聲發(fā)射技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

1、聲發(fā)射技術(shù)在正交異性鋼橋面板疲勞損傷監(jiān)測中的應(yīng)用展望目錄聲發(fā)射技術(shù)在正交異性鋼橋面板疲勞損傷監(jiān)測中的應(yīng)用展望31.聲發(fā)射技術(shù)及其原理32.聲發(fā)射信號的特點(diǎn)42.1Kaiser效應(yīng)42.2金屬破壞過程中的聲發(fā)射53.聲發(fā)射在土木工程中的應(yīng)用63.1聲發(fā)射在巖土領(lǐng)域的應(yīng)用63.2聲發(fā)射在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用73.3聲發(fā)射在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用74.橋梁結(jié)構(gòu)高周疲勞理論85.聲發(fā)射在橋梁結(jié)構(gòu)疲勞監(jiān)測中的應(yīng)用96.現(xiàn)有研究的不足及展望12聲發(fā)射技術(shù)在正交異性鋼橋面板疲勞損傷監(jiān)測中的應(yīng)用展望1. 聲發(fā)射技術(shù)及其原理聲發(fā)射技術(shù)（Acoustic Emission Technique）作為一門檢測技術(shù)起步于 20 世

2、紀(jì) 50 年代的德國，開始應(yīng)用于材料研究最早在工程材料方面對聲發(fā)射進(jìn)行研究的當(dāng)屬1941年的Obert和1942年的Hodgson,他們不僅提出了聲發(fā)射檢測的基本思想,而且研究了發(fā)現(xiàn)破裂點(diǎn)的定位技術(shù),并想據(jù)此確定巖石中的最大應(yīng)力區(qū)1。在 60 年代開始應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域。我國則于 70 年代開始應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)。聲發(fā)射檢測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于石油化工工業(yè)、電力工業(yè)、材料及力學(xué)方面的研究、汽車工業(yè)、民用工程、航空航天、金屬加工、焊接質(zhì)量檢測與監(jiān)控等領(lǐng)域2-3。圖 1 聲發(fā)射監(jiān)測原理固體物質(zhì)在外界條件(機(jī)械載荷、溫度變化等)作用下,其內(nèi)部將產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于應(yīng)力集中區(qū)的高能狀態(tài)是不穩(wěn)定的,它必將

3、向穩(wěn)定的低能狀態(tài)過渡,在這一過渡過程中,應(yīng)變能將以彈性波的方式快速釋放,即聲發(fā)射現(xiàn)象。各種材料的聲發(fā)射范圍很寬,從次聲頻、聲頻到超聲頻,所以聲發(fā)射有時(shí)也稱為應(yīng)力波發(fā)射(Stress wave emission)。在地質(zhì)上有時(shí)稱為微震(Microseismic)。聲發(fā)射是一種非常普遍的物理現(xiàn)象,大多數(shù)金屬材料和幾乎所有的巖石在塑性變形和斷裂時(shí)都有聲發(fā)射發(fā)生。在外部條件作用下，材料或零部件的缺陷或潛在缺陷改變狀態(tài)而自動(dòng)發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象亦稱為聲發(fā)射。由于這種聲發(fā)射彈性波能反映出材料的一些性質(zhì)，故采用檢測聲發(fā)射信號的方法，可以判斷材料或設(shè)備的某種狀態(tài)。運(yùn)用儀器檢測、記錄、分析聲發(fā)射信號，并利用聲發(fā)

4、射信號診斷發(fā)射源狀態(tài)的技術(shù)稱為聲發(fā)射檢測技術(shù)。聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)無損檢測方法，它可以對檢測對象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，且檢測靈敏度高。此外，幾乎所有材料都具有聲發(fā)射特性，所以聲發(fā)射檢測不受材料限制，且不受檢測對象的尺寸、幾何形狀、工作環(huán)境等因素的影響。42. 聲發(fā)射信號的特點(diǎn)122.1 Kaiser效應(yīng)1950年,德國科學(xué)家Kaiser發(fā)現(xiàn)受單向拉伸力作用的金屬材料,只有當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料所受過的最大先期應(yīng)力時(shí),才會(huì)有明顯的聲發(fā)射(AE)出現(xiàn),這就是著名的Kaiser效應(yīng)5。Kaiser效應(yīng)是材料在重復(fù)加載過程中出現(xiàn)的一種聲發(fā)射異?，F(xiàn)象。它表明巖石具有“記憶”其應(yīng)力歷史的能力。自從德國人J·

5、Kaiser在1953年發(fā)現(xiàn)了金屬材料的Kaiser效應(yīng)以后,人們對巖石是否也表現(xiàn)出Kaiser效應(yīng)的問題,一直持兩種截然相反的意見。甚至1975年在美國舉行的第一次地質(zhì)結(jié)構(gòu)與材料聲發(fā)射學(xué)術(shù)討論會(huì)上,對此也沒有取得一致意見。但就在這次會(huì)議后不久,金川忠、林正夫等人報(bào)告了他們對凝灰?guī)r的Kaiser效應(yīng)的研究,以及利用這一效應(yīng)確定巖石試件先前所受的最大應(yīng)力的試驗(yàn)結(jié)果。到目前為止,已在幾十種巖石中發(fā)現(xiàn)了Kaiser效應(yīng)的存在,并提出了各種利用Kaiser效應(yīng)測定地應(yīng)力的方法。材料在長期應(yīng)力的作用下,由于蠕變裂紋的擴(kuò)展,使某些晶粒損傷,導(dǎo)致晶粒的強(qiáng)度降低.因而在室內(nèi)試驗(yàn)中,單軸壓縮應(yīng)力使強(qiáng)度降低的晶粒

6、斷裂開始產(chǎn)生聲發(fā)射,此時(shí)所對應(yīng)的應(yīng)力為0,由于丙值小于地應(yīng)力,顯然0不能作為Kaiser效應(yīng)應(yīng)力.一旦施加的應(yīng)力達(dá)到Kaiser效應(yīng)應(yīng)力水平,微裂紋開始擴(kuò)展,晶粒大量斷裂,聲發(fā)射急增出現(xiàn)突變點(diǎn),即在N-曲線上出現(xiàn)拐點(diǎn),在dNdt-圖上脈沖群出現(xiàn)峰值.這樣,我們可以對巖石聲發(fā)射的Kaiser效應(yīng)機(jī)理做如下解釋:巖石在長期地應(yīng)力作用下,其本構(gòu)物理關(guān)系漸趨穩(wěn)定,其相應(yīng)的a0及m值都為定值,故Kaiser效應(yīng)所對應(yīng)的應(yīng)力6。2.2 金屬破壞過程中的聲發(fā)射金屬材料在外力的作用下,材料內(nèi)部形成應(yīng)力場,并產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。外力增大時(shí),應(yīng)力和應(yīng)變也隨之變大,此時(shí)材料處于高能量狀態(tài),是不穩(wěn)定的。塑性形變和斷裂是材

7、料在不同階段松弛應(yīng)力的兩種主要方式,其釋放出的一部分能量以應(yīng)力波的形式進(jìn)行傳輸,形成聲發(fā)射。圖2是典型的低合金鋼在形變時(shí)的聲發(fā)射信號,在屈服極限附近,聲發(fā)射信號出現(xiàn)峰值,塑性變形的聲發(fā)射主要是局部變形的不均勻性和微觀屈服引起的。滑移和孿生是金屬材料塑性變形的兩種主要方式。滑移引起的聲發(fā)射信號是連續(xù)性的,而孿生引起的聲發(fā)射信號是突發(fā)性的。在加工硬化階段,由于位錯(cuò)密度大大提高,降低了位錯(cuò)的可移動(dòng)性,聲發(fā)射的活動(dòng)性也隨之降低。大部分金屬材料的聲發(fā)射具有Kaiser效應(yīng)。但是, Kaiser效應(yīng)一般不是永久的,在第二次加載以前,將試樣擱置足夠長的時(shí)間,或者預(yù)先經(jīng)過加熱處理,那么在達(dá)到前次最大載荷之前就

8、會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射。影響塑性形變聲發(fā)射的首要因素是材料的本質(zhì),即材料的成分及組織結(jié)構(gòu)。例如非金屬夾雜物或第二相粒子會(huì)明顯增加形變時(shí)的聲發(fā)射信號,在多晶材料中,晶粒的大小、均勻性、晶粒的取向也影響其聲發(fā)射信號。其次,加載條件,結(jié)構(gòu)件幾何形狀都對材料的塑性形變有影響,從而影響金屬的聲發(fā)射特征。7圖 2 典型的低碳鋼應(yīng)力-聲發(fā)射曲線在材料的斷裂過程中,影響因素很多,在不同的斷裂條件下,聲發(fā)射信號特征有很大的差異。高強(qiáng)度鋼受載時(shí),裂紋尖端形成塑性區(qū),產(chǎn)生聲發(fā)射,裂紋擴(kuò)展,聲發(fā)射活動(dòng)性增加,并產(chǎn)生振幅較大的信號(> 60dB)。而超高強(qiáng)度鋼一直到最終斷裂前也只產(chǎn)生少數(shù)的AE事件,這是由于該材料的裂紋擴(kuò)展

9、量小,抑制了聲發(fā)射的活動(dòng)性。后者的聲發(fā)射特征是令人遺憾的,因?yàn)榭捎米黝A(yù)報(bào)的聲發(fā)射事件數(shù)少,而斷裂往往是突發(fā)性的,所幸的是這種材料斷裂的AE事件有較大的振幅(> 60dB),是比較容易檢測到的。高斷裂韌性材料在平面應(yīng)力條件下,通常以微孔聚合形式發(fā)生斷裂,裂紋尖端塑性區(qū)的形成和裂紋的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射。但由于材料韌性高,聲發(fā)射事件振幅小,往往使AE檢測發(fā)生困難。在高韌性材料中,非金屬夾雜物對AE特征有相當(dāng)大的影響8,非金屬夾雜物界面的破壞和夾雜物的斷裂使聲發(fā)射活動(dòng)性加大,聲發(fā)射事件振幅也增大,從而增大了材料的聲發(fā)射可檢測性。3. 聲發(fā)射在土木工程中的應(yīng)用2.3 聲發(fā)射在巖土領(lǐng)域的應(yīng)用采場穩(wěn)

10、定性是影響礦山安全生產(chǎn)的關(guān)鍵性問題,礦巖的局部冒落、礦柱的突然失穩(wěn)是造成礦山傷亡事故的主要原因。據(jù)初步統(tǒng)計(jì),此類傷亡事故約占國內(nèi)礦山傷亡事故的40%,1994年在湖北省超過了50%。因而對這類事故進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)報(bào)就有極高的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。長沙礦山研究院曾在云錫公司老廠錫礦和白銀公司小鐵山礦運(yùn)用便攜式聲發(fā)射儀DYF- 1成功地進(jìn)行了采場冒頂聲發(fā)射的現(xiàn)場監(jiān)測和預(yù)報(bào)。通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場監(jiān)測證實(shí)巖體在變形或破壞時(shí)都要產(chǎn)生聲發(fā)射。圖3所示為圖1是老廠錫礦2#礦柱一次冒頂預(yù)報(bào)聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖 3老廠錫礦2#礦柱聲發(fā)射數(shù)據(jù)邊坡工程在礦山、公路、鐵路等部門廣泛存在,因而它的穩(wěn)定也就具有極為重大的意義

11、。秦四清等9介紹了日本某公路建設(shè)區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測情況。該路段斷層和斷裂發(fā)育,塌方時(shí)常發(fā)生,為此Chichibu等人對這一地區(qū)開展了聲發(fā)射監(jiān)測工作,圖5為聲發(fā)射監(jiān)測場地俯視圖。當(dāng)開挖到某一水平時(shí),盡管位移樁沒有明顯移動(dòng),部分邊坡卻突然崩塌,崩塌之后立即修筑20 m高的護(hù)堤,用聲發(fā)射和位移樁相結(jié)合監(jiān)測護(hù)堤的穩(wěn)定性。從聲發(fā)射監(jiān)測開始一周內(nèi),聲發(fā)射活動(dòng)呈顯著增長趨勢,位移變化的速率也相當(dāng)大(2.7 mm/d),因而邊坡可能破壞,故于11月14 15日修筑了護(hù)堤,在此之后聲發(fā)射逐漸減小,說明邊坡趨于穩(wěn)定,位移速率的降低也證明了這一點(diǎn)。11月26日后連降暴雨,聲發(fā)射事件開始陡增,位移變大。兩周后,聲發(fā)

12、射活動(dòng)減弱,同時(shí)位移樁的位移也減少。由此可見,護(hù)堤的聲發(fā)射活動(dòng)和位移相互之間對應(yīng)得很好,這樣就可以根據(jù)聲發(fā)射活動(dòng)和位移的變化趨勢來監(jiān)測護(hù)堤的穩(wěn)定程度。1233.13.2 聲發(fā)射在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用在水工建筑物的安全監(jiān)測方面,Minemura等應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)對混凝土拱壩冬季施工和灌漿安全進(jìn)行了評價(jià)?？紤]到正常頻率范圍的聲發(fā)射信號在混凝土壩體中會(huì)有較大的衰減,采用低頻的傳感器(諧振頻率為15kHz)探測聲發(fā)射活動(dòng)。通過判斷分布在混凝土壩體12個(gè)部位的傳感器是否探測到異常聲發(fā)射活動(dòng)來評估壩體在二次冷卻和灌漿過程中的安全性。聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于建筑工程的案例并不多見,主要集中于對年代久遠(yuǎn)的建筑物進(jìn)行監(jiān)測評估等

13、方面。Carpinteri等應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和石材古建筑,得出壓應(yīng)力和聲發(fā)射累計(jì)數(shù)隨時(shí)間的變化曲線,他們還應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)識別鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和砌體建筑物的缺陷和損傷,并基于斷裂力學(xué)提出了一種分形多尺度的方法論來預(yù)測損傷和評估結(jié)構(gòu)失效的時(shí)間,最終實(shí)現(xiàn)了對建筑物壽命的評估。Grosse等為實(shí)現(xiàn)一個(gè)古老的鋼筋混凝土建筑的重建,經(jīng)過為期7 d的連續(xù)實(shí)時(shí)聲發(fā)射監(jiān)測,對聲發(fā)射速率值以及平均頻率等參數(shù)進(jìn)行分析。蔣志10通過對多座老舊居民住宅樓進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測,利用聲發(fā)射計(jì)數(shù)評估裂縫開展速度并預(yù)測裂縫的發(fā)展?fàn)顩r,發(fā)現(xiàn)在各階段聲發(fā)射計(jì)數(shù)與裂縫開展成比例關(guān)系,當(dāng)裂縫發(fā)展速度最快時(shí),聲發(fā)射計(jì)數(shù)率也達(dá)到了

14、最大值,聲發(fā)射分布函數(shù)的局部極值與裂縫發(fā)展的最劇烈階段相對應(yīng)。Bureau填海工程廣泛使用了預(yù)應(yīng)力混凝土管(PCP),Travers采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測由鋼絞線失效和隨后滑脫所引起的PCP的失效過程,對被埋置管段的劣化區(qū)域進(jìn)行定位。陳祥森11以某核電站混凝土結(jié)構(gòu)為例,不僅應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)對其進(jìn)行安全性監(jiān)測,還對將來其可能發(fā)生的損傷進(jìn)行定位、分析和監(jiān)視,以此確定各種類型的混凝土在復(fù)雜受力過程中的力學(xué)行為。Shinomiya等將鐵路混凝土結(jié)構(gòu)損傷評估技術(shù)應(yīng)用于一種連續(xù)的磚混拱橋結(jié)構(gòu),并在存在裂紋擴(kuò)展的磚混結(jié)構(gòu)中成功監(jiān)測到了聲發(fā)射活動(dòng),顯示了聲發(fā)射技術(shù)評估墩臺(tái)等下部子結(jié)構(gòu)的潛力。1233.13.23.3

15、 聲發(fā)射在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用國外學(xué)者從20世紀(jì)70年代末開始,進(jìn)行將AE技術(shù)應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測和監(jiān)測的研究,隨著聲發(fā)射儀器技術(shù)水平的提高以及信號處理方法的發(fā)展,AE技術(shù)的研究越來受重視。12結(jié)構(gòu)的耐久性是鋼筋混凝土橋梁在其運(yùn)營期間需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。由于化學(xué)侵蝕、凍融作用、碳化以及荷載的疲勞作用等不利因素的影響,鋼筋混凝土的耐久性將隨著時(shí)間不斷地劣化,其中一個(gè)重要方面就是鋼筋的銹蝕損傷,不僅使得鋼筋本身力學(xué)性能降低,還會(huì)使得鋼筋和混凝土界面的粘結(jié)強(qiáng)度降低。上述各種損傷將直接對鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的使用可靠性和極限強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響,因此,在鋼筋混凝土橋梁的運(yùn)營期間對其結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行監(jiān)測和評估,具有

16、極為重要的工程和科研意義。應(yīng)用AE技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)已發(fā)生的損傷,并據(jù)此對結(jié)構(gòu)當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)。國外學(xué)者在20世紀(jì)90年代開始采用這項(xiàng)技術(shù)對鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷監(jiān)測。2001年,M Shigeishi等應(yīng)用AE技術(shù)對英國的Boghall Bridge進(jìn)行了完整性評價(jià), BoghallBridge是一座古老的砌體拱橋,后來采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對該橋進(jìn)行了加寬。試驗(yàn)分別對拱橋的砌體部分和鋼筋混凝土部分進(jìn)行了檢測,采集了一系列的聲發(fā)射信號,持續(xù)時(shí)間在2 6小時(shí)之間。通過聲發(fā)射信號的分析,有效地發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)早期裂縫的發(fā)展,并對裂縫進(jìn)行了定位;結(jié)果還表明,鋼筋混凝土部分的聲發(fā)射信號要強(qiáng)于砌體部分,由于

17、鋼筋混凝土部分是后加的,其結(jié)構(gòu)損傷水平要小于砌體部分,這說明結(jié)構(gòu)劣化程度越高,其聲發(fā)射活性越低。4. 橋梁結(jié)構(gòu)高周疲勞理論19世紀(jì)中后期,從德國的鐵道工程師Wöhler提出使用S N曲線及疲勞極限的概念研究疲勞行為以后,經(jīng)過了一百五十多年,S N曲線和疲勞極限一直作為疲勞設(shè)計(jì)的依據(jù)。到了20世紀(jì)60年代,由于斷裂力學(xué)在疲勞研究方面的應(yīng)用,疲勞裂紋擴(kuò)展行為的研究得到飛速發(fā)展,疲勞破壞機(jī)理逐漸被闡明13。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）在 1964 年發(fā)表的報(bào)告金屬疲勞試驗(yàn)的一般原理中對疲勞定義為：“金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化叫做疲勞”。美國 LEHIGH 大學(xué)教授 Joh

18、n W. Fisher 在其報(bào)告中則講到疲勞指在最大值低于材料靜屈服強(qiáng)度的重復(fù)或波動(dòng)張應(yīng)力作用下形成的漸進(jìn)、局部和永久性的結(jié)構(gòu)損傷。鋼材在連續(xù)交變荷載作用下，會(huì)逐漸累積損傷、產(chǎn)生裂紋及裂紋逐漸擴(kuò)展，直到最后破壞。鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破損就是裂紋在重復(fù)或交變荷載作用下的不斷開展以及最后達(dá)到臨界尺寸而出現(xiàn)的疲勞斷裂。 一般地說，疲勞破壞經(jīng)歷三個(gè)階段：裂紋的形成，裂紋的緩慢擴(kuò)展和最后迅速斷裂。對于鋼結(jié)構(gòu)，因結(jié)構(gòu)中總會(huì)有微小缺陷，其疲勞壽命實(shí)際上只計(jì)后兩個(gè)階段14。疲勞破壞經(jīng)歷長期的荷載循環(huán)，擴(kuò)展緩慢，與純粹由局部拉應(yīng)力高峰所造成的脆裂有明顯區(qū)別。過去由于機(jī)械設(shè)備的制作基本使用低碳鋼等金屬材料,而低碳鋼的疲勞

19、極限一般在106次左右的應(yīng)力循環(huán)表現(xiàn)出來,從保證疲勞可靠性的觀點(diǎn)考慮,疲勞試驗(yàn)只要做到107次的應(yīng)力循環(huán),就可以滿足機(jī)械設(shè)備的安全使用。因此,目前的疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范是以材料承受107次的應(yīng)力循環(huán)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)而制定的。最近十幾年來,在低于107次的應(yīng)力循環(huán)被認(rèn)為擁有疲勞極限的材料,在超過107次的應(yīng)力循環(huán)以后的超高周疲勞壽命區(qū)(107 109次應(yīng)力循環(huán))疲勞破壞發(fā)生的可能性被提出13。隨著高齡化設(shè)備時(shí)代的到來,疲勞可靠性評估方法急待建立。另外,隨著機(jī)械設(shè)備的高速度化、高效率化和輕量化而要求的高強(qiáng)度化的發(fā)展,使得為了提高材料強(qiáng)度包括疲勞強(qiáng)度而開發(fā)的高強(qiáng)度鋼、表面處理鋼、鑄鐵、鈦合金和鋁合金等材料被

20、大量地用于機(jī)械和結(jié)構(gòu)。目前,鐵路車軸和輪軌、海洋結(jié)構(gòu)物、橋梁、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、機(jī)械設(shè)備的軸承等,被要求承受109 1010次交變載荷而不破壞。然而,常規(guī)的疲勞試驗(yàn)由于受到試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)時(shí)間的限制,大多只能夠進(jìn)行到107 108次應(yīng)力循環(huán)。因此,超高周疲勞行為和試驗(yàn)方法的研究是疲勞研究者面臨的一項(xiàng)重要課題。該研究不但可以直接保證機(jī)械設(shè)備和結(jié)構(gòu)使用的長期可靠性,還可以對新材料的研發(fā)提供有益的信息;另外也可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源和減輕由于機(jī)械設(shè)備以及結(jié)構(gòu)在沒有達(dá)到使用壽命之前過早失效而給地球帶來的環(huán)境載荷的壓力,對人類的持續(xù)發(fā)展具有重要意義。5. 聲發(fā)射在橋梁結(jié)構(gòu)疲勞監(jiān)測中的應(yīng)用目前大跨鐵路橋大多采用鋼桁架結(jié)

21、構(gòu),大跨公路橋梁的加勁梁結(jié)構(gòu)主要采用扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu), 荷載大，剛度低，服役時(shí)間長，活荷載在總荷載中所占的比例較大。車輛荷載相較于一般民用建筑活荷載，具有更短的周期和更大的應(yīng)力幅。而橋梁結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)區(qū)域焊縫密集，殘余應(yīng)力高，加之我國超限超載問題嚴(yán)重，疲勞問題突出15。在列車或汽車荷載的反復(fù)作用下,橋梁局部構(gòu)件經(jīng)常處于超載的狀態(tài),在環(huán)境條件下,也較易出現(xiàn)鋼材的銹蝕現(xiàn)象,由此產(chǎn)生了橋梁鋼構(gòu)件疲勞及銹蝕開裂的問題。因此在橋梁服役期間,有效地對其局部構(gòu)件的開裂及裂紋發(fā)展的全過程進(jìn)行監(jiān)測,是保證橋梁結(jié)構(gòu)安全性的一個(gè)關(guān)鍵問題。其中，橋面板直接承受車輛沖擊，在鋪裝層開裂以后，融雪鹽滲入鋪裝層中，使得橋面板的工

22、作環(huán)境十分惡劣。正交異性鋼橋面板由面板，縱肋和橫肋組成，三者相互垂直，焊接成一體并共同工作。第二次世界大戰(zhàn)之后，歐洲有大量的橋梁函待修復(fù)，給了正交異性鋼橋面板一個(gè)良好的發(fā)展機(jī)會(huì)，1950年德國在Mannheim建成的跨越Neckar River 的 Kurpfalz Bridge 是世界上第一座使用正交異性鋼橋面板的實(shí)腹鋼梁橋。1966年，英國建成的Seven Bridge 首先在扁平鋼箱梁中使用了正交異性鋼橋面板。對于正交異性鋼橋面板，其底部焊縫密集交錯(cuò)，殘余應(yīng)力高，存在焊接缺陷的概率較高，疲勞問題十分突出。但同時(shí)，正交異性鋼橋面板具有自重輕，剛度大，施工速度快等優(yōu)勢，在目前和可預(yù)見的未來，

23、都具有巨大的優(yōu)勢。圖 4 正交異性鋼橋面板疲勞細(xì)節(jié)國外自20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行應(yīng)用AE技術(shù)監(jiān)測鋼橋疲勞裂紋的研究。 Shibasaki M等在鋼橋疲勞試驗(yàn)中,采用多個(gè)聲發(fā)射傳感器實(shí)現(xiàn)了疲勞裂縫的定位,很有參考價(jià)值;美國學(xué)者Gong Z等對36座鐵路鋼橋進(jìn)行了AE監(jiān)測,展示了AE技術(shù)在發(fā)現(xiàn)新裂縫、監(jiān)測裂縫發(fā)展等方面的能力。這一時(shí)期的研究取得了一定的成果,驗(yàn)證了AE技術(shù)用于鋼橋損傷監(jiān)測的可行性,但應(yīng)指出的是,AE技術(shù)在估計(jì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件疲勞壽命的方面仍面臨著較大的挑戰(zhàn)。1999年,McKeefry Jay等研究了橋梁用H型鋼梁疲勞開裂的聲發(fā)射特征,試驗(yàn)結(jié)果表明,型鋼下翼緣的裂縫開展與AE監(jiān)測數(shù)據(jù)具有

24、良好的對應(yīng)關(guān)系,在實(shí)橋測試過程中也監(jiān)測到了由于車輛荷載所引起的鋼梁裂縫開展的信號。2000年,Yoon Dong Jin等34采用聲發(fā)射傳感器和傳統(tǒng)的應(yīng)變片,對列車荷載作用下的首爾Dang-san鐵路橋的疲勞裂紋開展過程進(jìn)行了監(jiān)測,得到了焊縫開裂所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號,并根據(jù)信號到達(dá)傳感器的時(shí)間差對開裂位置進(jìn)行了定位。此外,還開展了橋梁常用的SWS490B鋼材緊湊拉伸試件的疲勞開裂試驗(yàn),結(jié)果表明,通過研究應(yīng)力強(qiáng)度因子與聲發(fā)射信號峰值幅度的關(guān)系,可以對裂紋的開展過程進(jìn)行評價(jià),且累積計(jì)數(shù)和能量等聲發(fā)射參數(shù)與裂縫開展的活性具有一定的關(guān)系。由于橋梁結(jié)構(gòu)及其所處環(huán)境的復(fù)雜性,目前對鋼橋的疲勞開裂監(jiān)測的研究,

25、主要側(cè)重于建立試驗(yàn)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的聲發(fā)射特征與損傷參數(shù)的關(guān)系。如Roberts T M等通過試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)了聲發(fā)射計(jì)數(shù)率與裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)系,為預(yù)測結(jié)構(gòu)的疲勞剩余壽命提供了可能。因此,為了將AE技術(shù)真正應(yīng)用于鋼橋的疲勞損傷評估,在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,還應(yīng)當(dāng)對鋼橋的局部易產(chǎn)生疲勞損傷的部位開展長期持續(xù)的AE監(jiān)測,通過對比不同時(shí)期的聲發(fā)射信號特征來判斷鋼梁的疲勞裂紋擴(kuò)展速率是否發(fā)生變化。疲勞累積損傷和銹蝕是拉索最普遍的2種損傷。在服役過程中,拉索承受著車輛反復(fù)沖擊荷載以及風(fēng)荷載和溫度變化的作用,在這種長期交變荷載作用下,在工作應(yīng)力峰值低于彈性極限時(shí),鋼絲會(huì)突然發(fā)生疲勞斷裂破環(huán);另一方面,拉索暴露在大氣環(huán)境中

26、,雨水的侵蝕和車輛尾氣將導(dǎo)致拉索銹蝕。國外從20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行應(yīng)用AE技術(shù)監(jiān)測拉索損傷的研究。 1996年,Mohammad R在實(shí)驗(yàn)室通過模擬實(shí)際工況,進(jìn)行吊桿和拉索的鋼絲斷裂試驗(yàn),將AE技術(shù)與其他檢測方法進(jìn)行了比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn),AE技術(shù)能夠有效捕捉索中單個(gè)鋼絲斷裂,在此基礎(chǔ)上,制作了一種裝置置于索中,可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測鋼絲的變化,為用于實(shí)際工程邁進(jìn)了重要一步。Paulson PO研究了應(yīng)用AE技術(shù)對懸索橋主纜和斜拉索進(jìn)行長期持續(xù)監(jiān)測的方法,結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于拉索斷絲損傷所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(圖6)具有頻帶寬、能量高和持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn),因此可以容易地將斷絲信號與其他聲發(fā)射事件信號及噪聲信號分離開來,

27、從而實(shí)現(xiàn)對拉索損傷全過程的監(jiān)測。這項(xiàng)研究為拉索長期損傷的AE監(jiān)測研究提供了有益的參考12,16。在國內(nèi)，李冬生等17研究了鋼絞線在單調(diào)拉伸荷載下的聲發(fā)射特征，為采用聲發(fā)射監(jiān)測鋼絞線的斷裂成為可能。圖 5鋼絞線的荷載-聲發(fā)射曲線圖由于碳纖維材料具有高強(qiáng)度和高彈模,以及比較理想的抗腐蝕性能和出色的疲勞性能,工程中開始采用其作為纜索承重橋梁的承力構(gòu)件。 2001年,Piervincenzo R等采用AE技術(shù)對碳纖維拉索的損傷進(jìn)行了測試,結(jié)果發(fā)現(xiàn),應(yīng)用AE技術(shù)監(jiān)測損傷的開始和擴(kuò)展,比采用荷載位移曲線方法更準(zhǔn)確;對平行碳纖維束和碳纖維絞線測試的結(jié)果表明,在達(dá)到完全破壞之前,聲發(fā)射活度與損傷程度具有良好的

28、對應(yīng)關(guān)系18。6. 現(xiàn)有研究的不足及展望橋面板在工作時(shí)直接承受車輛沖擊，是全橋工作環(huán)境最為惡劣的構(gòu)件之一，也是最容易發(fā)生疲勞損傷的構(gòu)建之一。現(xiàn)有的檢測方法如涂膜檢查和磁粉探傷等只能發(fā)現(xiàn)已經(jīng)開始生長得裂紋，而超聲探傷和射線探傷雖然能發(fā)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)部的微小缺陷，但檢測進(jìn)度緩慢。且上述四種方法都只能進(jìn)行局部的探傷，而結(jié)構(gòu)有效服役時(shí)間的90%以上都處與裂紋的萌生階段。對于橋梁鋼結(jié)構(gòu)而言，對大量的焊縫逐一探傷是不可能的，目前迫切需要一種可以大范圍監(jiān)測，并早期發(fā)現(xiàn)疲勞源和微小裂紋的探測方法。目前，有關(guān)裂紋萌生的滑移理論、空穴聚集模型，滑移面橫向內(nèi)聚力喪失模型，以及有關(guān)裂紋擴(kuò)展的Laird-Smith模型中，都

29、包含了金屬的小范圍屈服和塑性變形。因此，即使結(jié)構(gòu)整體處于彈性工作狀態(tài)下，因?yàn)榱鸭y尖端局部應(yīng)力的奇異性，也會(huì)使得裂紋尖端發(fā)生明顯的塑性變形和聲發(fā)射現(xiàn)象。圖 6 疲勞損傷裂紋的擴(kuò)展橋面板在工作時(shí)直接承受車輛沖擊，是全橋工作環(huán)境最為惡劣的構(gòu)件之一，也是最容易發(fā)生疲勞損傷的構(gòu)件之一。但目前對于橋梁鋼結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射研究主要集中在拉索和主梁的重要構(gòu)件上。橋面板的疲勞損傷雖不至于導(dǎo)致全橋發(fā)生倒塌等惡性事故，卻已經(jīng)嚴(yán)重的影響了正常的交通秩序，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對于超大跨斜拉橋或自錨式懸索橋，主梁承受著巨大的軸向荷載，而目前在超大跨橋梁中，使用扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為主流，在扁平鋼箱梁中，橋面板兼做主梁上翼緣板，結(jié)構(gòu)損傷造成的整體剛度下降，有導(dǎo)致主梁整體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，應(yīng)當(dāng)對正交異性鋼橋面板在疲勞損傷中的聲發(fā)射特征予以研究，為現(xiàn)有在役橋梁結(jié)構(gòu)疲勞監(jiān)測與評估提供新的方法。參考文獻(xiàn)1 紀(jì)洪廣,裴廣文,單曉云. 混凝土材料聲發(fā)射技術(shù)研究綜述J. 應(yīng)用聲學(xué), 2002, 卷缺失(4): 1-5.2 李俊平. 聲發(fā)射技術(shù)在