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声发射传感技术在预制预应力钢筋混凝土桥梁裂缝监测中的应用

Robert Worley II, S.M.ASCE¹; Mandar M. Dewoolkar, Ph.D., P.E., M.ASCE²; Tian Xia, Ph.D.³; Robert Farrell⁴; Daniel Orfeo⁴; Dylan Burns, Ph.D.⁵; and Dryver R. Huston, Ph.D., M.ASCE⁶

摘要:预制预应力钢筋混凝土梁是加速桥梁施工(ABC)和其他施工项目中不可缺少的组成部分，但在养护、模板拆除、张拉、运输、安装和运营过程中，裂缝的发展也引起了人们的关注。作为质量保证/质量控制(QA/QC)计划的一部分，声发射(AE)传感技术具有检测和定位预制预应力混凝土梁中裂缝的潜力，这些预制预应力混凝土梁在ABC中被用作预制桥梁构件和系统(pbe)。声发射技术系统用一组点传感器测量裂纹成核和扩展产生的弹性波，AE仪器系统是相对便携的，可以使其成为非现场制造QA / QC和现场制造QA / QC的选择。本文对相对较小的实验室钢筋混凝土梁在拉拔和三点弯曲作用下的试件进行了改进和分析，以验证声发射(AE)传感技术检测裂缝的有效性，然后介绍了声发射技术在全尺寸NEXT梁和弧形T梁在张拉和吊装过程中的应用。结果表明，声发射传感是一种实用的PBES元件质量保证/质量控制的方法。DOI:10.1061/(ASCE)BE.1943- 5592.0001377. copy;2019美国土木工程师学会。

作者关键词:加速桥梁施工(ABC);声发射(AE);弧形T梁; NEXT梁（Northeast Extreme Tee beam);预应力混凝土;预制桥梁构件与系统(PBES)。

简介:声发射技术

本研究的重点是使用声发射（AE）技术作为潜在的质量保证/质量控制（QA / QC）程序，用于预测预制预应力钢筋混凝土NEXT梁开裂相关的AE事件。在特定的预制过程中使用弧形T梁，包括从桥床上进行起重和起吊过程。作为本研究的一部分，AE技术的功效评估从实验室概念验证开始，然后进行现场测试，对预制预应力钢筋混凝土NEXT梁和弧形T梁的高应力端区域进行现场测试。

1大学土木与环境工程系研究生助理研究员佛蒙特州，33 Colchester Ave.，Burlington，VT 05405。

2大学土木与环境工程系教授。的

佛蒙特州，33 Colchester Ave.，Burlington，VT 05405。

3大学电子与生物医学工程系教授佛蒙特州，33 Colchester Ave.，Burlington，VT 05405。

4大学机械工程系研究生助理研究员佛蒙特州，33 Colchester Ave.，Burlington，VT 05405。

5大学机械工程系研究员的

佛蒙特州，33 Colchester Ave.，Burlington，VT 05405。

6大学机械工程系教授。佛蒙特州，33 Colchester Ave.，Burlington，VT 05405（通讯作者）。电子邮件：dryver.huston@uvm.edu

注意：该手稿于2018年2月28日提交;于2018年10月4日批准;在线发表于2019年2月11日。讨论期开放至2019年7月11日;必须为个别论文提交单独的讨论。本文是“桥梁工程杂志”的一部分，copy;ASCE，ISSN 1084-0702。

预制预应力钢筋混凝土梁和弧形T梁的末端区域大梁被定义为

从预拉伸钢筋到周围混凝土的应力传递的主要区域，据估计，

这是AASHTO桥梁设计规范[AASHTO（5.17.1.1）中预拉伸钢

绞线直径的60倍[AASHTO（2014);PCINE-14-ABC;PCI东北

（2014)].由于缺乏防止端区开裂的指导和标准，预制制造商目

前的实际状况是使用经验数据和反复试验的方法来减少端区开

裂的发展，以此来实现所需的梁承载能力。这种现行实际方法

可能导致许多端区加固程序，以减少端区裂缝，这对于每个预

制件制造商来说是独特的。除了有关防止端区裂缝的有限指

导之外，对于端区裂缝的接受/拒绝标准的指导也是有限的。

根据预制构件制造商和检验人员的经验和知识，通常会自主

决定是否接受端部开裂的梁。希望通过像本研究这样的研究，

对这些端区裂缝的研究能够发展出一套基于结构和可用性边

界条件的拒绝/接受标准。

本文通过对相对较小的实验室钢筋混凝土梁试件在拉拔

和三点弯曲作用下的声发射测试和分析，验证了声发射在相

对可控的实验室环境下检测裂缝的有效性。其次介绍了声发

射技术在NEXT梁和弧形T梁张拉和吊装中的应用。本研究着

重对NEXT梁和弧形T梁，并根据它们在美国东北部作为PBES

的常规用途进行测试，这些构件在任何开裂或是受到恶劣多

变的天气以及防冰材料的缺失就会导致混凝土加速腐蚀和退

化。现在，NEXT梁在美国东北部得到了广泛的应用，并已成

为桥梁建设的标准构件。

这些双T形梁有类似于箱梁或空心梁的加速结构，但它们具有易于检查的额外好处，并且没有积水的空隙空间（Tuan等。2004年; Okumus等人。2016; Arancibia和 奥库穆斯2017; Ronanki等。2017年).NEXT梁也有一个整体桥面，因此将NEXT梁的铺设部分组合在一起，形成一个桥面梁系统，只需要一个地基处理和表面处理[PCINE-14-ABC;PCI东北（2014)].

灯泡T形梁的设计正在演变成更深远的部分，以允许更多数量的预拉伸股线，使在弧形T梁中产生更大量的预应力（Hasenkamp等人。2008年)，这导致端区破裂模式类似于NEXT梁。虽然小的端部区域开裂可能不会使梁在结构上不足，但是会通过水和除冰溶液与钢筋或预拉伸股线接触而导致耐久性问题，导致生锈，这可能会导致结构缺陷。

NEXT梁和弧形T梁的三种主要类型的特征端区开裂包括水平腹板开裂，倾斜腹板开裂和Y开裂。水平腹板开裂通常发生在偏心荷载下，而倾斜腹板开裂通常发生在预拉伸股线分布荷载中。这两种类型的裂缝通常都足够小，以至于它们在过度负载下关闭。Y裂缝通常也是由预拉伸股线分布荷载引起的，但通常不会在使用荷载下关闭；因此，它是产生耐久性问题最大的可能性（Okumus和Oliva 2013).在该研究中，观察到的水平腹板裂缝的实例在图1中可见。1.图1为本研究中观测到的水平腹板裂缝实例。端区裂缝控制方法是对端区钢筋结构进行改造的一种常用方法。典型的端区钢筋形态是基于实验数据、线性分析研究和有限元分析而发展起来的，大部分是基于垂直翼缘开裂的分析而发展起来的(Okumus和Oliva 2013)。虽然目前的端区加固方式基本上消除了垂直翼缘开裂，但腹板的水平、倾斜和Y形开裂问题仍需进一步研究。

AE是由储存的弹性能量的释放产生的瞬态弹性波，它会导致塑性变形，称为“损伤”。储存的弹性能量的释放或应力的重分布可能由多种来源引起，例如负载变化，压力变化，温度变化或化学反应过程（Kaphle等。2012A, b).这些AE事件可以作为小微,纳米裂缝而导致全桥的灾难性的故障。

现有许多现代商用声发射探测系统可以记录声发射波形或从这些波形中提取的定义参数。这些系统使用表面安装的传感器来检测传播的声发射，并将模拟声发射信号转换为数字信号，在数字信号上可以使用用户识别的输入信号放大或滤波，用于振幅阈值、持续时间阈值等。

虽然有各种各样的非接触式声发射传感器，如光纤和激光干涉仪，但光学声发射传感器能够监测的物理区域有限，因为光的分布特性导致需要将光聚焦在一个小区域。大多数声发射传感器都是表面接触传感器，基于19世纪中期发现的锆钛酸铅(PZT)的压电效应。压电效应导致压电材料在施加机械应力时产生电荷，导致压电材料发生微小变形。反之，压电材料在带电时会发生变形

图1.观察到的球形T形梁的端部开裂：

（a）在腹板侧面的水平腹板开裂;

（b）横穿构件的水平裂纹。

（

（Gupta和Mnnit 2010).

PZT的晶体结构具有单独的偶极分子，其以随机极轴而不是单

极轴排列。对PZT多晶施加电场，使得PZT的偶极分子在一定程度上排列整齐。压电传感器内的PZT元件可以以各种形状和

尺寸制造，以实现不同的振动模式和工作频率范围。表面安装的传感器经受AE的振动，其激发压电元件，该压电元件通过

AE

轻微的变形产生电荷。该过程实质上将模拟AE信号转换为数字信号，然后是由AE监控设备解释并显示给最终用户。特定于

PZT元素，0.1％的变形将产生可测量的压电响应（Krautkrauml;mer和Krautkrauml;mer 1990).PZT元件将1 pm（10-12 m）弹性变形转换

为1 m V（10^minus;6 V）的电信号。由于变形的尺度和产生的信号电压可以很小，因此模拟信号经常受到多个放大器和前置放大器

的影响，以提供足够强的信号来分析和推断波形参数。

裂纹的成核、裂纹的扩展、摩擦、加载以及其他不可逆的变形过程都有可能在不同的波型下发出声波。声发射监测主要采用纵波

（体波/ P波），横波（剪切波/ S波）和表面波（瑞利波）三种波型。当粒子沿波传播方向振荡时，会出现纵波或P波。

当粒子横向于波传播方向振荡时，会发生横波或S波。表面波是由两种波型在物体表面相互作用产生的纵波和横波的组合（Kaphle等。2012A).

从源位置释放的声发射波形以类似脉冲的方式向各个方向传播，并且根据声发射源可以具有首选的方向性。脉冲的持续时间可能非常短，例如微裂纹，它释放的声发射信号脉冲的持续时间从几分之一微秒到几微秒不等。声发射传感器测量到的信号需要经过后处理才能解释原始声发射信号的代表性波形。在声发射传感器上检测到的声发射信号是初始声发射信号、反射和折射信号以及背景信号的组合。

由裂纹成核、裂纹扩展和其他事件产生的声发射信号的脉冲式传输从源点向四面八方发射，没有波的引导。在AE事件可能发生的敏感区域周围使用一系列传感器，利用信号到达时间(TOA)对发射源的位置进行三角测量。这个过程如图2所示。声发射信号记录以微秒为单位进行测量，以保证源定位的准确性。源位置的精度还取决于所监测的固体介质的上述声发射波模态输入波速的精度。混凝土特别关注的是材料在40db /m范围内的衰减特性，以及由于波与自然空隙或现有裂缝的相互作用而产生的声发射信号的散射（Kaphle等。 2012b).

当声发射传感器为声发射信号收集数据时，它们也在收集有关声发射信号的信息。每个声发射信号的具体信息有助于识别声发射源。有两种主要类型的声发射源鉴别技术用于识别声发射源(Kaphle et al. 2012b).第一个源是基于参数的分析，它从波形中提取并记录一组参数，参数包括但不限于振幅、持续时间、峰间计数和峰频，如图3所示。第二种声发射源鉴别方法是波形分析。波形分析或波形流连续记录完整波形。一般有两种类型的排放收集，突发和连续。突发发射会导致信号中出现离散峰值的波形，随后会出现环形效应，例如裂纹成核或扩展。连续发射导致波形内的持续信号没有明显的峰值，例如来自摩擦噪声源。虽然持续的辐射很重要，但是对这些波形的监测远远超出了。

(c)

AE

裂纹

(a)

(b)

传感器

因为这项研究的重点是裂纹成核和扩展事件。然而，在本研究的范围内，连续发射的分析有助于在记录的AE信号数据的后处理之前选择适当的幅度滤波器来预滤波这些发射。另外，空间滤波器可用于基于三角测量和拾取时间来拒绝AE信号。

图2. AE信号三角测量：（a）裂纹成核;（b）裂缝发出

AE信号;（c）通过三角测量的AE源位置。（改编自休斯顿2011.)

上升时间峰值

电压

电压

振幅

活动持续时间

时间

能量包络计数

幅度阈值

参考电压

图3.典型测量参数的参数分析。

方法

如前所述，本文对相对较小的实验室钢筋混凝土梁试件在拉拔和三点弯曲作用下的声发射进行了测量和分析，以验证声发射检测裂缝的有效性。然后介绍了声发射技术在全尺寸下横梁和球三通张拉和吊装中的应用。下面的部分描述了执行这些测试的方法，然后是结果和分析。

实验室和现场测试使用了Mistras AEwin传感器高速公路III（Mistras，普林斯顿，新泽西州）监测系统和相关的AEwin处理软件（物理声学2018).根据制造商的建议和ASTM标准，选择PK6I传感器用于混凝土测试[ASTM E3100-17;ASTM (2017);

资料编号：[3634]