門(mén)進(jìn)杰, 郭琳穎, 蘭 濤,3, 魏蓉蓉

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,西安 710055；2.結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安建筑科技大學(xué)),西安 710055；3.中國(guó)船舶重工集團(tuán)國(guó)際工程有限公司,北京 100021)

聲發(fā)射是材料在變形、裂縫產(chǎn)生及擴(kuò)展過(guò)程中由于能量瞬間釋放而產(chǎn)生短暫的壓縮波的伴生現(xiàn)象[1].聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、靈敏度高、對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的接近程度要求不高等優(yōu)點(diǎn)，已成為無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域最具發(fā)展前景的檢測(cè)技術(shù)之一.在工程領(lǐng)域，聲發(fā)射現(xiàn)象被用來(lái)作為一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)加載過(guò)程中結(jié)構(gòu)缺陷釋放的聲發(fā)射信號(hào)來(lái)確定缺陷源的位置、損傷程度等特性，對(duì)工程的安全性評(píng)價(jià)具有重要作用[2].

目前，在混凝土結(jié)構(gòu)方面，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)主要用于研究裂縫定位方法以及聲發(fā)射參數(shù)和混凝土材料損傷變量之間關(guān)系的建立.張黎明等[3]在大理巖常規(guī)三軸試驗(yàn)中得到的理論起裂點(diǎn)與采用聲發(fā)射損傷定位得到的起裂位置較吻合，驗(yàn)證了采用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行裂縫定位的有效性；朱宏平等[4]提出了混凝土聲發(fā)射特征參數(shù)與損傷演化的關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)了采用聲發(fā)射特征參數(shù)量化評(píng)估混凝土的損傷大??；吳勝興等[5]指出幅度、振鈴、持續(xù)時(shí)間、聲發(fā)射信號(hào)能量、絕對(duì)能量、信號(hào)強(qiáng)度這些參數(shù)能夠較好體現(xiàn)混凝土軸拉損傷過(guò)程的階段性特征；王士民等[6]利用聲發(fā)射測(cè)試對(duì)盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的裂縫位置和損傷破壞過(guò)程進(jìn)行了測(cè)試和分析；蘇懷智等[7]指出混凝土裂縫產(chǎn)生的范圍與聲發(fā)射事件均隨加載速率變化而變化；Sagar等[8-9]、Reginald等[10]通過(guò)研究混凝土材料基本特性與聲發(fā)射特征參數(shù)之間的關(guān)系，揭示混凝土裂縫產(chǎn)生、擴(kuò)展和斷裂的損傷演化規(guī)律和結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理；Tetsuya 等[11]通過(guò)研究聲發(fā)射參數(shù)與混凝土凍融循環(huán)之間的關(guān)系，得出了聲發(fā)射傳播速率與混凝土彈性模量相關(guān)的結(jié)論；Goszczynska 等[12]通過(guò)研究鋼筋混凝土梁裂縫不斷生長(zhǎng)過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)特征的變化，總結(jié)出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基于耐久性的損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；門(mén)進(jìn)杰等[13]通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行四點(diǎn)加載試驗(yàn)，基于聲發(fā)射參數(shù)計(jì)算得到了構(gòu)件開(kāi)裂與屈服時(shí)的裂縫位置，與試驗(yàn)吻合較好.

研究表明，在鋼筋混凝土構(gòu)件開(kāi)裂之前，聲發(fā)射波的波速、振幅等特性主要和混凝土強(qiáng)度、配筋情況、構(gòu)件尺寸等有關(guān)，然而，當(dāng)混凝土開(kāi)裂之后，由于聲發(fā)射波在裂縫界面會(huì)發(fā)生一定程度的折射、反射等現(xiàn)象，其傳播特征會(huì)發(fā)生變化.當(dāng)波速和振幅的變化較大時(shí)，會(huì)影響傳感器所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響傳感器的有效工作范圍.而目前在利用聲發(fā)射參數(shù)對(duì)裂縫進(jìn)行定位等研究時(shí)，均沒(méi)有考慮已存在裂縫對(duì)聲發(fā)射波傳播特征的影響，這往往會(huì)導(dǎo)致定位誤差太大，很難直接得到令人滿意的結(jié)果.本文通過(guò)靜力加載和聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)，研究鋼筋混凝土裂縫寬度、數(shù)量、深度對(duì)聲發(fā)射波波速、振幅衰減情況的影響，并對(duì)損傷定位中采用固定波速和考慮裂縫影響的修正波速精度問(wèn)題做深入的探討，為推進(jìn)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支撐.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3個(gè)鋼筋混凝土板試件(B1、B2、B3)，試件尺寸均為1 500 mm×250 mm×150 mm，為探究裂縫參數(shù)對(duì)聲發(fā)射傳播特征的影響，3個(gè)試件保護(hù)層厚度取不同值，分別為10、20和40 mm.試件尺寸及配筋情況見(jiàn)圖1，采用HPB300級(jí)鋼筋(實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為324 N/mm2)、C30級(jí)混凝土(實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為35.7 N/mm2)制作.試件制作、加載和聲發(fā)射測(cè)試均在西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成.

1.2 靜力試驗(yàn)加載裝置和加載制度

圖1 鋼筋混凝土板試件配筋圖(mm)

圖2 試驗(yàn)加載裝置(mm)

1.3 聲發(fā)射測(cè)試方案

聲發(fā)射測(cè)試儀器采用北京聲華興業(yè)科技有限公司的SAEU2S數(shù)字聲發(fā)射系統(tǒng).

1.3.1 降噪方案和傳感器布置

1)降噪方案.在進(jìn)行聲發(fā)射測(cè)試過(guò)程中，無(wú)法避免實(shí)驗(yàn)室噪聲的存在.為了降低試驗(yàn)場(chǎng)地周圍噪聲對(duì)所采集聲發(fā)射信號(hào)的影響，需要通過(guò)設(shè)置合適的門(mén)檻值剔除大部分噪聲信號(hào).首先在實(shí)驗(yàn)室用聲發(fā)射儀器采集噪聲，時(shí)間為30 min，為達(dá)到濾噪目的，門(mén)檻值的幅值需大于噪聲的振幅值.重設(shè)不同門(mén)檻值，采用同樣方法收集噪聲信號(hào)，以收集不到噪聲信號(hào)的門(mén)檻值為最終門(mén)檻值.通過(guò)不斷測(cè)試，當(dāng)門(mén)檻值提高到40 dB時(shí)，儀器收集不到噪聲，門(mén)檻值低于40 dB時(shí)，儀器收集到少量噪聲，故設(shè)門(mén)檻值為40 dB是合理的.

2)傳感器布置.為了研究裂縫參數(shù)對(duì)聲發(fā)射傳播特征的影響，合理的傳感器布置能保證加載過(guò)程中裂縫產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)在有效范圍內(nèi)被傳感器接收到.試驗(yàn)時(shí)設(shè)置4個(gè)傳感器S1、S2、S3、S4，并沿試件縱向中心線對(duì)稱布置于試件底部，見(jiàn)圖3“○”標(biāo)記.

圖3 傳感器和斷鉛位置示意(mm)

1.3.2 斷鉛試驗(yàn)

在靜力加載開(kāi)始前需要進(jìn)行一次斷鉛測(cè)試，利用斷鉛產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，設(shè)置聲發(fā)射儀器的時(shí)間采集參數(shù)；靜力試驗(yàn)開(kāi)始后，在每級(jí)靜力加、卸載后需再次進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，利用斷鉛產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)研究裂縫參數(shù)對(duì)聲發(fā)射傳播特征的影響.

自2017年8月“平安西江”專項(xiàng)行動(dòng)開(kāi)展以來(lái)，珠海海事局結(jié)合廣東海事局開(kāi)展的各項(xiàng)專項(xiàng)行動(dòng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)檢查力度，擴(kuò)大檢查范圍，重點(diǎn)核查船舶開(kāi)展開(kāi)航前自查情況、AIS及VHF開(kāi)啟情況、船舶進(jìn)出港報(bào)告情況，取得了良好的成效。2017年7月至今系列行動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)出動(dòng)執(zhí)法人員2433人次，開(kāi)展夜巡81次，巡查、值守時(shí)長(zhǎng)累計(jì)超過(guò)2344小時(shí)，檢查船舶5092艘次，依法查處違章違法船舶201艘次。通過(guò)“平安西江”專項(xiàng)行動(dòng)結(jié)合系列行動(dòng)的開(kāi)展，船舶違章違法行為得到了一定程度遏制和震懾，轄區(qū)水上通航秩序保持了良好態(tài)勢(shì)。

1)時(shí)間參數(shù)的設(shè)置.盡管有關(guān)文獻(xiàn)[14]給出了不同類型材料的時(shí)間參數(shù)取值范圍，聲發(fā)射信號(hào)的傳播特征在不同材料中卻差別很大.對(duì)于鋼筋混凝土構(gòu)件，混凝土強(qiáng)度、配合比、配筋率等因素均對(duì)其傳播特征有影響，無(wú)法直接使用文獻(xiàn)給出的時(shí)間參數(shù)值，需進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)來(lái)確定具體的聲發(fā)射時(shí)間參數(shù).

靜力試驗(yàn)加載開(kāi)始前，在試件底部進(jìn)行原位斷鉛試驗(yàn)確定聲發(fā)射時(shí)間參數(shù).原位斷鉛試驗(yàn)根據(jù)GB/T 18182—2012[15]推薦的方法模擬聲發(fā)射信號(hào)，斷鉛試驗(yàn)時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)的0.5 mm粗的HB鉛芯，鉛芯伸出長(zhǎng)度為2.5 mm，斷鉛時(shí)需保持?jǐn)嚆U角度均為30°，在傳感器S1位置附近進(jìn)行10次原位斷鉛，以此模擬脈沖聲發(fā)射信號(hào).傳感器S2接收到10次模擬脈沖聲發(fā)射信號(hào)，取斷鉛信號(hào)上升時(shí)間的平均值確定時(shí)間參數(shù).通常把撞擊鑒別時(shí)間設(shè)置為峰值定義時(shí)間的2倍，撞擊閉鎖時(shí)間比撞擊定義時(shí)間略大.本文通過(guò)原位斷鉛試驗(yàn)，得到的峰值定義時(shí)間、撞擊鑒別時(shí)間和撞擊閉鎖時(shí)間分別為50、100和250 μs.

2)裂縫影響的研究方案.每級(jí)加、卸載后觀察并記錄裂縫3個(gè)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù).為了研究3個(gè)裂縫參數(shù)對(duì)聲發(fā)射傳播特征的影響，在加載前以及每級(jí)加載后、卸載后，均要在圖3所示5個(gè)斷鉛位置分別進(jìn)行三次原位斷鉛試驗(yàn)，圖3“●”代表斷鉛的位置，利用聲發(fā)射儀采集裂縫不同發(fā)展時(shí)期所對(duì)應(yīng)的斷鉛信號(hào).分析聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)并計(jì)算信號(hào)傳播距離為200 mm(傳感器S1-S2、S3-S4間距)、400 mm(傳感器S2-S3間距)、600 mm(傳感器S1-S3、S2-S4間距)、800 mm(傳感器S1-S4間距)的波速和振幅衰減值，在斷鉛點(diǎn)斷鉛三次，波速和振幅衰減值取平均值.根據(jù)裂縫參數(shù)狀態(tài)和聲發(fā)射波速和振幅衰減值為依據(jù)，研究裂縫參數(shù)對(duì)聲發(fā)射傳播特征的影響.另外在每級(jí)開(kāi)始加載至加載結(jié)束和開(kāi)始卸載至卸載結(jié)束過(guò)程中，采集裂縫不斷生長(zhǎng)的聲發(fā)射信號(hào)，為后面進(jìn)行裂縫定位做準(zhǔn)備.本文在定位計(jì)算時(shí)，選取出現(xiàn)頻率較高位置處的10個(gè)聲發(fā)射數(shù)據(jù)作為定位計(jì)算的依據(jù).

1.4 試驗(yàn)現(xiàn)象和裂縫測(cè)試結(jié)果

在加載過(guò)程中，板的撓度隨荷載的增加呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì).對(duì)于3個(gè)試件，當(dāng)加載到24 kN左右時(shí)，在板的側(cè)面均出現(xiàn)豎直微裂縫；隨著荷載的增大，板側(cè)裂縫數(shù)量、寬度、深度隨之增長(zhǎng)，卸載后裂縫閉合.當(dāng)加載至第4、5級(jí)，裂縫增長(zhǎng)迅速，逐漸向跨中發(fā)展.隨后加載，裂縫發(fā)展緩慢，裂縫寬度明顯增大.當(dāng)荷載分別達(dá)到73、66、59 kN左右時(shí)，3個(gè)試件的原有裂縫已經(jīng)延伸到靠近板頂受壓區(qū)，此時(shí)再無(wú)新裂縫產(chǎn)生，認(rèn)為試件破壞，停止加載.卸載后，裂縫深度幾乎保持不變，無(wú)法再閉合.由于試件B1、B2、B3的保護(hù)層厚度不同，導(dǎo)致其有效高度不同，因此3個(gè)試件的極限承載力不同.

對(duì)于受彎構(gòu)件，其主要受力裂縫往往出現(xiàn)在側(cè)面.因此，本文以板的側(cè)面裂縫為研究對(duì)象，在每級(jí)加、卸載后，對(duì)試件產(chǎn)生的裂縫數(shù)量、最大寬度和最大深度進(jìn)行測(cè)量.測(cè)量時(shí)，將板側(cè)面裂縫高度近似認(rèn)為是裂縫深度，采用游標(biāo)卡尺測(cè)量其寬度和深度，取所對(duì)應(yīng)加載級(jí)別下原有裂縫和新產(chǎn)生裂縫的最大值作為最終結(jié)果，得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.表中S1-S2、S2-S3、S3-S4分別表示相應(yīng)傳感器位置之間的裂縫情況.

2 裂縫對(duì)聲發(fā)射波傳播特征的影響分析

2.1 裂縫對(duì)聲發(fā)射波傳播特征的總體影響

2.1.1 裂縫對(duì)波速影響的總體特征

在不同加載等級(jí)下，3個(gè)試件的波速變化曲線見(jiàn)圖4.隨著荷載的增大，波速呈整體下降的趨勢(shì)，其下降程度大致可以劃分為3個(gè)階段.例如，對(duì)于試件B1在加載等級(jí)1～3之間波速的減小程度很小，在加載等級(jí)3～5之間的波速減小程度較大，約為18%；之后，波速的減小程度又變得有所緩和，直到加載結(jié)束.試件B2和B3的變化規(guī)律是一致的，只是變化時(shí)的荷載等級(jí)和減小程度有不同.

表1 試件的裂縫發(fā)展情況

圖4 荷載-波速曲線

分析其原因，在前三級(jí)加載過(guò)程中，板基本處于彈性階段，只有個(gè)別的細(xì)觀裂縫產(chǎn)生，因此對(duì)波速的阻礙作用很?。欢?dāng)加載等級(jí)達(dá)到3級(jí)時(shí)，3個(gè)試件均開(kāi)始產(chǎn)生宏觀裂縫，并逐漸進(jìn)入裂縫發(fā)展的快速期，該階段的裂縫數(shù)量多、長(zhǎng)度大、寬度大，且卸載后不能完全閉合，導(dǎo)致對(duì)波速的阻礙作用很大；之后，已開(kāi)裂的裂縫逐漸趨于穩(wěn)定，且新裂縫的數(shù)量逐漸變少，使波速的減小程度又趨于緩和.從圖4還可看出，在整體上試件B1的波速最大，試件B2次之，而試件B3的波速最小，分析原因主要是受混凝土保護(hù)層厚度的影響，保護(hù)層厚度越大，受拉裂縫產(chǎn)生的越早、發(fā)展的也較為充分，進(jìn)而影響波的傳播，波速就越小.而對(duì)同一試件，傳播距離較大時(shí)，測(cè)得的波速相對(duì)較小，分析原因是較大傳播距離內(nèi)所受裂縫的綜合影響更為嚴(yán)重，導(dǎo)致波速減小程度增大.

此外，從表1和圖4還可看出，對(duì)于同一試件，在加載和卸載階段，其波速變化規(guī)律是一致的，且相差很小.而在加載、卸載階段，裂縫的開(kāi)、閉對(duì)應(yīng)的裂縫寬度是不同的.因此，可以說(shuō)裂縫寬度對(duì)聲發(fā)射波速的影響是很小的，幾乎可以忽略.

2.1.2 裂縫對(duì)振幅衰減影響的總體特征

圖5所示是在不同加載等級(jí)下，3個(gè)試件的振幅衰減曲線，從圖5可看出，隨荷載等級(jí)增加，振幅衰減呈整體增大的趨勢(shì)，增大趨勢(shì)大致劃分為兩個(gè)階段.在前兩級(jí)加載時(shí)，與未加載時(shí)相比，振幅衰減程度相差很小，試件B1、B2和B3的振幅衰減分別約為26、22、20 dB.當(dāng)荷載等級(jí)達(dá)到第3級(jí)后，振幅的衰減程度不斷增大，有成比例增加的趨勢(shì)，直到加載結(jié)束.分析原因，在前兩級(jí)加載過(guò)程中，僅板內(nèi)部有個(gè)別細(xì)觀裂縫產(chǎn)生，對(duì)振幅衰減的影響很小.而當(dāng)加載等級(jí)達(dá)到第3級(jí)時(shí)，由表1可知，3個(gè)試件均開(kāi)始產(chǎn)生宏觀裂縫，隨著加載等級(jí)的增加，裂縫數(shù)量、長(zhǎng)度、寬度均進(jìn)入快速增長(zhǎng)階段，卸載后裂縫不能完全閉合，并逐步進(jìn)入裂縫發(fā)展的快速期，裂縫數(shù)量、長(zhǎng)度、寬度的增長(zhǎng)使得振幅衰減呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，此快速增長(zhǎng)趨勢(shì)持續(xù)到加載結(jié)束.從圖5還可看出，試件B1振幅衰減最大，B2次之，B3衰減最小，分析其原因，3個(gè)試件僅有保護(hù)層厚度不同，受其影響混凝土有效高度依次減小，混凝土的損傷程度必不相同.對(duì)3個(gè)試件分別分析，傳播距離越大，振幅衰減越大，分析原因主要是隨著傳播距離的增加，其間包含的裂縫較多，對(duì)聲發(fā)射波的阻礙較大，振幅衰減隨之增大.

此外，從表1和圖5還可看出，對(duì)于同一試件，在加載和卸載階段，其振幅衰減規(guī)律是一致的，且相差很小.同樣可以說(shuō)明裂縫寬度對(duì)振幅衰減的影響是很小的.

圖5 荷載-振幅衰減曲線

2.2 裂縫數(shù)量對(duì)聲發(fā)射傳播特征的影響

由2.1節(jié)可知，裂縫寬度對(duì)聲發(fā)射傳播特征幾乎沒(méi)有影響，因而在分析裂縫數(shù)量這一參數(shù)影響時(shí)，只需保證裂縫深度一致而裂縫數(shù)量不同即可，故在表1中選擇相同裂縫深度時(shí)的裂縫數(shù)量和對(duì)應(yīng)的波速和振幅衰減情況進(jìn)行分析.例如，對(duì)于試件B2，當(dāng)加載到3步時(shí)，S1-S3范圍內(nèi)和S2-S4范圍內(nèi)(間距均為600 mm)的裂縫最大深度均為40 mm，而對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)的裂縫數(shù)量分別為3條和2條，如表2所示，相應(yīng)范圍內(nèi)測(cè)得的波速和振幅衰減值也見(jiàn)表2.可以看出，裂縫數(shù)量由2條變化到3條時(shí)，相應(yīng)的波速和振幅衰減值的變化分別為0.4%和2%，基本沒(méi)有變化.表2還給出了試件B2和B3在加載步為4和5時(shí)，S1-S3范圍內(nèi)和S2-S4范圍內(nèi)的裂縫數(shù)量和相應(yīng)的波速和振幅衰減情況.同樣可以看出，裂縫數(shù)量對(duì)聲發(fā)射波速和振幅衰減的影響很小，其變化范圍均在5%以內(nèi).而3個(gè)試件在其他范圍內(nèi)、其他加載等級(jí)和加卸載時(shí)的影響規(guī)律是一致的.

2.3 裂縫深度對(duì)聲發(fā)射波傳播特征的影響

為了考慮更多裂縫的深度情況對(duì)聲發(fā)射傳播特征的影響，對(duì)于3個(gè)試件，均選取600 mm范圍內(nèi)的裂縫進(jìn)行分析.得到的裂縫最大深度-波速關(guān)系曲線和裂縫最大深度-振幅衰減曲線分別見(jiàn)圖6、7.

表2 裂縫數(shù)量及對(duì)應(yīng)的波速和振幅衰減值

從圖6可知，隨著裂縫深度的增大，波速逐漸減小，兩者之間基本呈線性關(guān)系變化.分析波速減小的原因，主要是當(dāng)混凝土開(kāi)裂之后，隨著裂縫深度的增大，聲發(fā)射波在混凝土內(nèi)部傳播時(shí)發(fā)生折射、反射的裂縫界面面積增大，這導(dǎo)致裂縫對(duì)聲發(fā)射波傳播的阻礙作用增大，進(jìn)而造成波速的減小.由圖7可知，裂縫深度增大，振幅衰減隨之增大，兩者之間的關(guān)系也基本呈線性變化.分析振幅衰減增大的主要原因，也是裂縫截面的增大對(duì)聲發(fā)射波阻礙增大，導(dǎo)致振幅衰減更快更大.

圖6 裂縫最大深度-波速曲線

圖7 裂縫最大深度-振幅衰減曲線

對(duì)圖6、7的曲線變化規(guī)律進(jìn)行線性擬合，則可分別得到裂縫最大深度dmax與波速V，與振幅衰減值M的關(guān)系式：

V=2 795.06-6.41dmax，

(1)

M=24.27+0.15dmax.

(2)

上述兩式擬合的相關(guān)系數(shù)R2均為0.89，擬合精度較高，得到的擬合曲線見(jiàn)圖6、7中的紅色虛線.上述兩式可作為聲發(fā)射波速和振幅衰減情況的修正公式，供鋼筋混凝土構(gòu)件聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)參考.

3 基于修正波速的聲發(fā)射裂縫源定位分析

3.1 基于修正波速的時(shí)差定位法的提出

3.1.1 時(shí)差定位法的基本原理

傳統(tǒng)的時(shí)差定位方法，其基本原理見(jiàn)圖8.設(shè)傳感器S1和S2之間有一聲發(fā)射源，聲發(fā)射信號(hào)傳到S1、S2的時(shí)間分別為t1、t2，時(shí)間差Δt=t1-t2，設(shè)S1和S2間距為D，則根據(jù)聲發(fā)射波傳播波速v即可確定源點(diǎn)位置d.即

(3)

圖8 聲發(fā)射時(shí)差定位圖

3.1.2 基于修正波速的時(shí)差定位法的提出

研究表明，對(duì)于鋼筋混凝土構(gòu)件，在利用傳統(tǒng)時(shí)差定位法對(duì)裂縫位置進(jìn)行定位時(shí)，在構(gòu)件的受力初期，其裂縫定位結(jié)果比較準(zhǔn)確.但當(dāng)裂縫隨著荷載的增大而擴(kuò)展到某一地步時(shí)，采用傳統(tǒng)方法定位得出的裂縫位置與其實(shí)際位置差異較大.這主要是因?yàn)闆](méi)有考慮裂縫發(fā)展對(duì)聲發(fā)射波速的影響，采用彈性階段固定不變的波速造成的.

為了減小時(shí)差定位法的誤差，基于上述研究結(jié)果，本文提出在利用時(shí)差定位法對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的裂縫位置進(jìn)行定位時(shí)，需要考慮最大裂縫深度對(duì)聲發(fā)射波速的影響，即在構(gòu)件的不同受力階段，把測(cè)試得到的最大裂縫深度代入式(1)，得到考慮裂縫影響的等效波速，或稱修正波速.然后把修正波速代入式(3)，從而得到鋼筋混凝土構(gòu)件在不同受力階段的裂縫定位情況.將上述方法稱之為基于修正波速的時(shí)差定位法.

3.2 裂縫定位結(jié)果的對(duì)比分析

聲發(fā)射儀自帶軟件(USBAE)，可以利用時(shí)差定位法根據(jù)固定波速直接給出裂縫定位結(jié)果.且以裂縫可能出現(xiàn)地方的事件頻數(shù)表示分析得出的裂縫定位位置.以試件B2、B3為例，基于固定波速計(jì)算得到的裂縫定位圖分別見(jiàn)圖9(b)和圖10(b)，圖中的數(shù)字①～⑥表示裂縫的編號(hào)，其對(duì)應(yīng)的裂縫來(lái)自試驗(yàn)結(jié)果，即圖9(a)和圖10(a).圖中的數(shù)字3、4和5表示荷載加載等級(jí).利用本文提出的基于修正波速的時(shí)差定位法，也可以計(jì)算得到試件B2、B3的裂縫定位圖分別見(jiàn)圖9(c)和圖10(c)，同樣是以事件頻數(shù)表示裂縫位置.

從圖9、10可看出，兩種方法得到的裂縫數(shù)量與試驗(yàn)結(jié)果均是吻合的，即試件B2、B3的裂縫數(shù)量分別為6條(4級(jí)加載后)和4條(5級(jí)加載后).而兩種方法對(duì)裂縫位置的定位結(jié)果顯著不同，基于修正波速的裂縫定位結(jié)果不僅在整體上與試驗(yàn)結(jié)果符合程度更好，而且每一條裂縫的定位精度均很高.兩種方法定位結(jié)果的誤差見(jiàn)表3.

圖9 試件B2的裂縫定位結(jié)果對(duì)比

圖10 試件B3的裂縫定位結(jié)果對(duì)比

由表3可知，基于修正波速定位方法的誤差較小，對(duì)每條裂縫來(lái)說(shuō)， 誤差均在3%以下；而基于固定波速的定位方法誤差相對(duì)較大，對(duì)于試件B2和B3其最大誤差可達(dá)5%和11.5%.而隨著加載等級(jí)的增大，試件裂縫的發(fā)展，該誤差也越來(lái)越大，由于篇幅所限，本文未能列出其他荷載等級(jí)時(shí)的結(jié)果.分析原因主要是后者沒(méi)有考慮已出現(xiàn)的裂縫會(huì)影響聲發(fā)射傳播速度.從表3還可看出，對(duì)于試件B2的裂縫②、⑥，試件B3的裂縫①、②、④，基于修正波速定位方法的精度更高，而此處正好靠近傳感器的位置，說(shuō)明離傳感器越近的裂縫，利用修正波速方法的優(yōu)勢(shì)更加明顯.

表3 兩種方法的定位誤差

4 結(jié) 論

對(duì)鋼筋混凝土板進(jìn)行四點(diǎn)靜力加載破壞試驗(yàn)和聲發(fā)射檢測(cè)，得到以下主要結(jié)論：

1)通過(guò)加、卸載試驗(yàn)和聲發(fā)射測(cè)試，得到了波速和振幅衰減隨不同等級(jí)加、卸載荷載的變化關(guān)系.加卸載對(duì)波速和振幅衰減的影響很小，同時(shí)表明裂縫寬度對(duì)聲發(fā)射傳播特征的影響很小；混凝土保護(hù)層厚度增大，波速、振幅衰減均減小.

2)通過(guò)分析聲發(fā)射波速、振幅衰減和裂縫在不同發(fā)展階段對(duì)應(yīng)關(guān)系，認(rèn)為裂縫深度對(duì)聲發(fā)射傳播特征有顯著影響.得到了裂縫最大深度-波速、裂縫最大深度-振幅衰減關(guān)系式，此關(guān)系式可供鋼筋混凝土聲發(fā)射檢測(cè)、修正波速和確定傳感器的有效工作范圍時(shí)參考.

3)提出基于修正波速的時(shí)差定位法用于鋼筋混凝土構(gòu)件的裂縫定位.算例分析結(jié)果表明，采用此方法定位得到的裂縫位置與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，定位誤差在3%以內(nèi).