CN110687209A - 一种基于声发射累计事件数的再生混凝土损伤演化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于声发射累计事件数的再生混凝土损伤演化方法，通过对再生混凝土构件施加轴向压荷载，同步测得其声发射信号，并对构件受荷过程中的应力水平进行计算；建立再生混凝土应力水平‑声发射累计事件数的多项式数学模型；对模型求导可得到声发射累计事件数的概率密度函数；通过对声发射事件数概率密度函数进行积分可得到再生混凝土受压破坏损伤演化模型；根据得到的基于声发射累计事件数的再生混凝土损伤演化模型对其受压破坏过程进行分析。本发明结合数学方法和声发射理论，利用基于声发射累计事件数的再生混凝土损伤演化模型分析构件受压破坏机理，对其损伤演变过程进行评估，为钢筋混凝土结构健康监测和灾害预警提供了一种新的途径。

Description

一种基于声发射累计事件数的再生混凝土损伤演化方法
技术领域
本发明属于声发射监测技术领域，特别涉及一种基于声发射累计事件数的再生混凝土损伤演化方法。
背景技术
混凝土作为一种性能优异的建筑材料被广泛的应用于建筑行业当中，对社会的建设发展起到了重要的作用。但是，混凝土在生产过程中需要大量的石料等原生材料，而这些原料将随着日益增多的混凝土的使用而终将枯竭。再生混凝土作为一种新兴的建筑材料，不仅解决了目前面临的资源短缺问题，同时也解决了建筑垃圾处理难的问题。但再生混凝土由于有包裹粗骨料的原生砂浆，导致其与普通混凝土的受力性能和破坏机理有所不同，因此当其在建筑工程中使用时有必要对其损伤状态进行识别。声发射作为一种高灵敏度的无损检测技术，接收到的信号来自于材料内部的真是损伤源，包含着较多的损伤信息。因此，通过对声发射参数特征进行分析，建立参数变化和材料内部损伤变化的关系就能及时对构件损伤进行评估。然而，目前针对声发射技术在再生混凝土损伤评价中应用的研究还存在不足。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于声发射累计事件数的再生混凝土损伤演化方法，利用声发射累计事件数概率密度函数及损伤模型对再生混凝土受压破坏过程进行分析，反映再生混凝土构件的受压破坏过程，为再生混凝土构件受压破坏的内部损伤分析提供了一种新的途径。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于声发射累计事件数的再生混凝土损伤演化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，通过对再生混凝土构件施加轴向压荷载，同步测得其声发射信号，并对构件受荷过程中的应力水平进行计算，应力水平计算公式如下：
Figure BDA0002240632690000021
式中，σt为t时刻的应力瞬时值，σ0为峰值应力，β为应力水平；
步骤2，建立再生混凝土应力水平-声发射累计事件数的多项式数学模型，具体可通过作应力水平-累计事件数的散点图并进行拟合得到，模型公式如下：
N＝a+bβ+cβ2+dβ3+eβ4
式中，N为应力水平为β时的声发射累计事件数，a、b、c、d、e为待定系数值，可通过对应力水平-累计事件数的散点图进行拟合得到。
其中，b反映了再生混凝土构件中再生骨料存在的缺陷情况，b越大，表明再生骨料缺陷越多。
步骤3，对多项式数学模型进行求导可得到声发射累计事件数的概率密度函数，从β到β+dβ这一过程中产生的声发射事件数的概率密度函数可以表示为：
Figure BDA0002240632690000022
式中，N0为自初始应力加载至峰值应力时发生的声发射事件数总数；
步骤4，通过对声发射事件数概率密度函数进行积分可得再生混凝土受压破坏过程中的损伤状况，得到再生混凝土受压破坏损伤演化模型为：
Figure BDA0002240632690000023
式中，D为构件损伤因子，且有
Figure BDA0002240632690000024
D的取值范围为0～1，当D＝0时，表示构件处于无损状态，D值越大，表明损伤越大，当D＝1时，表示构件完全损伤。
步骤5，根据得到的声发射累计事件数概率密度函数与损伤演化模型对再生混凝土受压破坏过程进行分析。结合构件受压破坏损伤模型及其破坏机理，分析再生混凝土损伤演变过程，进而对其破坏程度进行评估。
与现有技术相比，本发明利用声发射累计事件数概率密度函数及损伤模型对再生混凝土受压破坏过程进行分析，反映再生混凝土构件的受压破坏过程，为再生混凝土构件受压破坏的内部损伤分析提供了一种新的途径。
附图说明
图1为实施例的再生混凝土试块传感器和应变片布置图。
图2为实施例的累计事件数与应力水平变化关系图。
图3位声发射累计事件数概率密度与损伤因子随应力水平变化关系图。
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。
本发明一种基于声发射累计事件数的再生混凝土损伤演化方法，包括如下步骤：
步骤1，通过对再生混凝土构件施加轴向压荷载，同步测得其声发射信号，并对构件受荷过程中的应力水平进行计算，应力水平计算公式如下：
Figure BDA0002240632690000031
式中，σt为t时刻的应力瞬时值，σ0为峰值应力，β为应力水平；
再生混凝土构件的声发射过程大致为3个阶段：(1)阶段Ⅰ(应力水平为0.0-0.3)：此阶段再生混凝土内部初始缺陷、裂隙压实，多发生骨料弹性变形，水泥砂浆与骨料之间处于微开裂的临界状态，声发射活动相对较少；(2)阶段Ⅱ(应力水平为0.3-0.7)：此阶段随着荷载增加，骨料与水泥砂浆界面出现粘结裂缝，裂缝端部逐渐出现微裂区，同时水泥凝胶体出现缓慢的粘性流动变形，声发射信号增多；(3)阶段Ⅲ(应力水平为0.7-1.0)：随着应力水平的升高，原有裂缝逐渐扩展延伸，呈现为非稳定性扩展，声发射信号大量增加。由此可见，声发射事件数发生在构件受力的全过程中变化明显，因此基于声发射事件数的再生混凝土损伤演化模型分析再生混凝土受压破坏是可行的。
步骤2，建立再生混凝土应力水平-声发射累计事件数的多项式数学模型，具体可通过作应力水平-累计事件数的散点图并进行拟合得到，模型公式如下：
N＝a+bβ+cβ2+dβ3+eβ4
式中，N为应力水平为β时的声发射累计事件数，a、b、c、d、e为待定系数值，可通过对应力水平-累计事件数的散点图进行拟合得到。
其中，b反映了再生混凝土构件中再生骨料存在的缺陷情况，b越大，表明再生骨料缺陷越多。
步骤3，对多项式数学模型进行求导可得到声发射累计事件数的概率密度函数，从β到β+dβ这一过程中产生的声发射事件数的概率密度函数可以表示为：
Figure BDA0002240632690000041
式中，N0为自初始应力加载至峰值应力时发生的声发射事件数总数；
步骤4，通过对声发射累计事件数概率密度函数进行积分可得再生混凝土受压破坏过程中的损伤状况，得到再生混凝土受压破坏损伤演化模型为：
Figure BDA0002240632690000042
式中，D为构件损伤因子，且有
Figure BDA0002240632690000043
D的取值范围为0～1，当D＝0时，表示构件处于无损状态；D值越大，表明损伤越大，当D＝1时，表示构件完全损伤。
步骤5，根据得到的声发射累计事件数概率密度函数与损伤演化模型对再生混凝土受压破坏过程进行分析。结合构件受压破坏损伤模型及其破坏机理，分析再生混凝土损伤演变过程，进而对其破坏程度进行评估。
在本发明的一个具体实施例中，参考图1，采用尺寸为150mm×150mm×150mm的再生混凝土试块，将应变片1布置在试件两侧面中心线位置处，垂直于浇灌方向。利用传感器2布置于混凝土试件的侧面来采集声发射信号，采用放大器3将传感器信号放大，应变片1、传感器2及放大器3布置位置见图1所示，试件相关参数如表1所示。
表1试件参数
Figure BDA0002240632690000051
在本实施例中，对再生混凝土试块施加轴向压荷载，同步测得声发射信号，将应力水平-声发射累计事件数散点图进行拟合可得拟合曲线见图2，其多项式模型如下所示：
N＝a+bβ+cβ2+dβ3+eβ4
式中，a＝-293.6,b＝34931.6,c＝103041,d＝-259033,e＝159353.1。经计算得到累计事件数的多项式模型拟合的相关系数为0.99742，故多项式模型拟合效果良好。
声发射累计事件数概率密度与损伤因子随应力水平变化规律见图3，由此多项式模型可得概率密度函数与损伤演化模型如下所示：
f(β)＝0.9139+5.3917β-20.3312β2+16.6766β3
D(β)＝0.9139β+2.6959β2-6.7771β3+4.1691β4
当应力水平处于0.0-0.3范围内时，由于再生混凝土内部初始损伤释放大量能量，概率密度值较大，而此时再生混凝土仍处于弹性阶段，故损伤因子曲线稳步上升，基本呈线性发展；当应力水平处于0.3-0.7范围内时，声发射信号主要来源于水泥砂浆与骨料之间出现微裂缝，随着裂缝稳定开展，概率密度值逐步降低，损伤因子增长速度减缓；当应力水平处于0.7-1.0范围内时，原先的裂纹逐渐延伸、扩展，产生的声发射信号大量增加，概率密度随之增大至峰值，损伤因子也进入快速扩展期，直至达到峰值应力。基于以上分析，可见采用本发明损伤模型能对再生混凝土受压破坏机理进行合理分析。
由此可见，本发明结合数学方法和声发射理论，利用基于声发射事件数的再生混凝土损伤演化模型分析构件受压破坏机理，对其损伤演变过程进行评估，为钢筋混凝土结构健康监测和灾害预警提供了一种新的途径。
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 (7)

1.一种基于声发射累计事件数的再生混凝土损伤演化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，通过对再生混凝土构件施加轴向压荷载，同步测得其声发射信号，并对构件受荷过程中的应力水平进行计算；
步骤2，建立再生混凝土应力水平-声发射累计事件数的多项式数学模型；
步骤3，对多项式数学模型进行求导得到声发射累计事件数的概率密度函数；
步骤4，通过对声发射累计事件数概率密度函数进行积分得到再生混凝土受压破坏损伤演化模型为：
Figure FDA0002240632680000011
式中，D为构件损伤因子，β为应力水平，
Figure FDA0002240632680000012
b、c、d、e为待定系数值，通过对应力水平-累计事件数的散点图进行拟合得到，N0为自初始应力加载至峰值应力时发生的声发射事件数总数；
步骤5，根据得到的声发射累计事件数的概率密度函数与损伤演化模型对再生混凝土受压破坏过程进行分析。
2.根据权利要求1所述基于声发射累计事件数的再生混凝土损伤演化方法，其特征在于，所述应力水平通过下式得到：
Figure FDA0002240632680000013
式中，σt为t时刻的应力瞬时值，σ0为峰值应力，β为应力水平。
3.根据权利要求1所述基于声发射累计事件数的再生混凝土损伤演化方法，其特征在于，所述步骤2中，通过作应力水平-累计事件数的散点图并进行拟合，建立多项式数学模型如下：
N＝a+bβ+cβ2+dβ3+eβ4
式中，N为应力水平为β时的声发射累计事件数，a、b、c、d、e为待定系数值，通过对应力水平-累计事件数的散点图进行拟合得到。
4.根据权利要求3所述基于声发射累计事件数的再生混凝土损伤演化方法，其特征在于，所述步骤3中，构件应力水平从β到β+dβ这一过程中产生的声发射事件数的概率密度函数表示为：
Figure FDA0002240632680000021
5.根据权利要求3或4所述基于声发射累计事件数的再生混凝土损伤演化方法，其特征在于，待定系数值b反映了再生混凝土构件中再生骨料存在的缺陷情况，b越大，表明再生骨料缺陷越多。
6.根据权利要求1所述基于声发射累计事件数的再生混凝土损伤演化方法，其特征在于，所述构件损伤因子D的取值范围为0～1，当D＝0时，表示构件处于无损状态，D值越大，表明损伤越大当D＝1时，表示构件完全损伤。
7.根据权利要求1所述基于声发射累计事件数的再生混凝土损伤演化方法，其特征在于，所述步骤5中，结合构件受压破坏损伤模型及其破坏机理，分析再生混凝土损伤演变过程，进而对其破坏程度进行评估。
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