上,首先介紹聲發(fā)射技術的定義與基本原理,然后針對聲發(fā)射技術在橋梁工程、水利及巖土工程、建筑工程以及其他特種工程中的應用對聲發(fā)射技術在土木工程中的應用現(xiàn)狀和研究成果進行綜述,并對該領域的研究熱點和需要進一步研究的關鍵問題進行歸納和總結。

1 聲發(fā)射技術的定義與原理

狹義的聲發(fā)射(acoustic emission,簡稱AE)是指材料受外力或內力作用而出現(xiàn)變形或裂紋擴展,所產生的瞬態(tài)能量以彈性波的形式快速釋放的現(xiàn)象。將流體泄漏、摩擦、撞擊、燃燒等與變形和斷裂機制無直接關系的另一類彈性波源稱為廣義聲發(fā)射[1]。更多的聲發(fā)射現(xiàn)象很微弱,人耳不能聽見而需要借助靈敏的電子儀器,用儀器采集、顯示、分析聲發(fā)射信號并利用其推斷聲發(fā)射源的位置和特征的技術為聲發(fā)射技術[2]。

聲發(fā)射技術涉及聲發(fā)射源、波的傳播、聲電轉換、信號處理、數(shù)據(jù)顯示與記錄、解釋與評定等,其基本原理為聲發(fā)射源產生彈性波在材料中傳播,引起被監(jiān)測試件表面的振動,這些振動被耦合在試件上的傳感器感應到時,所產生的壓電效應將彈性波引起的表面振動轉換成電壓信號,再經儀器放大處理后以參數(shù)或者波形的形式采集而后對其進行信號處理[2]。聲發(fā)射技術的基本原理如圖1所示[3]。

2 聲發(fā)射技術在橋梁工程中的應用

圖1 聲發(fā)射技術基本原理

近年來,世界范圍內的各類橋梁陸續(xù)處于需要維修和加固的老齡化階段,因此,迫切需求能夠為實際結構提供長時間連續(xù)監(jiān)測的技術和方法。聲發(fā)射技術作為一種重要的無損檢測技術,在現(xiàn)代大容量計算機的支持下,其對橋梁等大型建筑物實施動態(tài)監(jiān)測已成為現(xiàn)實[4-5]。

2.1 橋梁結構壽命和損傷評估

人們對橋梁結構聲發(fā)射與損傷之間的關系進行了諸多研究。Shigeishi等[6]應用聲發(fā)射技術對英國一座古老的砌體拱橋進行了完整性評價,試驗分別對拱橋的砌體部分和鋼筋混凝土部分進行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)了結構早期裂縫的發(fā)展,并根據(jù)不同位置處聲發(fā)射傳感器所接收到的聲發(fā)射撞擊累計數(shù)對聲發(fā)射事件進行定位。除了上述定性研究之外,Yoon等[7-8]通過對韓國首爾Dang-san鐵路橋的疲勞裂紋開展過程進行監(jiān)測,得到了由焊縫開裂所產生的聲發(fā)射信號,并對開裂位置進行定位。此外,他們還研究了2座鋼筋混凝土橋梁在車輛荷載作用下結構的聲發(fā)射參數(shù)與結構損傷水平之間的對應關系,發(fā)現(xiàn)借助聲發(fā)射技術可以了解結構已發(fā)生的損傷。Mc Keefry等[9]研究了橋梁工程中H型鋼梁的疲勞開裂聲發(fā)射特征,發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射技術在定位型鋼的裂縫開展及確定聲發(fā)射信號與車輛荷載之間關系方面的潛力。

Suzuki等[10]基于聲發(fā)射速率過程理論對混凝土橋墩的損傷情況進行定量評估,論證了聲發(fā)射技術監(jiān)測橋梁結構的可行性。朱宏平等[11]利用損傷力學與聲發(fā)射速率過程理論導出聲發(fā)射特征參數(shù)與混凝土損傷量之間的關系,并通過對軸壓狀態(tài)下實際橋梁混凝土芯樣進行聲發(fā)射試驗,分析了聲發(fā)射凱塞(Kaiser)效應和費莉希蒂(Felicity)效應,得到混凝土的實際損傷量并評價了其受載歷史。薛云亮等[12]通過對軸壓狀態(tài)下巖石和混凝土材料進行聲發(fā)射特性試驗,研究損傷變量與聲發(fā)射參數(shù)之間的關系,給出了基于Weibull分布的損傷本構模型及損傷變量與聲發(fā)射計數(shù)之間的經驗公式,推導出應力、應變與聲發(fā)射特征參數(shù)的耦合模型,最終驗證了軸壓狀態(tài)下巖石和混凝土的應力、應變與聲發(fā)射的耦合關系。蔣志[13]和Roberts等[14]分別通過對鋼筋混凝土高架橋進行現(xiàn)場監(jiān)測和試驗研究,認為聲發(fā)射技術具有監(jiān)測結構破壞過程和評估結構壽命的巨大潛力。千力等[15]通過在獅河橋現(xiàn)場鉆取混凝土芯樣,利用混凝土單軸受壓時的聲發(fā)射監(jiān)測試驗計算混凝土損傷量,論證了聲發(fā)射技術在混凝土損傷定量評估中的可行性。Nair等[16]應用聲發(fā)射技術分別對預應力混凝土橋梁和鋼橋展開研究,并通過研究連續(xù)荷載作用下所累積的聲發(fā)射數(shù)據(jù)來估計結構損傷情況,得出聲發(fā)射作為一項無損檢測技術可以連續(xù)監(jiān)測和追蹤橋梁等結構的健康狀況的結論。

在橋梁結構損傷聲發(fā)射信號濾噪處理方面,邢云等[17]在混凝土斜拉橋工程中應用聲發(fā)射技術實時監(jiān)測結構的內部損傷,對裂縫的形成與發(fā)展進行觀察,論證了聲發(fā)射技術監(jiān)測混凝土結構內部損傷的可行性。賈莉莉等[18]采用固定閾值方式對小波分解系數(shù)進行軟閾值的量化處理,發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射信號的小波去噪技術在提高結構健康監(jiān)測準確性方面的作用。

雖然聲發(fā)射技術具有良好的工程應用前景,但其應用于實際工程中還存在技術上的難題。Gong等[19]對幾十座鐵路鋼橋進行聲發(fā)射監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)了聲發(fā)射技術在監(jiān)測和定位裂縫等方面的潛力,同時指出聲發(fā)射技術在評估鋼結構構件疲勞壽命時仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。Shigeishi等[20]在鋼筋混凝土橋板上進行聲發(fā)射監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)沖擊載荷可產生較強的聲發(fā)射活動,故在對現(xiàn)有混凝土橋梁進行監(jiān)測時應考慮車輛運行速度的影響,同時發(fā)現(xiàn)移動荷載的振動模式可能會影響橋梁結構個別部位的聲發(fā)射活動。

綜上可知,聲發(fā)射技術在橋梁結構中的應用研究主要集中在應用聲發(fā)射速率過程理論對在役結構進行壽命評估,對結構損傷進行定位,以及研究聲發(fā)射參數(shù)與損傷之間的關系等。研究者們都認識到聲發(fā)射技術應用于橋梁工程領域的廣闊前景和潛力,但也意識到該技術應用于實際工程中需要解決的具體問題,例如噪音和交通引起的振動等。

2.2 橋梁關鍵構件的損傷監(jiān)測

各類橋梁的鋼索、主纜、鋼筋等是橋梁的生命線。除了對橋梁主體結構進行聲發(fā)射監(jiān)測之外,研究者們對鋼筋混凝土橋梁內部鋼筋、橋梁的懸索等關鍵構件損傷的監(jiān)測也進行了嘗試和探索。Fricker等[21]應用聲發(fā)射技術對瑞士一座預應力鋼筋混凝土橋梁的預應力筋的損傷狀況進行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)監(jiān)測結果與結構的實際損傷狀況一致。Yuyama等[22]采用聲發(fā)射技術進行后張預應力梁的損傷監(jiān)測試驗,通過對聲發(fā)射信號的分析,識別并精確定位了鋼筋的腐蝕斷裂等損傷。Mohammed[23]在實驗室進行了橋梁吊桿和拉索的鋼絲斷裂試驗,將聲發(fā)射技術與其他方法進行比較,并制作了一種置于拉索中動態(tài)監(jiān)測鋼絲變化的裝置。Paulson[24]研究了應用聲發(fā)射技術對懸索橋主纜和斜拉索進行長期監(jiān)測的方法,并將斷鉛聲發(fā)射信號與其他信號及噪聲信號成功分離,為橋梁拉索長期損傷的聲發(fā)射監(jiān)測研究提供了參考依據(jù)。Piervincenzo等[25-26]采用聲發(fā)射技術對碳纖維拉索的損傷進行監(jiān)測,結果發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射技術能夠更精確地監(jiān)測損傷的誘發(fā)和發(fā)展,對平行碳纖維束和碳纖維絞線的測試結果表明,聲發(fā)射活性與損傷程度在達到完全破壞之前具有良好的對應關系。李冬生等[27-29]研究了鋼絞線拉伸過程中的聲發(fā)射特征,推導了基于聲發(fā)射參數(shù)的鋼絞線損傷演化方程。另外,他們還應用聲發(fā)射技術對某拱橋實際工程的所有吊桿進行了全面實時監(jiān)測,并通過聲發(fā)射參數(shù)和波形分析法初步得到了不同損傷類型的聲發(fā)射特征。

2.3 橋梁結構聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的布置和操作規(guī)程的研究

由于實際工程結構的體量形式各不相同,因此在聲發(fā)射監(jiān)測過程中必須考慮聲發(fā)射采集系統(tǒng)的合理設置和傳感器陣列的合理布置。Stepinski等[30]采用圓形聲發(fā)射傳感器陣列對實際橋梁進行監(jiān)測并取得了良好的效果,研究了陣元數(shù)目及聲發(fā)射模擬信號頻率變化對波束模式的影響。Ge等[31]對鐵路鋼橋進行聲發(fā)射監(jiān)測,通過模擬聲發(fā)射信號試驗確定聲發(fā)射監(jiān)測閾值,設置定時參數(shù)并研究聲發(fā)射信號的特征。

實際工程結構的聲發(fā)射監(jiān)測是一項復雜的技術工作,陳喜強等[32]為了提高聲發(fā)射技術在橋梁結構監(jiān)測中的規(guī)范性,從準備工作、儀器的設置、傳感器的選擇和固定以及加載程序的確定等方面總結了監(jiān)測規(guī)程的技術要點。Shigeishi等[33]為了建立一套適用于長度為10～100m的實際橋梁的聲發(fā)射監(jiān)測規(guī)程,應用聲發(fā)射技術評估了一座已服役45 a的鋼筋混凝土橋梁。

在聲發(fā)射監(jiān)測設備的研發(fā)方面,Grosse等[34]認為可通過應用無線信號傳輸技術以及研發(fā)新型聲發(fā)射傳感器來降低橋梁結構聲發(fā)射監(jiān)測成本。Grosse等[35]還在德國斯圖加特一座鋼筋混凝土橋梁中應用了無線聲發(fā)射技術和聲發(fā)射陣列技術,這些技術的應用進一步提高了工作效率。單寧[36]建立了基于光纖聲發(fā)射傳感技術的監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了實時在線監(jiān)測混凝土橋梁健康狀況的目標,并將該系統(tǒng)應用于結構承載能力的評估。Stajano等[37]應用基于聲發(fā)射技術的無線傳感器網絡系統(tǒng)對英國2座橋梁和倫敦1個地下隧道進行監(jiān)測,通過設置網絡節(jié)點實現(xiàn)對橋梁隧道工程的實時監(jiān)測,最終發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射監(jiān)測實際工程具有巨大潛力。針對鋼筋混凝土橋梁的健康監(jiān)測,Grosse等[38-39]研發(fā)了一種基于MEMS的無線傳感網絡節(jié)點——Mote,該系統(tǒng)集成了測試和傳輸功能,被應用于監(jiān)測德國斯圖加特1座鋼筋混凝土橋梁,這種經特別設計的基于聲發(fā)射技術的橋梁無線監(jiān)測系統(tǒng)為在役公路橋梁的疲勞開裂監(jiān)測提供了可行性。

由上述文獻可知,研究者們已經開始將聲發(fā)射技術應用于橋梁工程的健康監(jiān)測,并對其可行性和可靠性進行了論證。雖然聲發(fā)射技術應用于橋梁結構的實時監(jiān)測還是一個挑戰(zhàn),但是在意識到它所具有的動態(tài)、無損傷、保持完整性等優(yōu)點后,研究者們在探索操作規(guī)程、研發(fā)新型儀器和技術方法方面仍做出了許多卓有成效的研究工作。

3 聲發(fā)射技術在水利和巖土工程中的應用

在水工建筑物的安全監(jiān)測方面,Minemura等[40]應用聲發(fā)射技術對混凝土拱壩冬季施工和灌漿安全進行了評價。考慮到正常頻率范圍的聲發(fā)射信號在混凝土壩體中會有較大的衰減,采用低頻的傳感器(諧振頻率為15 kHz)探測聲發(fā)射活動。通過判斷分布在混凝土壩體12個部位的傳感器是否探測到異常聲發(fā)射活動來評估壩體在二次冷卻和灌漿過程中的安全性。

除了對水利工程中的主體結構進行安全監(jiān)測之外,更多的研究者將聲發(fā)射技術應用于水利工程中的邊坡與護坡等巖土工程中。澳大利亞等國的一些水電大壩通過建立聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)對壩基和壩肩進行監(jiān)測,為聲發(fā)射技術在水利工程中的應用提供了參考依據(jù)[41]。陳炳瑞等[42]為了研究施工過程中的巖石損傷演化規(guī)律,在錦屏二級水電站進行聲發(fā)射監(jiān)測試驗,論證了其應用于評價圍巖損傷范圍、設計現(xiàn)場支護措施及選取支護時機的可行性。嚴明等[43]對向家壩水電站馬步坎高邊坡進行了聲發(fā)射監(jiān)測,并根據(jù)聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)對邊坡巖體的穩(wěn)定性進行了研究。李金河等[44]將聲發(fā)射技術應用于永久船閘爆破開挖過程的穩(wěn)定性監(jiān)測,指出聲發(fā)射事件與開挖過程的關系,從而實現(xiàn)了應用聲發(fā)射技術對邊坡巖體穩(wěn)定的評估。尹賢剛等[45]首先通過聲發(fā)射進行現(xiàn)場監(jiān)測和預報,證實巖體在變形或破壞時都會產生聲發(fā)射,繼而論證了聲發(fā)射技術應用于采場穩(wěn)定性監(jiān)測的可行性。蔡美峰等[46]基于聲發(fā)射智能耦合監(jiān)測,對礦區(qū)支護的主運巷塌陷區(qū)結構失穩(wěn)過程進行監(jiān)測分析,分析塌陷區(qū)結構失穩(wěn)過程中微破裂和聲發(fā)射之間的內在聯(lián)系,同時利用固體斷裂非平衡統(tǒng)計理論進行分析與預報。

從以上文獻可以看出,聲發(fā)射技術已經應用于水利和巖土工程中,主要集中在施工期和運行期混凝土壩體和船閘等結構的安全監(jiān)測,護坡、邊坡巖體等的穩(wěn)定性監(jiān)測與預報,以及借助聲發(fā)射技術了解巖石內部力學性質等問題。

4 聲發(fā)射技術在建筑工程中的應用

聲發(fā)射技術應用于建筑工程的案例并不多見,主要集中于對年代久遠的建筑物進行監(jiān)測評估等方面。Carpinteri等[47]應用聲發(fā)射技術監(jiān)測鋼筋混凝土結構和石材古建筑,得出壓應力和聲發(fā)射累計數(shù)隨時間的變化曲線,他們還應用聲發(fā)射技術識別鋼筋混凝土結構和砌體建筑物的缺陷和損傷,并基于斷裂力學提出了一種分形多尺度的方法論來預測損傷和評估結構失效的時間,最終實現(xiàn)了對建筑物壽命的評估。Grosse等[35]為實現(xiàn)一個古老的鋼筋混凝土建筑的重建,經過為期7 d的連續(xù)實時聲發(fā)射監(jiān)測,對聲發(fā)射速率值以及平均頻率等參數(shù)進行分析。蔣志[13]通過對居民住宅樓進行聲發(fā)射監(jiān)測,利用聲發(fā)射計數(shù)評估裂縫開展速度并預測裂縫的發(fā)展狀況,發(fā)現(xiàn)在各階段聲發(fā)射計數(shù)與裂縫開展成比例關系,當裂縫發(fā)展速度最快時,聲發(fā)射計數(shù)率也達到了最大值,聲發(fā)射分布函數(shù)的局部極值與裂縫發(fā)展的最劇烈階段相對應。

5 聲發(fā)射技術在其他工程中的應用

Bureau填海工程廣泛使用了預應力混凝土管(PCP),Travers[48]采用聲發(fā)射技術監(jiān)測由鋼絞線失效和隨后滑脫所引起的PCP的失效過程,對被埋置管段的劣化區(qū)域進行定位。陳祥森[49]以某核電站混凝土結構為例,不僅應用聲發(fā)射技術對其進行安全性監(jiān)測,還對將來其可能發(fā)生的損傷進行定位、分析和監(jiān)視,以此確定各種類型的混凝土在復雜受力過程中的力學行為。Shinomiya等[50]將鐵路混凝土結構損傷評估技術應用于一種連續(xù)的磚混拱橋結構,并在存在裂紋擴展的磚混結構中成功監(jiān)測到了聲發(fā)射活動,顯示了聲發(fā)射技術評估墩臺等下部子結構的潛力。

6 結 語

縱觀土木工程各領域,聲發(fā)射技術已經應用于橋梁工程、水利和巖土工程、建筑工程以及其他特種工程等諸多領域,其中以橋梁工程、水利工程等大型工程中的應用居多,從中可以看到聲發(fā)射技術應用于土木工程的前景和潛力,但同時也存在難題和挑戰(zhàn)。筆者認為聲發(fā)射技術在相關領域的研究熱點包括:采用聲發(fā)射速率過程分析理論、聲發(fā)射凱塞效應等進行結構損傷評估與壽命預測;研究聲發(fā)射活動率和特征參數(shù)與結構損傷變量之間的相關性;采用聲發(fā)射技術進行邊坡、護坡等巖體結構的穩(wěn)定性監(jiān)測與預報;采用聲發(fā)射源定位技術研究損傷的空間位置演化規(guī)律。聲發(fā)射技術應用于土木工程所存在的問題包括:聲發(fā)射傳感器的布設方案和光纖、無線等新型傳感器技術以及新型監(jiān)測設備有待進一步研究;應用于工程實踐的聲發(fā)射監(jiān)測操作規(guī)程不夠完善,缺乏可參照的技術規(guī)程;對現(xiàn)場環(huán)境噪音和振動等干擾源的認識和重視不足,在如何識別背景噪音和非平穩(wěn)噪音進而提高信噪比方面還需要深入研究。

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