, 张乃源, 任超, 陈猛 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2020-06-29
基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1602232)。
作者简介：康玉梅(1973-)，女，辽宁灯塔人，东北大学副教授。
摘要：通过对不同配筋率和不同壁厚钢管混凝土(CFST)柱进行单轴压缩声发射试验, 对比分析了各试件破坏全过程的声发射信号特征.试验结果表明: 试件的整个破坏过程可分为弹性段、弹塑性段、强化段和失效段四个阶段, 声发射特征参数变化与试件破坏过程表现出较好的对应关系.声发射累积能量和累积撞击数均随荷载的增加而稳步增加; b值经历了缓慢上升、平稳波动、迅速下降的变化, 反映了试件内部裂纹的逐步扩展情况; 通过对声发射RA值、AF值分析可知, 钢管混凝土柱的破坏过程既产生拉伸型裂纹又产生剪切型裂纹, 随着荷载的增大, 破坏中剪切型裂纹所占比例逐渐增多.研究表明声发射技术可以有效监测轴压下钢管混凝土柱的损伤状态.
关键词：声发射单轴压缩钢管混凝土损伤演化破坏模式
Acoustic Emission Characteristics of CFST Columns Under Uniaxial Compression
KANG Yu-mei
, ZHANG Nai-yuan, REN Chao, CHEN Meng School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: KANG Yu-mei, E-mail: kangyumei@mail.neu.edu.cn.
Abstract: Based on the uniaxial compression acoustic emission (AE) test of concrete-filled steel tube (CFST) columns with different reinforcement ratio and wall thickness, the AE signal characteristics of each specimen in the whole failure process were analyzed. The test results show that the entire failure process of the specimen can be divided into four stages: elastic section, elastoplastic section, strengthening section and failure section. The change of AE characteristic parameters shows a good corresponding relationship with the failure process of the specimen. The AE cumulative energy and AE cumulative impact number rise with the load increases. The b value has experienced a slow rise, steady fluctuation, and rapid decline, reflecting the gradual expansion of the internal cracks of the specimen; through the analysis of the RA value and AF value of AE, it can be seen that the failure process of the CFST column generates both tensile and shear cracks. With the increase of load, the proportion of shear crack in failure increases gradually. The results show that the AE method can effectively monitor the damage status of CFST columns under uniaxial compression.
Key words: acoustic emission(AE)uniaxial compressionconcrete-filled steel tube(CFST)damage evolutionfailure mode
钢管混凝土(concrete-filled steel tube, CFST)是由螺旋配筋混凝土和劲性钢筋混凝土发展而来的一种特殊形式的混凝土组合构件[1].外部钢管与核心混凝土协同受力, 使钢管混凝土具有耐疲劳、承载力高等优势[2], 已在桥梁结构、房屋建筑等工程领域得到广泛应用, 但其内部结构的隐蔽性, 导致损伤不易观测, 结构安全监测较为困难.声发射与其他无损检测技术相比, 具有适应性强、实时动态监测等优点, 能够更真实地反映材料的损伤, 适用于材料性能评价和结构损伤检测方面的研究[3].
国内外****针对钢管混凝土的破坏过程和声发射特征方面作了大量研究.欧佳灵等[4]对圆钢管混凝土短柱在轴压作用下的承载力进行了研究, 分析了钢管强化效应对内部核心混凝土约束作用的影响.Ding等[5]针对不同钢管厚度和横截面积的影响, 对圆形和方形钢管混凝土柱进行试验与模拟, 并建立了轴压承载力计算公式.Sagar等[6]利用声发射技术分析了钢筋混凝土构件的断裂过程, 结果表明: 声发射b值特征与试件破坏过程有良好的对应关系.Ma等[7]通过声发射累积能量等参数对钢管混凝土柱的受力状态、混凝土裂缝的扩展情况进行了评估.陈智[8]在钢管混凝土柱轴压试验的研究中, 通过声发射参数组合值RA(上升时间与幅值比)和AF(计数与持续时间比)定性区分了混凝土裂缝的种类, 揭示了混凝土材料的损伤发展变化规律.
已有研究主要利用单参数分析钢管混凝土破坏过程的声发射特性, 而对于声发射多参数联合分析CFST柱损伤演化过程还有待于进一步研究.鉴于此, 本文进行不同配筋率和不同壁厚钢管的CFST柱单轴压缩声发射试验, 获取钢管混凝土柱破坏全过程声发射数据, 对声发射累积能量、累积撞击数、b值、RA值和AF值等声发射特征参数随荷载与时间的变化规律进行研究, 进而评估钢管混凝土柱的失效模式和损伤状态, 为利用声发射技术对钢管混凝土柱进行损伤监测奠定试验和理论基础.
1 试验概况1.1 试件制作本试验共设计制作了三组直缝焊接薄壁圆钢管钢筋混凝土柱, 每组分别为3根.钢管壁厚分别为1.8 mm和3.0 mm, 采用Q235级钢, 屈服强度设计值为340.5 MPa, 弹性模量为206 GPa, 试件参数见表 1.纵向钢筋采用HRB400级, 沿试件四周均匀布置; 箍筋选用HRB335级, 间距为100 mm, 钢筋材料性能参数见表 2.混凝土强度等级为C60, 采用P.O42.5普通硅酸盐水泥; 粗骨料选用碎石, 粒径5~25 mm; 细骨料选用中粗砂, 细度模数为2.56;聚羧酸高效减水剂的掺量为胶凝材料质量的1%.混凝土的配合比如表 3所示, 经同等条件下实验室养护28 d后测得混凝土立方体抗压强度标准值的平均值为67.3 MPa.
表 1(Table 1)
 表 1 试件参数Table 1 Specimen parameters
| 表 1 试件参数 Table 1 Specimen parameters | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 2(Table 2)
表 2 钢筋材料性能参数Table 2 Material properties parameters of steel bars
| 表 2 钢筋材料性能参数 Table 2 Material properties parameters of steel bars |
表 3(Table 3)
表 3 混凝土配合比Table 3 Concrete mix proportion?
| 表 3 混凝土配合比 Table 3 Concrete mix proportion? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1.2 试验设备试验加载系统采用5 MN电液伺服万能试验机; 声发射系统采用美国PAC公司生产的PCI-2型声发射仪, 该系统可以对声发射特征参数进行实时、快速处理.相关参数设置: 固定门槛值为50 dB, 主放大器增益和前置放大器增益分别为20, 40 dB.采用Nano30型传感器采集AE信号, 采样长度为1 024点, 采样频率设为1 MHz, 带通滤波范围为100~400 kHz.6个声发射传感器分两层均匀布置在距试件上下两端250 mm处, 每层布置3个, 相邻层传感器相互错开, 间隔1/4圆周对试件进行包裹, 保证了定位的准确性.图 1为加载装置和传感器布置示意图.试验加载与测试装置见图 2.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 加载装置和传感器布置Fig.1 Test setup and sensor arrangement |
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 试验加载与测试装置图Fig.2 Test loading and measurement device |
1.3 试验过程试验前合理设置声发射仪参数, 并检查各传感器通道是否连接畅通, 然后在试件待测点涂抹适量凡士林作为耦合剂, 用胶带将探头固定于试件表面指定位置, 再进行断铅试验以检测探头与试件是否贴合紧密.试验采用分级单调加载, 开始加载速度为4 kN/s, 当加载达到70%左右预估极限荷载时, 放慢加载速度, 再以2 kN/s的速度缓慢加载.试验过程中保证轴向加载与声发射检测同步, 在采集各测点数据的同时, 观察试件变形及损伤情况.
2 试验结果与分析2.1 试验现象及破坏模式各钢管混凝土柱在轴压作用下的试验现象大致相似.在加载初期, 外钢管与核心混凝土及内部钢筋的变形都很小, 试件处于弹性受力阶段.当SRC-1.8-4-A的荷载N增加到1 750 kN(61.06%极限荷载Nu), SRC-1.8-8-A增加到1 938 kN(63.29%Nu), SRC-3.0-4-A增加到2 400 kN(72.84%Nu)时, 钢管开始发生向外的局部屈曲.随着荷载增加, 钢管发挥“套箍”作用, 核心混凝土受到侧向约束处于三向受压状态.当加载到极限破坏荷载时, 伴随较大的响声, 钢管上端鼓起部位被撕裂, 撕裂处混凝土被压碎, 试件丧失承载力最终破坏.由于钢管壁厚和配筋率的不同, 钢管与混凝土之间的相互作用以及构件的破坏模式亦有所不同.各试件的轴压承载力见表 1, 不同CFST柱的破坏模式见图 3.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 不同试件的破坏模式Fig.3 Failure modes of specimens |
2.2 声发射累积能量和累积撞击数分析选取典型的试验数据进行声发射参数分析.图 4给出了不同CFST柱荷载-时间-声发射撞击率的关系曲线, 较为直观地反映了单轴压缩过程中AE事件活动和试件破坏历程之间的关系.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 荷载-时间-声发射撞击率关系曲线Fig.4 Time relation curves of load and AE impact rate (a)—SRC-1.8-4-A；(b)—SRC-1.8-8-A；(c)—SRC-3.0-4-A. |
由图 4可知, 各钢管混凝土柱的受力过程基本相似, 试件轴压破坏全过程均依次经历了4个阶段(弹性阶段Ⅰ, 弹塑性阶段Ⅱ, 强化阶段Ⅲ, 失效阶段Ⅳ), 每个阶段具有不同的声发射特征, 但呈现出相似的规律.
1) 弹性阶段Ⅰ: 该阶段荷载值较小, 声发射撞击率水平较低.主要原因是在轴压作用下, CFST柱内部混凝土裂隙和孔隙逐渐压密闭合, 产生的AE事件较少, 能量相对较低.
2) 弹塑性阶段Ⅱ: 裂纹萌生扩展, 钢管开始产生塑性变形, 当试件所承受的轴向压力随时间增加至最大荷载的90%左右时, 声发射撞击率水平明显提高.
3) 强化阶段Ⅲ: 撞击率继续增大, 在接近峰值荷载时急速增加至最大值, 该阶段声发射活动剧烈, 试件破坏情况较为严重, 核心混凝土逐渐开裂, 外部钢管屈曲较为明显.
4) 失效阶段Ⅳ: 钢管变形加剧, 内部混凝土逐渐膨胀压溃, 达到峰值荷载后声发射撞击率迅速降低, 外钢管由于无法抵抗核心混凝土的膨胀而最终屈服, 试件达到承载力极限状态最终破坏.
声发射能量是信号检波包络线以下的面积, 事件的能量越大, 对应裂纹破裂尺度越大.能量反映了材料损伤破坏时声发射信号的强弱, 与试件变形过程密切相关.声发射累积能量是截止到所求时刻之前所有声发射能量的总和.声发射累积撞击数反映了声发射事件活动发生的频度.结合声发射特征参数可以对试件内部声发射源的损伤程度进行评估.图 5、图 6分别为各CFST柱的声发射累积能量、累积撞击数和荷载随时间变化的关系曲线.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 荷载-时间-累积能量关系曲线Fig.5 Time relation curves of load and AE cumulative energy (a)—SRC-1.8-4-A；(b)—SRC-1.8-8-A；(c)—SRC-3.0-4-A. |
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 荷载-时间-累积撞击数关系曲线Fig.6 Time relation curves of load and AE cumulative impact number (a)—SRC-1.8-4-A；(b)—SRC-1.8-8-A；(c)—SRC-3.0-4-A. |
由图 5和图 6可以看出, 各试件在不同阶段声发射累积能量和累积撞击数近似同步变化, 都随荷载的增加而增加, 声发射累积特征参数反映了试件内部的损伤情况.在弹性阶段, 产生的声发射事件数较少, 释放的能量较低, 累积能量和累积撞击数增长缓慢, 大致呈线性关系; 到弹塑性阶段, 声发射累积能量和累积撞击数的增长速度有较大提高, 同累积能量相比, 累积撞击数的增长趋势更加趋于稳定, 试件内部损伤逐渐积累; 进入强化阶段, 荷载水平较高, 试件逐渐达到极限承载能力, 累积能量和累积撞击数的增幅最大, 都有一个明显的“台阶”状增长; 最后的失效阶段, 外部钢管屈服, 核心混凝土被压溃, 试件发生破坏时释放出大量能量, 累积能量和累积撞击数达到峰值不再增加.
2.3 声发射b值分析b值是指声发射信号累积振幅分布的对数线性斜率, 参考地震活动震级与频度的G-R准则[9], 对声发射信号而言, b值可按式(1)计算:
 | (1) |
在声发射领域, b值即材料轻微开裂多于严重开裂所释放的声发射信号, 通过观察b值的变化, 可以推断出材料内部裂纹的扩展情况.当材料主要产生微裂纹时, 表明试件内部损伤较小, 相应小幅度信号居于主导地位, 此时b值较大; 同理, 当宏观裂纹较多时, 表明材料损伤较为严重, 相应大幅度信号占据主要成分, 此时b值较小.因此, b值的大小是反映裂纹状态的有效指标, 可用于评估钢管混凝土柱在单轴压缩作用下的损伤程度.
利用Matlab对采集的声发射信号进行处理, 采用离散频度法, 用滑动窗口和最小二乘法计算声发射b值, 窗口长度取3 000, 滑动距离取1 000.图 7给出了不同试件荷载和b值随时间的变化曲线.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 荷载-时间-b值关系曲线Fig.7 Time relation curves of load and AE b value (a)—SRC-1.8-4-A；(b)—SRC-1.8-8-A；(c)—SRC-3.0-4-A. |
由图 7可知, 各试件在轴压作用下荷载和声发射b值曲线有明显的差异, 但大致也可以划分成四个阶段, 与之前划分的损伤演化阶段相一致.
1) 弹性阶段: 声发射b值在0.25左右, 伴随着荷载增加, b值出现小幅增加, 此时试件逐渐被压密, 钢管表面出现一些细微裂纹, 试件的损伤较小.
2) 弹塑性阶段: b值波动剧烈且总体趋于减小, 试件SRC-1.8-4-A和SRC-1.8-8-A的b值波动较小, 最大降幅分别为0.7和0.5, 试件SRC-3.0-4-A的b值最大降幅为1.2.这表明试件内部损伤逐步发展, 此时核心混凝土有裂缝出现, 但是未造成破坏性损伤.
3) 强化阶段: b值变化更为频繁, 整体呈现先减小、再增大、然后再次减小的特征, 说明此阶段混凝土裂纹扩展较快, 微裂纹逐渐贯通形成宏观裂纹, 试件的损伤发展较不稳定.
4) 失效阶段: b值降幅最大, 三组试件最终破坏时b值的最小值分别为0.02, 0.14和0.12, 核心混凝土被压溃, 钢管屈曲膨胀并最终破裂.
因此, 对比不同试件在各个阶段尤其是弹塑性阶段的b值变化可知, 在其他条件保持不变时, 钢管混凝土柱在单轴压缩作用下, 提高配筋率能有效提高CFST柱的承载能力.
2.4 声发射RA值和AF值分析声发射参数RA值代表上升时间与幅值的比值, AF值代表振铃计数与持续时间的比值[10], 通过对RA, AF值进行分析, 可以有效识别试件的裂纹演化模式.Aggelis等[11]研究发现, 低AF值、高RA值的AE信号通常代表剪切型裂纹, 而高AF值、低RA值的AE信号为拉伸型裂纹.图 8为典型AE信号参数示意图, 各试件RA, AF值随时间变化曲线见图 9.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 典型声发射信号参数示意图Fig.8 Schematic diagram of typical AE signal parameters |
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 RA和AF值随时间变化关系曲线Fig.9 Time relation curves of RA and AF values (a)—SRC-1.8-4-A；(b)—SRC-1.8-8-A；(c)—SRC-3.0-4-A. |
从图 9可以看出, 不同试件在单轴压缩作用下声发射信号RA值和AF值的变化规律具有相似性.当RA值高时AF值低, RA值低时AF值高, 并且荷载较低时, AF值先略微上升, 再呈下降趋势, 随后在整个弹塑性阶段AF值持续增加, 临近破坏时AF值迅速降到最低水平, 而RA值的变化趋势则与AF值的情况完全相反.
下面以试件SRC-1.8-4-A为例, 选取不同破坏阶段60 s时间长度来计算RA，AF值, 绘成散点分布图(图 10, 每一个点代表一个AE信号), 进一步从局部剖析裂纹模态的演化过程.由图 10可知, 在弹性阶段, 高AF值、低RA值的声发射信号占主要比重, 这表明此时混凝土内部主要是拉伸型裂纹, CFST柱在单轴压缩作用下, 加载初期荷载水平较低, 内部钢筋、混凝土和钢管协同受力, 共同承担轴向荷载.随着荷载增加, 弹塑性阶段裂纹逐渐增多, 试件内部声发射活动变得频繁, 高RA值、低AF值的信号逐渐增加, 拉伸型裂纹与剪切型裂纹都存在且分布大致相当, 此时内部钢筋和外部钢管对混凝土起到约束作用, 限制混凝土的膨胀扩裂.而在加载后期的强化阶段, 混凝土产生较大的剪切横向变形, 钢管发生屈曲, 试件SRC-1.8-4-A产生的AE信号中高RA值、低AF值占据主要比重, 表明此时剪切型裂纹起了决定性作用.
图 10(Fig. 10)
 | 图 10 不同破坏阶段RA和AF值变化关系图Fig.10 Relationship between RA and AF values in different failure stages (a)—弹性阶段(30~90 s)；(b)—弹塑性阶段(800~860 s)；(c)—强化阶段(1 430~1 490 s). |
由于篇幅所限, 以上仅以试件SRC-1.8-4-A为例进行了重点分析, 其他两组试件各阶段的RA, AF值变化趋势是一致的.通过对比分析可得, 试件SRC-3.0-4-A较之壁厚有所增加, 套箍作用限制了混凝土的横向发展, 因此产生的剪切型裂纹减少; 试件SRC-1.8-8-A提高了配筋率, 钢筋对核心混凝土起到约束作用, 使其与混凝土相互黏结形成共同体, 产生的剪切型裂纹更少.试验结果表明: 提高配筋率和增加钢管壁厚都能有效抑制CFST柱轴压破坏时剪切裂纹的产生, 且提高配筋率的效果更好.
3 结论1) 钢管混凝土柱在单轴压缩作用下, 损伤演化全过程可分为四个阶段: 弹性阶段、弹塑性阶段、强化阶段和失效阶段.试件的受力变形与声发射事件活动密切相关, 声发射累积能量和累积撞击数较好地反映了CFST柱的损伤程度和破坏历程.
2) 声发射b值反映了CFST柱破坏过程中裂纹的扩展变化情况.b值上升表明试件内部有微裂纹开始产生, 损伤较小; b值波动程度平稳表明损伤的持续扩展; b值快速下降表明宏观裂纹逐渐增多, 试件发生严重损伤；最后在试件失稳破坏时b值降到最低.
3) 轴压作用下CFST柱的裂纹由拉伸型逐渐演变为剪切型, 加载后期高RA值、低AF值信号占据主要比重, 钢管屈服达到极限承载力而最终破坏.提高配筋率、增加钢管壁厚都能对试件轴压破坏时剪切裂纹产生抑制, 且提高配筋率比增加钢管壁厚的效果更为明显.
参考文献
| [1] | Qing Q L. Nonlinear analysis of circular double-skin concrete-filled steel tubular columns under axial compression[J]. Engineering Structures, 2017, 131: 639-650. DOI:10.1016/j.engstruct.2016.10.019 |
| [2] | 刘艳华, 梁力, 任庆新. 方钢管橡胶混凝土短柱的轴压力学性能试验[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2011, 32(8): 1198-1201, 1209. (Liu Yan-hua, Liang Li, Ren Qing-xin. Mechanical properties of rubber concrete-filled square steel tubular stub columns subjected to axial loading[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2011, 32(8): 1198-1201, 1209.) |
| [3] | Yun H, Choi W, Seo S. Acoustic emission activities and damage evaluation of reinforced concrete beams strengthened with CFRP sheets[J]. NDT and E International, 2010, 43(7): 615-628. DOI:10.1016/j.ndteint.2010.06.006 |
| [4] | 欧佳灵, 邵永波. 轴压作用下CFRP加固圆钢管混凝土短柱的承载力分析[J]. 工程力学, 2019, 36(10): 180-188. (Ou Jia-ling, Shao Yong-bo. Static strength of concrete filled circular CFRP-steel tubular stubs under axial compression[J]. Engineering Mechanics, 2019, 36(10): 180-188.) |
| [5] | Ding F, Liu J, Liu X, et al. Mechanical behavior of circular and square concrete filled steel tube stub columns under local compression[J]. Thin-Walled Structures, 2015, 94: 155-166. DOI:10.1016/j.tws.2015.04.020 |
| [6] | Sagar R V, Rao M V. An experimental study on loading rate effect on acoustic emission based b-values related to reinforced concrete fracture[J]. Construction and Building Materials, 2014, 70: 460-472. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2014.07.076 |
| [7] | Ma G, Li H. Acoustic emission monitoring and damage assessment of FRP-strengthened reinforced concrete columns under cyclic loading[J]. Construction and Building Materials, 2017, 144: 86-98. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2017.03.169 |
| [8] | 陈智. FRP-钢管约束混凝土损伤声发射监测及健康诊断[D]. 大连: 大连理工大学, 2015. (Chen Zhi. Acoustic emission monitoring and health diagnosis for damage of hybrid FRP-steel tube confined concrete [D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2015. ) |
| [9] | Gutenberg B, Richter C F. Frequency of earthquakes in California[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1994, 34(4): 185-188. |
| [10] | Degala S, Rizzo P, Ramanathan K, et al. Acoustic emission monitoring of CFRP reinforced concrete slabs[J]. Construction and Building Materials, 2009, 23(5): 2016-2026. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2008.08.026 |
| [11] | Aggelis D G, Soulioti D V, Sapouridis N, et al. Acoustic emission characterization of the fracture process in fiber reinforced concrete[J]. Construction and Building Materials, 2011, 25(11): 4126-4131. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2011.04.049 |
