CN107367377B - 基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件承载力评估方法 - Google Patents

基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件承载力评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件承载力评估方法，包括：通过对钢筋混凝土受弯构件施加荷载，得到声发射振铃计数变化曲线；钢筋混凝土受荷载造成构件的承载力降低，且钢筋混凝土内部的微裂纹处于开裂的临界状态，通过声发射振铃计数变化曲线评估钢筋混凝土受弯构件承载力；遍历声发射振铃计数变化曲线，根据其变化情况确定受弯构件的屈服点，根据推导的振铃计数N和构件刚度公式计算屈服刚度B1；根据振铃计数和构件承载力公式，计算受弯构件的承载力F。发明计算方法简单，便于测量，同时，利用声发射特征参数量化钢筋混凝土受弯构件的承载力，为钢筋混凝土受弯构件的承载力检测或评估提供了一种新的途径。

Description

基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件承载力评估方法
技术领域
本发明属于声发射监测领域，是一种基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件的承载力评估方法。
背景技术
声发射(AE)检测技术是一种重要的动态无损检测方法，通过材料内部由于局部应变能的快速释放而产生的瞬时弹性波来判断结构内部的损伤程度，是混凝土损伤过程的伴生现象，因此，声发射能够记忆结构破坏历史，用破坏过程产生的AE信号评估结构损伤程度是可行的。声发射检测的主要目的是通过对AE波形或AE参数的分析，得到材料或构件的受力特征，进而评估结构的承载力，但是目前还缺乏有效的手段。在实际工程中，声发射检测技术操作简单，用声发射无损检测技术可以对混凝土结构进行实时监控，便于提前做好预防措施，但是声发射检测易受到外界环境中噪声的影响，因此要做好滤波措施，并且对于有核辐射，易燃易爆，高温，低温以及人无法靠近的地方，声发射检测技术更能有效的评估结构的损伤程度。
本发明就是在这种背景下提出的一种基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件的承载力评估方法，计算方法涉及到的参数物理意义明确，便于测量，为钢筋混凝土受弯构件的承载力检测或评估提供了一种新的途径。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件承载力评估方法，是一种计算参数物理意义明确，便于测量，可操作性强的计算方法，同时利用声发射特征参数量化评估混凝土受弯构件承载力，为钢筋混凝土受弯构件的承载力检测或评估提供了一种新的途径。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件承载力评估方法，其包括如下步骤：
步骤1，通过对钢筋混凝土受弯构件施加荷载，得到声发射振铃计数变化曲线；
步骤2，钢筋混凝土受荷载造成构件的承载力降低，且钢筋混凝土内部的微裂纹处于开裂的临界状态，通过声发射振铃计数变化曲线评估钢筋混凝土受弯构件承载力；
步骤3，根据声发射振铃计数变化曲线，当振铃计数的变化率由一个相对稳定的较小值突然增大时，相应的时刻可评估为构件的屈服时刻点，根据推导的振铃计数N和构件刚度公式，计算屈服线刚度K1；
步骤4，根据推导的振铃计数的构件承载力公式，计算受弯构件的承载力。
进一步，所述构件刚度公式如下所示：
式中，N为钢筋混凝土受弯构件在不同受力阶段的声发射累计振铃计数，Nm为钢筋混凝土受弯构件在屈服点的声发射累计振铃计数，γ为试验参数，由跨中挠度和AE振铃计数的线性关系得到；Gf为混凝土的断裂能参数，Sm为构件横截面面积，n为受拉钢筋数量，Es为钢筋的弹性模量，As为钢筋的截面面积，为几何参数，由跨中挠度和最大裂缝宽度的线性得到；lm为裂纹平均间距。
进一步，所述混凝土的断裂能参数Gf通过下式得到：
其中，α为材料系数，da为混凝土的骨料平均粒径，Ec为混凝土的弹性模量，ft为混凝土的抗拉强度设计值。
进一步，所述裂纹平均间距lm通过下式得到：
式中，ct为考虑荷载长期作用的系数；c为最外层受拉钢筋外边缘至截面受拉底边距离；ρte为按混凝土受拉有效截面面积计算的配筋比；deq为受拉钢筋等效直径，其中，ni、di分别为受拉区第i种纵向钢筋的根数、公称直径，vi为第i种纵向钢筋的相对粘结特性系数。
进一步，由AE振铃计数算得的是线刚度，故基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件的屈服刚度B1＝K1l；
其中，B1为混凝土受弯构件的屈服刚度，l为钢筋混凝土受弯构件的跨度。
进一步，所述基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件的承载力评估公式为(1-2)所示：
进一步，fy为钢筋抗拉强度设计值，As为钢筋截面面积，l为钢筋混凝土受弯构件的跨度，h0为钢筋混凝土受弯构件截面的有效高度，q为钢筋混凝土受弯构件的自重，a为支座到钢筋混凝土受弯构件端部的距离。
进一步，由裂缝截面的换算惯性矩Iy计算得到混凝土裂缝截面处的混凝土受压区高度xy：
式中，b为钢筋混凝土板的宽度，其中Es为钢筋的弹性模量，E0为混凝土的弹性模量；
由B1＝E0Iy可得Iy，
其中，B1为钢筋混凝土受弯构件的屈服刚度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件的承载力检测或评估方法，是一种计算参数物理意义明确，便于测量，可操作性强的计算方法，同时利用声发射特征参数量化钢筋混凝土受弯构件的承载力，为钢筋混凝土受弯构件的承载力检测或评估提供了一种新的途径。
附图说明
图1为实施实例的钢筋混凝土板板底传感器和应变片布置图；
图2为实施实例的钢筋混凝土板的声发射振铃计数-时间变化曲线；
图3为实施实例的钢筋混凝土板的声发射数-时间变化曲线；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
本发明提供的基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件承载力评估方法，包括如下步骤：
步骤1，通过对钢筋混凝土受弯构件施加荷载，得到声发射振铃计数变化曲线；
步骤2，钢筋混凝土受荷载造成构件的承载力降低，且钢筋混凝土内部的微裂纹处于开裂的临界状态，通过声发射振铃计数变化曲线评估钢筋混凝土受弯构件承载力；
步骤3，根据声发射振铃计数变化曲线，当振铃计数的变化率由一个相对稳定的较小值突然增大时，相应的时刻可评估为构件的屈服时刻点，根据推导的振铃计数N和构件刚度公式，计算屈服线刚度K1；
步骤4，根据推导的振铃计数的构件承载力公式，计算受弯构件的承载力F。
前述构件刚度公式如下所示：
式中，N为钢筋混凝土受弯构件在不同受力阶段的声发射累计振铃计数，Nm为钢筋混凝土受弯构件在屈服点的声发射累计振铃计数，γ为试验参数，由跨中挠度和AE振铃计数的线性关系得到；Gf为混凝土的断裂能参数，Sm为构件横截面面积，n为受拉钢筋数量，Es为钢筋的弹性模量，As为钢筋的截面面积，为几何参数，由跨中挠度和最大裂缝宽度的线性关系得到；lm为裂纹平均间距。
混凝土的断裂能参数Gf通过下式得到：
其中，α为材料系数，da为混凝土的骨料平均粒径，Ec为混凝土的弹性模量，ft为混凝土的抗拉强度设计值。
裂纹平均间距lm通过下式得到：
式中，ct为考虑荷载长期作用的系数；c为最外层受拉钢筋外边缘至截面受拉底边距离；ρte为按混凝土受拉有效截面面积计算的配筋比；deq为受拉钢筋等效直径，其中，ni、di分别为受拉区第i种纵向钢筋的根数、公称直径，vi为第i种纵向钢筋的相对粘结特性系数。
前述刚度计算公式中由AE振铃计数算得的是线刚度，故基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件的屈服刚度B1＝K1l。
前述承载力评估公式如公式(1-1)所示：
当振铃计数的变化率由一个相对稳定的较小值突然增大时，相应的时刻可评估为构件的屈服时刻点。
其中，fy为钢筋抗拉强度设计值，As为钢筋截面面积，l为钢筋混凝土受弯构件的跨度，h0为钢筋混凝土受弯构件截面的有效高度，q为钢筋混凝土受弯构件的自重，这里取3kN/m，fy、As可由钢筋材料直接确定，l、h0、q可由混凝土材料和截面尺寸直接确定。a为支座到钢筋混凝土受弯构件端部的距离，这里取a为0.1m。xy为混凝土裂缝截面处的混凝土受压区高度，Iy为裂缝截面的换算惯性矩，由可得xy。式中，b为钢筋混凝土板的宽度，其中Es为钢筋的弹性模量，E0为混凝土的弹性模量。
由B1＝E0Iy可得Iy；其中，B1为钢筋混凝土受弯构件的屈服刚度。
本发明钢筋混凝土受弯构件的声发射过程大致为3个阶段：(1)未开裂阶段：此阶段梁受拉区边缘的纵向应变尚小于混凝土的极限压应变，混凝土尚未开裂，整个截面参与受力，此阶段构件处于弹性工作阶段，产生的声发射事件数相对较少或者水平很低。随着荷载的不断增加，振铃计数开始逐渐增加，构件的承载力开始逐渐降低。当受拉边缘的混凝土应变达到其极限拉应变时，将在纯弯区段出现垂直裂缝，此阶段混凝土内部的微裂纹处于开裂的临界状态，逐渐产生较多微裂纹，声发射事件数逐渐增多，使得声发射信号达到峰值，构件的承载力进一步降低。(2)带裂缝工作阶段：混凝土构件内部微裂缝进一步扩展、延伸，受拉区混凝土开裂而退出工作，纵向受拉钢筋承担拉力，受压区混凝土的压应变随之增大，声发射事件数一直处于较多的水平，构件承载力显著降低，变形加快；当振铃计数的变化率由一个相对稳定的较小值突然增大时，混凝土构件达到屈服阶段，相应的荷载就是其屈服荷载。(3)破坏阶段：此阶段混凝土构件受压区边缘混凝土达到其极限压应变，构件的裂缝进一步扩展、贯通，梁顶面的混凝土发生剥落，声发射活动快速增加，构件的承载力下降。当继续加载时，构件将会丧失承载力，声发射事件逐渐减少，最终消失。也就是说声发射事件发生在构件受力的全过程中，且在屈服，即达到承载能力时，变化尤为明显。因此基于声发射振铃计数量化评估钢筋混凝土受弯构件的承载力是可行的。
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
本发明实施实例为一个钢筋混凝土板，试件尺寸如表1所示，钢筋强度为 HRB300，保护层厚度为20mm，在本实施实例中，将应变片布置在板底靠近跨中的位置，4个传感器以长方形的形式布置在板底跨中两侧应变片处，传感器和应变片布置位置及尺寸见图1所示，图2为实施实例的钢筋混凝土板声发射振铃计数-时间变化曲线，图3为实施实例的钢筋混凝土板声发射数-时间变化曲线。
表1试件参数
采用《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)中承载力计算方法对钢筋混凝土受弯构件的承载力F进行评估检验，若规范方法计算的承载力Fr与基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件的承载力F之间的误差满足ΔF％＝(Fr—F) /Fr<10％，则基于声发射振铃计数得到的钢筋混凝土受弯构件承载力可以用于对钢筋混凝土受弯构件承载力的评估。
在本实施实例中，将基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件的承载力与规范方法得到的承载力进行验证分析，结果如表2、3所示，基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件的承载力评估公式为：
表2 B1试件承载力计算结果(测点3)
表3 B1试件承载力计算结果(测点4)
注：Bcr刚度单位为1×108N.mm，Mr弯矩单位为1×106N.mm，Fr荷载单位为1×103N，ΔF％＝(Fr—F)/Fr。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件承载力评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，通过对钢筋混凝土受弯构件施加荷载，得到声发射振铃计数变化曲线；
步骤2，钢筋混凝土受荷载造成构件的承载力降低，且钢筋混凝土内部的微裂纹处于开裂的临界状态，通过声发射振铃计数变化曲线评估钢筋混凝土受弯构件承载力；
步骤3，根据声发射振铃计数变化曲线，当振铃计数的变化率由一个相对稳定的较小值突然增大时，相应的时刻可评估为构件的屈服时刻点，根据推导的振铃计数N和构件刚度公式，由下式计算屈服线刚度K1；
B1＝K1l；
其中，B1为混凝土受弯构件的屈服刚度，l为钢筋混凝土受弯构件的跨度；
步骤4，根据推导的振铃计数的构件承载力公式，计算受弯构件的承载力F：
式中，fy为钢筋抗拉强度设计值，As为钢筋截面面积，xy为混凝土裂缝截面处的混凝土受压区高度，l为钢筋混凝土受弯构件的跨度，h0为钢筋混凝土受弯构件截面的有效高度，q为钢筋混凝土受弯构件的自重，a为支座到钢筋混凝土受弯构件端部的距离。
2.根据权利要求1所述的基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件承载力评估方法，其特征在于，所述构件刚度公式如下所示：
式中，N为钢筋混凝土受弯构件在不同受力阶段的声发射累计振铃计数；Nm为钢筋混凝土受弯构件在屈服点的声发射累计振铃计数；γ为试验参数，由跨中挠度和AE振铃计数的线性关系得到；Gf为混凝土的断裂能参数；Sm为构件横截面面积；n为受拉钢筋数量；Es为钢筋的弹性模量；As为钢筋的截面面积；为几何参数，由跨中挠度和最大裂缝宽度的线性得到；lm为裂纹平均间距。
3.根据权利要求2所述的基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件承载力评估方法，其特征在于，所述混凝土的断裂能参数Gf通过下式得到：
其中，α为材料系数，da为混凝土的骨料平均粒径，Ec为混凝土的弹性模量，ft为混凝土的抗拉强度设计值。
4.根据权利要求2所述的基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件承载力评估方法，其特征在于，所述裂纹平均间距lm通过下式得到：
式中，ct为考虑荷载长期作用的系数；c为最外层受拉钢筋外边缘至截面受拉底边距离；ρte为按混凝土受拉有效截面面积计算的配筋比；deq为受拉钢筋等效直径，其中，ni、di分别为受拉区第i种纵向钢筋的根数、公称直径，vi为第i种纵向钢筋的相对粘结特性系数。
5.根据权利要求1所述的基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件承载力评估方法，其特征在于，由裂缝截面的换算惯性矩Iy计算得到混凝土裂缝截面处的混凝土受压区高度xy：
式中，b为钢筋混凝土板的宽度，其中Es为钢筋的弹性模量，E0为混凝土的弹性模量；
由B1＝E0Iy可得Iy。
6.根据权利要求1所述的基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件承载力评估方法，其特征在于，采用《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)中承载力计算方法对钢筋混凝土受弯构件的承载力F进行评估检验，若规范方法计算的承载力Fr与基于声发射振铃计数的钢筋混凝土受弯构件的承载力F之间的误差满足ΔF％＝(Fr—F)/Fr<10％，则基于声发射振铃计数得到的钢筋混凝土受弯构件承载力可以用于对钢筋混凝土受弯构件承载力的评估。
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