声发射技术在土木工程中的应用研究综述.pdf
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1、第 3 2卷第 4 期 V0 1 3 2 No 4 水 利 水 电 科 技 进 展 Ad v a n c e s i n S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y o f W a t e r Re s o u r c e s 2 0 1 2年 8 月 Au g2 01 2 D O I : 1 0 3 8 8 0 j i s s n 1 0 0 6 - 7 6 4 7 2 0 1 2 0 4 0 2 1 声发射技术在土木工程中的应用研究综述 王 岩 , 路桂娟 , 王 瑶2 , 徐郑郑 , 姚金鑫 ( 1 河海大学土木与交通学院, 江苏 南京2 1 0 0 9
2、 8 ; 2 金陵科技学院建筑工程学院, 江苏 南京2 1 1 1 6 9 ) 摘要 : 简单介绍声发射技术的定义与原理 , 在对 国内外相关文献进行分类、 归纳和总结的基础上 , 从 桥 梁工程、 水利和岩土工程 、 建筑工程 以及其他特种工程 4个方面综述 了声发射技术在土木工程相 关领域中的应用现状和研究进展 , 总结了该领域的研究热点 , 并就声发射技术的发展前景和需要进 一 步研 究的问题提 出了自己的看法。 关键词 : 声发射技术 ; 土木工程 ; 安全监测 ; 无损检测 ; 综述 中图分类号: T H 8 7 8 文献标志码 : B 文章编号 : 1 0 0 6 7 6 4 7
3、( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 8 9 0 6 R e s e a r c h r e v i e w o f a p p l i c a t i o n s o f a c o u s ti c e mi s s i o n t e c h n i q u e i n c i v i l e n g i n e e r i n g Wa N G Y a n L U G ni j u a n WA N G Y a , X U Z h e n g z h e n g , Y A O J i n x i n ( 1 C o l le g e o fC iv i l a n d T r a
4、n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g,H o h a i U n i v e r s i t y ,N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 , C h i n a ; 2 S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e &C i v i l E n g i n e e ri n g,J i M i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y ,N a n j i n g 2 1 1 1 6 9 ,Chi n a ) Abs t r a c t :Ac o
5、us t i c e mi s s i o n,a p p l i e d i n t h e fi e l d o f c i v i l e n g i ne e r i n g a n d l i f e a s s e s s me n t of s a f e t y mo n i t o rin g,i s a r e a l t i me, d y n a mi c , n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g t e c h n o l o gy T h i s p a p e r b r i e f l y i n t r o d u
6、 c e s t h e d e fi n i ti o n a n d p 打 n e i p l e o f a c o u s t i c e mi s s i o n t e c h n i q u e B a s e d O i l c l ass i fi c a t i o n an d s u mma r y of t h e d o me s t i c an d f o r e i g n l i t e r a t u r e , t h e k e y i s s u e s , r e s e a r c h s t a t u s , an d p r o g r
7、e s s of t h i s t e c h n i que a r e r e v i e w e d f r o m f o u r as p e c t s :b r i d g e e n g i n e e ri n g ,g e o t e c h n i c a l a n d u n d e r g r o u n d e n gi n e e ri n g , h y d r a t d i c e n g i n e e rin g ,a n d o t h e r s p e c i a l e n g i n e e ri n g F i n al l y ,t h
8、 e a u t h o r s p u t f o r w a r d t h e i r O W l 3 o p i n i o n s o n t h e p r o s pec t s o f t h i s t e c h n i q u e an d p r o b l e ms t h a t n eed t o b e i n v e s t i g a t e d i n t h e f u t u r e K e y w o r d s : a c o u s t i c e m i s s i o n t e c h n i q u e ; c i v i l e n g
9、i n e e r i n g ;s a f e ty m o n i t o ri n g ;n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ; r e v i e w 近年来 , 声发射技术作为一种新 型动态无损检 测技术已经应用于 土木工程中, 其技术优势在于可 以在未知混凝土损伤状态的物理参数情况下, 了解 混凝土内部损伤和裂缝形成与发展 的过程 , 进而实 现判定混凝土曾经承受的最大应力历史和动态评估 混凝土损伤程度等 目标。在对 国内外相关文献进行 分类 、 归纳和总结的基础上 , 首先介绍声发射技术的 定义与基本原理 , 然后针对声发射技术在桥
10、梁工程 、 水利及岩土工程 、 建筑工程 以及其他特种工程 中的 应用对声发射技术在土木工程中的应用现状和研究 成果进行综述 , 并对该领域 的研究热点和需要进一 步研究的关键 问题进行归纳和总结 。 1 声发射技术 的定义与原理 狭义的声发射( a c o u s t i c e m i s s i o n , 简称 A E ) 是指 材料受外力或内力作用而 出现变形或裂纹扩展 , 所 产生的瞬态能量以弹性波 的形式快速释放 的现象。 将流体泄漏 、 摩擦 、 撞击 、 燃烧等与变形和断裂机制 无直接关系的另一类 弹性波源称为广义声发射l l J 。 更多的声发射现象很微弱, 人耳不能听见而
11、需要借 助灵敏的电子仪 器, 用仪器采集 、 显示 、 分析声发射 信号并利用其推断声发射源的位置和特征的技术为 声发射技术l 2 l 。 声发射技术 涉及声发射源 、 波的传播 、 声 电转 换 、 信号处理 、 数据显示与记录、 解释与评定等 , 其基 本原理为声发射源产生弹性波在材料中传播 , 引起 被监测试件表面的振动 , 这些振动被耦合在试件上 的传感器感应到 时, 所产生的压电效应将弹性波引 起的表面振动转换成 电压信 号, 再经仪器放大处理 后 以参数或者波形 的形式采集而后对其进行信号处 理【 。声发射技术 的基本原理如图 1 所示 。 2 声发射技术在桥梁工程中的应用 近年来
12、 , 世界范 围内的各类桥梁陆续处于需要 基金项 目: 国家 自然科学基 金( 5 1 0 0 9 0 5 8 ) ; 中国博士后科 学基金 ( 2 0 1 1 M 5 0 1 1 6 0 ) ; 中央级高校基本科研业务费专项( 2 0 0 9 1 3 0 3 0 1 4 ) 作者简介 : 王岩( 1 9 8 0 一 ) , 男 , 黑龙江双鸭山人 , 讲 师, 博士 , 主要从事混凝土声发射特性研究 。E - m a i l : h h u w y 1 2 6 c o m 水利水电科技进展 , 2 0 1 2 , 3 2 ( 4 )T e l : 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5
13、E - m a i l : j z h h u e d u c n , h t t p : k k b h h u e d u C n 8 9 I : 用 激厉 图 1 声发射技术基本原理 维修和加固的老龄化阶段 , 因此 , 迫切需求能够为实 际结构提供长时间连续监测的技术和方法。声发射 技术作为一种重要 的无损检测技术 , 在现代大容量 计算机的支持下 , 其对桥梁等大型建筑物实施动态 监测已成为现实l 4 J 。 2 1 桥梁结构寿命和损伤评估 人们对桥梁结构声发射与损伤之间的关系进行 了诸多研究。S h i g e i s h i 等 应用声发射技术对英国 一 座古老的砌体拱桥进行 了
14、完整性评价 , 试验分别 对拱桥的砌体部分和钢筋混凝土部分进行监测 , 发 现了结构早期裂缝的发展 , 并根据不同位置处声发 射传感器所接收到的声发射撞击累计数对声发射事 件进行定位。除了上述 定性研究之外 , Y o o n等L 7 书 j 通过对韩 国首尔 D a n g - s a n铁路桥 的疲劳裂纹开展过 程进行监测, 得到了由焊缝开裂所产生的声发射信 号 , 并对开裂位置进行定位。此外 , 他们还研究了 2 座钢筋混凝土桥梁在车辆荷载作用下结构 的声发射 参数 与结构损伤水平之问的对应关系 , 发现借助声 发射技术可 以 了解结构 已发生 的损伤 。M c K e e f r y
15、等 研究 了桥梁工程 中 H型钢梁 的疲 劳开裂声发 射特征 , 发现声发射技术在定位型钢 的裂缝开展及 确定声发射信号与车辆荷载之间关系方面的潜力。 S u z u k i 等l 】 o _ 基于声发射 速率过程 理论对混凝 土桥墩的损伤情况进行定量评估 , 论证 了声发射技 术监测桥梁结构 的可行性。朱宏平等_ l 利用损伤 力学与声发射速率过程理论导出声发射特征参数与 混凝土损伤量之问的关系 , 并通过对轴压状态下实 际桥梁混凝土芯样进行声发射试验 , 分析 了声发射 凯塞( K a i s e r ) 效应和费莉希蒂( F e l i c i t y ) 效应 , 得到混 凝土的实 际
16、损伤量并 评价 了其受载历史 。薛云亮 等l 心 通过对轴 压状态下岩石和 昆凝土材料进行声 发射特性试验 , 研 究损伤变量与声发射参数之 间的 关系 , 给出了基于 We i b u l 1 分布的损伤本构模型及损 伤变量 与声发射计数之间的经验公式, 推导出应力 、 应变 与声发射特征参数的耦合模型 , 最终验证 了轴 压状态下岩石和混凝土的应力 、 应变与声发射 的耦 合关系。蒋志E B 和 R o b e r t s 等E H j 分别通过对钢筋混 凝土高架桥进行现场监测和试验研究 , 认为声发射 技术具有监测结构破坏过程和评估结构寿命 的巨大 潜力。千力等_ 1 5 l 通过在狮河
17、桥现场钻取混凝土 芯 样 , 利用混凝土单轴受压时的声发射监测试验计算 混凝土损伤量, 论证 了声发射技术在混凝 土损伤定 量评估 中的可行性 。N a i r 等_ l 0 J 应用声 发射技术分 别对预应力混凝土桥梁和钢桥展开研 究 , 并通过研 究连续荷载作用下所累积的声发射数据来估计结构 损伤情况 , 得出声发射作为一项无损检测技术 可以 连续监测和追踪桥梁等结构的健康状况的结论。 在桥梁结构损伤声发射信号滤 噪处理方 面, 邢 云等L 1 J 在混凝土斜拉桥工程中应用声发射技术实时 监测结构的内部损伤, 对裂缝的形成与发展进行观 察, 论证了声发射技术监测混凝土结构 内部损伤的可 行
18、性。贾莉莉等_ l 8 _ 采用固定阈值方式对小波分解系 数进行软阈值的量化处理 , 发现声发射信号的小波去 噪技术在提高结构健康监测准确性方面的作用。 虽然声发射技术具有 良好的工程应用前景 , 但 其应用于实际工程 中还存在技术 上 的难题 。G o n g 等 l l 9 J 对几十座铁路钢桥进行声发射监测 , 发现 了声 发射技术在监测和定位裂缝等方面 的潜力 , 同时指 出声发射技术在评估钢结构构件疲劳寿命时仍面临 着 巨大挑战。S h i g e i s h i 等l 2 o J 在钢筋混凝土桥板上进 行声发射监测 , 发现冲击载荷可产生较强的声发射 活动 , 故在对现有混凝土桥梁
19、进行监测时应考虑 车 辆运行速度的影响 , 同时发现移动荷载的振 动模式 可能会影响桥梁结构个别部位的声发射活动。 综上可知, 声发射技术在桥梁结构中的应用研 究主要集中在应用声发射速率过程理论对在役结构 进行寿命评估 , 对结构损伤进行定位 , 以及研究声发 射参数与损伤之间的关系等。研究者们都认识到声 发射技术应用于桥梁工程领域 的广阔前景和潜力 , 但也意识到该技术应用于实际工程中需要解决的具 体问题 , 例如噪音和交通引起的振动等。 2 2 桥梁关键构件的损伤监测 各类桥梁 的钢索 、 主缆 、 钢筋等是桥 梁 的生 命 线。除了对桥梁主体结构进行声发射监测之外, 研 究者们对钢筋混凝
20、土桥梁 内部钢筋 、 桥梁的悬索等 关键构件损伤 的监测也进行 了尝试和探索。F r i c k e r 等 2 l J 应用声发射技术对 瑞士一座预应力钢筋混凝 土桥梁的预应力筋的损伤状况进行监测 , 发现监测 结果与结构 的实际损伤状况一致。Y u y a m a等 采 用声发射技术进行后张预应力梁的损 伤监测试验 , 通过对声发射信号的分析 , 识别并精确定位了钢筋 的腐蚀断裂等损伤。Mo h 釉e d J 在 实验 室进行 了 桥梁吊杆和拉索的钢丝断裂试验 , 将声发射技术 与 9 0 水利水 电科技进展 , 2 0 1 2 , 3 2 ( 4 ) T e l : 0 2 5 8 3
21、7 8 6 3 3 5 E - m a i l : d t u e d u c H h tt p: k k b h h u e d u C n 其他方法进行 比较 , 并制作 了一种置于拉索 中动态 监测钢 丝变化的装 置。P a u l s o n l j 研 究 了应用声发 射技术对悬索桥 主缆 和斜拉索进 行长期监测 的方 法 , 并将断铅声发射信号与其他信号及 噪声信号成 功分离 , 为桥梁拉索长期损伤 的声发射监测研究提 供 了参 考依据 。P i e r v i n c e n z o等 2 5 - 2 6 采用声发射 技 术对碳纤维拉索的损伤进行监测 , 结果发现声发射 技术能够
22、更精确地监测损伤的诱发和发展 , 对平行 碳纤维束和碳纤维绞线 的测试结果表 明, 声发射活 性与损伤程度在达到完全破坏之前具有 良好 的对应 关系。李冬生等 2 7 - 2 9 研 究 了钢绞线拉伸过 程 中的 声发射特征 , 推导 了基于声发射参数的钢 绞线损伤 演化方程。另外 , 他们还应用声发射技术对某拱桥 实际工程的所有 吊杆进行 了全 面实时监测 , 并通过 声发射参数和波形分析法初步得到了不同损伤类型 的声发射特征 。 2 3 桥梁结构声发射监测 系统的布置和操作规程 的研究 由于实际工程结构的体量形式各不相 同, 因此在 声发射监测过程 中必须考虑声发射采集系统的合理 设置和传
23、感器阵列 的合理布置。S t e p i n s k i 等 J 采用 圆形声发射传感器阵列对实际桥梁进行监测并取得 了良好的效果, 研究了阵元数目及声发射模拟信号频 率变化对波束模式的影响。G e 等 3 1 对铁路钢桥进行 声发射监测, 通过模拟声发射信号试验确定声发射监 测阈值, 设置定时参数并研究声发射信号的特征。 实际工程结构 的声发射监测是一项复杂的技术 工作 , 陈喜强等 3 2 j 为了提高声发射技术在桥梁结构 监测中的规范性, 从准备工作、 仪器的设置、 传感器 的选择和固定 以及加载程序的确定等方面总结了监 测规程的技术要点 。S h i g e i s h i 等l_ 3
24、 。 为了建立一套适 用于长度为 1 0 1 0 0 IT I 的实 际桥梁 的声发射监测规 程 , 应用声发射技术评估了 座已服役 4 5 a的钢筋 混凝土桥梁 。 在声发射监测设备的研发方面 , G r o s s e 等 3 4 J 认 为可通过应用无线信号传输技术以及研发新型声发 射传感器来 降低桥梁结构声发射监测成本 。G r o s s e 等_ 3 5 _ 还在德国斯 图加特一座钢筋混凝 土桥梁 中应 用了无线声发射技术 和声发射阵列技术 , 这些技术 的应用进 一步提高 了工作效率。单 宁 3 6 J 建立 了基 于光纤声发射传感技术 的监测系统 , 实现了实时在 线监测混凝土
25、桥梁健康状况的 目标 , 并将该 系统应 用于结构承载能力 的评估 。S t a j a n o等 应用基于 声发射技术的无线传感器网络系统对英国 2座桥梁 和伦敦 1 个地下隧道进行监测 , 通过设置网络节点 实现对桥梁隧道工程 的实时监测 , 最终发现声发射 监测实际工程具有巨大潜力。针对钢筋混凝土桥梁 的健康监测 , G r o s s e等l 3 8 - 3 9 研 发了一种基于 ME M S 的无线传感 网络节点Mo t e , 该系统集成 了测试 和传输功能 , 被应用于监测德 国斯图加特 1座钢筋 混凝土桥梁, 这种经特别设计的基于声发射技术 的 桥梁无线监测系统为在役公路桥梁的
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