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摘 要：为了确定声发射技术在实际混凝土构件中进行损伤识别和定位的可行性和有效性，本文基于声发射技术，通过在实验室条件下三点集中荷载加载，对混凝土模型梁在加载过程中声发射信号的变化规律进行系统研究，试验充分表明可以通过对声发射参数和波形的分析实现构件损伤的预警，特别是在损伤发展的初级阶段，声发射技术能够及时捕捉到常规测试手段所不能反映的损伤出现和累积现象。声发射事件的定位具有一定的合理性，可以有助于我们进一步明确构件损伤出现的位置和发展情况，这也为后期进一步展开构件损伤活动性的长期健康监测提供重要的技术参考。
关键词：声发射技术；混凝土梁；参数分析；波形分析；定位分析
一、引言
声发射（Acoustic Emission， AE）是指当材料受到外荷载作用发生塑性变形或者破坏时，材料以弹性波形式释放应变能的现象。声发射技术的特点是通过被动的记录结构加载期间材料内部缺陷出现或发展时释放的应变能，来诊断材料和结构的受力特性和使用寿命。因此，在使用声发射技术进行检测时必然需要加载过程。针对上述背景，本文基于声发射技术，通过三点集中荷载加载，在实验室条件下对混凝土模型梁在加载过程中声发射信号的变化规律进行系统研究，分别从参数分析和波形分析两个方面对混凝土监测区域损伤的出现和发展进行分析和评价，也为以后进一步展开混凝土结构的长期健康监测奠定有益的基础。
二、模型梁设计
为确定声发射技术在实际混凝土构件中进行损伤识别和定位的可行性和有效性，在实验室条件下对一根混凝土梁在加载条件下的声发射信号进行了系统测试。梁体长度为2.4m，混凝土梁截面尺寸为：梁高22.5cm，宽23.5cm。混凝土梁配置4根纵向钢筋，直径为12mm，混凝土强度等级为C25。为确保试验效果，使加载过程混凝土内部缺陷的出现和发展尽可能相对集中，加载时采用两端简支、中间集中加载方式，简支梁跨度取1.8m。
三、模型试验
（一）测试仪器以及设置
测试过程中采用美国PAC公司（美国物理声学公司）的SAMOS-8系统，配备8通道，8个传感器，可以同时采集声发射参数和波形，传感器采用AST自动传感器。仪器参数设置要根据试验室的现场条件和测试对象进行现场调试。经过调试，当门槛值设为40dB时，系统能够较为有效的过滤试验室背景噪声，测试时为了确保测试过程中声发射信号具有良好的信噪比，门槛值实际设为45dB。试验开始之前在模型混凝土梁表面进行多次断芯试验，记录每次声发射信号的上升时间。最后综合确定峰值定义时间（PDT）、撞击定义时间（HDT）和撞击闭锁时间（HLT）分别设置为100，200，300？s。
（二）传感器布置和加载方式
本次测试系统共有8个传感器，可以同时采集声发射参数和波形，测试中采用凡士林作为耦合剂。为了确保试验效果，尽可能有效排除外界噪声干扰，经过试验校正，各传感器主要布设在中心加载点周围15-25cm区域内，分别布置在跨中附近的3个侧面。其中前后两个侧面各布置3个传感器，底面布置2个，各个侧面的传感器间最大距离均不超过25cm。为了使混凝土梁的破坏区域尽可能集中，本次试验采用跨中位置集中加载方式，荷载包括梁体自重和集中力荷载，分级加载，每一级包括加载和保载两个阶段，加载过程同时记录声发射信号和梁体挠度的变化情况，直至梁体进入明显的非线性变形阶段之后进行卸载。
四、试验结果与分析
在同一荷载等级下，梁体挠度的分布基本根据轴线中点呈对称分布。随着荷载等级的增大，梁体挠度不断增大，加载至荷载等级13时，梁体中间位置最大挠度值达到22.62mm。卸载后整个梁没有恢复至初始状态，存在较大的残余变形。进一步对梁体跨中挠度随荷载等级的变化情况进行分析，在第10级荷载等級之前，挠度与荷载基本保持线性关系发展，说明在第10级荷载等级（50kN）之前，梁体保持弹性变化状态，自第11级荷载等级起，梁体进入塑性变形阶段。
可以发现振铃计数和声发射撞击数之间存在较好的线性关系。在此基础上，进一步分析个声发射参数随着荷载等级的变化规律：
图1显示的是各声发射参数随着荷载等级的变化关系，在第10级荷载等级（50kN）下，各声发射参数都有一个明显的突变，这现象与梁体中间位置的挠度荷载曲线所展示的规律一致。表明在梁体进入大规模塑性变形阶段伴随大量声发射信号的产生。进一步分析可以发现，在第三级荷载等级（10kN）附近各声发射参数同样存在一个明显的突变，显示在第三和第四级荷载等级之间材料存在明显的声发射现象，表明在这个阶段梁体已经出现一些细微的裂缝开展和损伤活动，只是在宏观现象上没有及时的表现出来，比如梁体中点的挠度荷载曲线并没有明显的展示该信息。根据Beattie研究，声发射信号幅值的增大很有可能意味着大量裂缝的集中出现和发展，进一步分析声发射信号幅值分布及其发展规律。
通过上述分析，声发射信号的出现可以定性的分析构件内部损伤的出现和不断发展的情况，特别是在损伤发展的初期，声发射信号具有较高的敏感度，能够有效的捕捉到微裂缝的出现和发展。在此基础上，如何进一步确定损伤的位置具有重要的意义。声发射系统通过不同传感器接收到同一个事件的不同撞击信号，利用声发射信号在构件中的传播速度，对声发射源的位置进行迭代定位。
五、结论
通过模型梁的声发射试验和数据分析，可以得到如下结论：
1、声发射信号参数的变化规律与构件损伤的出现和发展具有密切的关系，在第10级荷载等级（50kN）下，各声发射参数都有一个明显的突变，表明在梁体进入大规模塑性变形阶段伴随大量声发射信号的产生；试验充分表明可以通过对声发射参数（幅值、撞击、事件率、能量等）的分析实现构件损伤的预警，特别是在损伤发展的初级阶段，声发射技术能够及时捕捉到常规测试手段所不能反映的损伤出现和累积现象。
2、在不同的荷载等级下各阶段声发射的频谱特性基本类似，声发射信号主要集中在100～300kHz，中心荷载约在160kHz。说明在各个阶段，混凝土梁发生破坏的机制基本类似，监测区域以混凝土材料受拉破坏为主要破坏形式。
3、梁体声发射事件的定位和发展规律与裂缝最初从梁底出现并逐渐向梁顶方向发展的宏观规律相吻合，进一步证明声发射事件的定位具有一定的合理性，可以有助于我们进一步明确构件损伤出现的位置和发展情况，这也为后期进一步展开构件损伤活动性的长期健康监测提供重要的技术参考。
参考文献
[1]袁振明，马羽宽，何泽云. 声发射技术及其应用. 北京：机械工业出版社， 1985.
[2]《国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材》编审委员会. 声发射检测. 北京：机械工业出版社， 2005.
[3]李乃平，马越. 超声波检测砼缺陷的基本原理、方法和影响因素. 陕西建筑，2007， （8）.
[4]E. Eberhardtl， D. Stead2， B. Stimpson3， R.S. Read. CHANGES IN ACOUSTIC EVENT PROPERTIES WITH PROGRESSIVE FRACTURE DAMAGE. Int. J. Rock Mech. & Min. Sci. 1997， Vol. 34.
关键词：声发射技术；混凝土梁；参数分析；波形分析；定位分析
一、引言
声发射（Acoustic Emission， AE）是指当材料受到外荷载作用发生塑性变形或者破坏时，材料以弹性波形式释放应变能的现象。声发射技术的特点是通过被动的记录结构加载期间材料内部缺陷出现或发展时释放的应变能，来诊断材料和结构的受力特性和使用寿命。因此，在使用声发射技术进行检测时必然需要加载过程。针对上述背景，本文基于声发射技术，通过三点集中荷载加载，在实验室条件下对混凝土模型梁在加载过程中声发射信号的变化规律进行系统研究，分别从参数分析和波形分析两个方面对混凝土监测区域损伤的出现和发展进行分析和评价，也为以后进一步展开混凝土结构的长期健康监测奠定有益的基础。
二、模型梁设计
为确定声发射技术在实际混凝土构件中进行损伤识别和定位的可行性和有效性，在实验室条件下对一根混凝土梁在加载条件下的声发射信号进行了系统测试。梁体长度为2.4m，混凝土梁截面尺寸为：梁高22.5cm，宽23.5cm。混凝土梁配置4根纵向钢筋，直径为12mm，混凝土强度等级为C25。为确保试验效果，使加载过程混凝土内部缺陷的出现和发展尽可能相对集中，加载时采用两端简支、中间集中加载方式，简支梁跨度取1.8m。
三、模型试验
（一）测试仪器以及设置
测试过程中采用美国PAC公司（美国物理声学公司）的SAMOS-8系统，配备8通道，8个传感器，可以同时采集声发射参数和波形，传感器采用AST自动传感器。仪器参数设置要根据试验室的现场条件和测试对象进行现场调试。经过调试，当门槛值设为40dB时，系统能够较为有效的过滤试验室背景噪声，测试时为了确保测试过程中声发射信号具有良好的信噪比，门槛值实际设为45dB。试验开始之前在模型混凝土梁表面进行多次断芯试验，记录每次声发射信号的上升时间。最后综合确定峰值定义时间（PDT）、撞击定义时间（HDT）和撞击闭锁时间（HLT）分别设置为100，200，300？s。
（二）传感器布置和加载方式
本次测试系统共有8个传感器，可以同时采集声发射参数和波形，测试中采用凡士林作为耦合剂。为了确保试验效果，尽可能有效排除外界噪声干扰，经过试验校正，各传感器主要布设在中心加载点周围15-25cm区域内，分别布置在跨中附近的3个侧面。其中前后两个侧面各布置3个传感器，底面布置2个，各个侧面的传感器间最大距离均不超过25cm。为了使混凝土梁的破坏区域尽可能集中，本次试验采用跨中位置集中加载方式，荷载包括梁体自重和集中力荷载，分级加载，每一级包括加载和保载两个阶段，加载过程同时记录声发射信号和梁体挠度的变化情况，直至梁体进入明显的非线性变形阶段之后进行卸载。
四、试验结果与分析
在同一荷载等级下，梁体挠度的分布基本根据轴线中点呈对称分布。随着荷载等级的增大，梁体挠度不断增大，加载至荷载等级13时，梁体中间位置最大挠度值达到22.62mm。卸载后整个梁没有恢复至初始状态，存在较大的残余变形。进一步对梁体跨中挠度随荷载等级的变化情况进行分析，在第10级荷载等級之前，挠度与荷载基本保持线性关系发展，说明在第10级荷载等级（50kN）之前，梁体保持弹性变化状态，自第11级荷载等级起，梁体进入塑性变形阶段。
可以发现振铃计数和声发射撞击数之间存在较好的线性关系。在此基础上，进一步分析个声发射参数随着荷载等级的变化规律：
图1显示的是各声发射参数随着荷载等级的变化关系，在第10级荷载等级（50kN）下，各声发射参数都有一个明显的突变，这现象与梁体中间位置的挠度荷载曲线所展示的规律一致。表明在梁体进入大规模塑性变形阶段伴随大量声发射信号的产生。进一步分析可以发现，在第三级荷载等级（10kN）附近各声发射参数同样存在一个明显的突变，显示在第三和第四级荷载等级之间材料存在明显的声发射现象，表明在这个阶段梁体已经出现一些细微的裂缝开展和损伤活动，只是在宏观现象上没有及时的表现出来，比如梁体中点的挠度荷载曲线并没有明显的展示该信息。根据Beattie研究，声发射信号幅值的增大很有可能意味着大量裂缝的集中出现和发展，进一步分析声发射信号幅值分布及其发展规律。
通过上述分析，声发射信号的出现可以定性的分析构件内部损伤的出现和不断发展的情况，特别是在损伤发展的初期，声发射信号具有较高的敏感度，能够有效的捕捉到微裂缝的出现和发展。在此基础上，如何进一步确定损伤的位置具有重要的意义。声发射系统通过不同传感器接收到同一个事件的不同撞击信号，利用声发射信号在构件中的传播速度，对声发射源的位置进行迭代定位。
五、结论
通过模型梁的声发射试验和数据分析，可以得到如下结论：
1、声发射信号参数的变化规律与构件损伤的出现和发展具有密切的关系，在第10级荷载等级（50kN）下，各声发射参数都有一个明显的突变，表明在梁体进入大规模塑性变形阶段伴随大量声发射信号的产生；试验充分表明可以通过对声发射参数（幅值、撞击、事件率、能量等）的分析实现构件损伤的预警，特别是在损伤发展的初级阶段，声发射技术能够及时捕捉到常规测试手段所不能反映的损伤出现和累积现象。
2、在不同的荷载等级下各阶段声发射的频谱特性基本类似，声发射信号主要集中在100～300kHz，中心荷载约在160kHz。说明在各个阶段，混凝土梁发生破坏的机制基本类似，监测区域以混凝土材料受拉破坏为主要破坏形式。
3、梁体声发射事件的定位和发展规律与裂缝最初从梁底出现并逐渐向梁顶方向发展的宏观规律相吻合，进一步证明声发射事件的定位具有一定的合理性，可以有助于我们进一步明确构件损伤出现的位置和发展情况，这也为后期进一步展开构件损伤活动性的长期健康监测提供重要的技术参考。
参考文献
[1]袁振明，马羽宽，何泽云. 声发射技术及其应用. 北京：机械工业出版社， 1985.
[2]《国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材》编审委员会. 声发射检测. 北京：机械工业出版社， 2005.
[3]李乃平，马越. 超声波检测砼缺陷的基本原理、方法和影响因素. 陕西建筑，2007， （8）.
[4]E. Eberhardtl， D. Stead2， B. Stimpson3， R.S. Read. CHANGES IN ACOUSTIC EVENT PROPERTIES WITH PROGRESSIVE FRACTURE DAMAGE. Int. J. Rock Mech. & Min. Sci. 1997， Vol. 34.