1、8Industrial Construction Vol.53，No.2，2023工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期砌体结构轴心受压和原位轴压试验声发射信号参数特征分析李运富1张宏伟1马博1吴艳奇2李胜利2(1郑州市路通公路建设有限公司，郑州450000;2郑州大学土木工程学院，郑州450001)摘要:根据声发射信号参数特征评估砌体结构损伤状态对于砌体结构的健康监测是一个创新的方法。进行了砖砌体试件的轴心受压试验和在役砌体砖墙的原位轴压试验，分析了在试验过程中声发射振铃计数、能量和峰值频率的特征。结果表明:声发射参数变化特征与砌体损伤的演变过程相对应，在砌体损伤的不同阶段，声发射参数呈
2、现出了不同的变化特征;在试件的破坏阶段，声发射信号特点为高能量和低频率，这些特征可以为评估砌体结构状态和结构安全预警提供支撑和指导。关键词:声发射;砌体结构;轴心受压;原位轴压;振铃计数;能量DOI:10.13204/jgyjzG20111210Characteristic Analysis of AE Signal Parameters of Masonry Structures inAxial Compression and InSitu Axial Compression TestsLI Yunfu1ZHANG Hongwei1MA Bo1WU Yanqi2LI Shengli2(1Zh
3、engzhou Lutong Highway Construction Co，Ltd，Zhengzhou 450000，China;2School of Civil Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China)Abstract:Evaluating the damage state of masonry structures based on the characteristics of acoustic emission(AE)signal parameters is an innovative method for hea
4、lth monitoring The axial compression test of the brick masonryspecimen and the in-situ axial compression test of the in-service masonry brick wall were performed Thecharacteristics of the AE ring counts，energy，and peak frequencies during the test were analyzed The results showedthat the AE parameter
5、s presented different characteristics，and the variation characteristics were in good agreementwith the evolution process of masonry damage In the failure stage of the specimen，the AE signals were marked ashigh energy and low frequencies These characteristics could provide support and guidance for as
6、sessing the state ofmasonry structures and early warning of structural safetyKeywords:acoustic emission;masonry structure;axial compression;in-situ axial compression;ring count;energy*国家自然科学基金资助项目(51778587);河南省科技攻关项目(192102310514);河 南 省 高 等 学 校 青 年 骨 干 教 师 培 养 计 划(2017GGJS005);河南省交通运输厅科技项目(2018J3)。第
7、一作者:李运富，男，1975 年出生，高级工程师，459518171 qqcom。通信作者:李胜利，男，1979 年出生，博士，教授，博士生导师，lslzzueducn。收稿日期:202011120引言声发射是材料在受到荷载或激励作用时，其内部以弹性波的形式释放能量的现象。作为一种新兴的无损检测手段，由于其动态和实时性的优势，声发射技术已经被广泛引用于金属13、混凝土48 和岩石910 等土木工程领域。目前关于声发射信号的分析方法有两种，即波形分析和参数分析法。Li 等11 对腐蚀的吊索进行疲劳加载试验，结果表明对于不同的损伤机制，声发射波形和频率特征也不相同，根据声发射累积能量曲线可以评估吊
8、索的损伤程度。赖于树等1213 提出混凝土内高频率信号由微裂纹产生，低频率信号由宏观裂纹产生，分析低频率带信号在不同阶段的占比可为混凝土的临界破坏提供预警。门进杰等14 对钢筋混凝土梁进行四点弯曲试验并分析声发射参数与荷载的关系，结果表明振铃计数和能量可以用于评估钢筋混凝土梁的开裂荷载和屈服荷载。Aggelis 等15 发现根据 A(上升时间与幅值之砌体结构轴心受压和原位轴压试验声发射信号参数特征分析 李运富，等9比)和 AF(振铃计数与持续时间之比)的变化可以判别混凝土内损伤裂纹的类型(剪切和拉伸裂纹)。赵永川等16 研究弹性波在砂岩内的传播衰减特性，结果表明高频率信号的衰减程度要大于低频率
9、信号，声发射信号在传播过程中主频会由高频转向低频。不难发现，以上所述研究的材料多为匀质性材料。由于砌体是砌块和砂浆组成的复合材料，声发射在砌体内的研究较浅，应用较少，但仍有一些学者进行了相关研究1718，结果表明声发射在砌体损伤评估方面存在着优势和潜力。对于砌体结构，由于声发射信号在材料内传播时其衰减较大，加之波形分析法对设备硬件要求高，所以分析方法多采用参数 分 析19。在 声 发 射 信 号 分 析 的 相 关 研 究中2022，声发射振铃计数、能量和频率是常用的特征参数选择。本文基于声发射技术对实验室砖砌体试件和在役砌体砖墙分别进行了轴心受压试验和原位轴压试验，分析了在整个试验过程中声发
10、射参数的变化特征，为后期声发射现场实时监测提供指导。1试验方法1.1砖砌体试件轴心受压试验根据规范 砌体基本力学性能试验方法标准 23，实验室砖砌体试件长宽高分别为 746，365，240 mm。砂浆配合比如表 1 所示，灰缝厚度为10 mm。试件加载样式如图 1 所示(S1、S2 为传感器)。表 1砌筑砂浆配合比Table 1Masonry mortar mix ratiokg/m3水泥石灰砂2421082 500图 1砖砌体试件加载样式Fig1The brick masonry specimen loaded in test1.2砌体砖墙原位轴压试验现场原位轴压试验的测试对象为 1 幢 6
11、 层砖混结构的底层承重墙。该结构为实心砖砌体和预制楼板的 砖 混 结 构 体 系。测 试 墙 体 由 实 心 黏 土 砖(MU10)和水泥砂浆(M7.5)砌成，测试前墙体上无明显的裂缝。现场测试设备如图 2 所示(S3、S4 为传感器)。图 2原位轴压试验加载样式Fig2The specimen loaded in in-situ test1.3声发射监测由经验可知，砌体结构内裂缝多起始于砂浆。为此，试验中传感器布置在试件中间部位靠近灰缝的砖块上。声发射传感器型号为 S-2A，每个试件的两个传感器对称布置在试件的两个侧面上24。传感器与试件表面涂抹一薄层的耦合剂来提高耦合效果。相关的声发射采集
12、参数如表 2 所示。两试验中试件的加载均采用力控制方式加载，试件的加载与声发射信号的采集同步进行。当液压试验机和现场原位轴压仪的压力示数开始下降时，表明试件已达到失效状态，此时停止试验。声发射测试系统如图 3 所示。图 3声发射测试系统Fig3AE test system表 2声发射采集参数Table 2AE acquisition parameters门槛值/dB采样频率/MHz增益/dB峰值定义时间/s撞击定义时间/s撞击闭锁时间/s40(轴心受压)45(原位轴压)2.540501002002结果与分析由于两次测试中试件的尺寸和材料不同，因此10工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期两
13、次测试中所采集的声发射信号也有所不同。为了将从实验室测试获得的声发射参数特征和原位轴压试验数据进行比较，本文采用声发射信号参数随加载应力变化的相对值来评估试件的损伤演变过程。2.1声发射信号参数特征2.1.1振铃计数声发射振铃计数指信号越过门槛值的振荡次数，如图 4 所示，常用于评估材料的声发射活动。两次测试中 4 个传感器(S1S4)声发射振铃计数随加载应力的变化如图 5 所示。在加载初期，声发射信号主要以微裂纹的萌生为主，声发射信号较少，振铃计数水平较低。随着荷载的增大，声发射在极限荷载的 60%70%处开始活跃，这主要是由于前期微裂纹在试件中的扩展和聚结形成了可见的宏观裂纹。继续加载，在
14、极限荷载的 90%处声发射振铃计数呈连续型急剧增加。这种急剧增加是裂纹从不稳定扩展阶段到破坏阶段的演变，主要是由于砂浆和砖块的裂缝相互连接在试件内形成一条明显贯通的主裂缝所致。试件破坏后的主裂缝样式如图 6 所示。图 4声发射信号参数示意8 Fig4The schematic diagram of AE signal parameters图 5实验室和现场测试中声发射振铃计数的变化Fig5Variations of AE ring counts during laboratory and field tests2.1.2能量声发射能量不是声发射源释放信号的绝对能量值，而是声发射信号强度的相对大
15、小。在物理意义上声发射能量指信号检波包络线下的面积。4 个传a轴心受压试验;b原位轴压试验。图 6试件内主裂缝Fig6Main cracks inside the specimens感器采集到的声发射信号能量变化如图 7 所示。从图 7 可以清楚地看到，4 个传感器 S1S4 的能量变化趋势非常相似。在加载荷载达到极限荷载的60%70%之前，声发射能量水平较低，但偶尔会出现一些较高的能量信号。继续加载，能量的变化趋势与声发射振铃计数基本相同，并且高能量信号不断出现。当试件进入破坏阶段时，声发射信号的能量连续突增，能量在极限荷载下达到最大值。图 7实验室和现场测试中声发射能量的变化Fig7Var
16、iations of AE energy during laboratory and field tests图 8试件破坏阶段声发射信号峰值频率和能量分布Fig8Distribution of peak frequencies and energy of AE signalsin failure stage of the specimen2.1.3峰值频率通过对声发射振铃计数和能量的变化特征分析，可以发现参数特征的变化与砌体试件的破坏过程相对应。砌体的整个受压过程可大致分为 3 个砌体结构轴心受压和原位轴压试验声发射信号参数特征分析 李运富，等11阶段:1)阶段 1。开裂阶段。该阶段对应的应力小于极限应力的 60%70%，砌体表面出现大量肉眼可见的微裂纹，声发射振铃计数和能量较低，且这些信号与砂浆的压实和微裂纹的产生有关。2)阶段 2。不稳定扩展阶段。该阶段是试件从阶段 1 到阶段 3 的过渡，因此被称为不稳定扩展阶段。砌体表面的微裂纹出现了扩展，并延伸为宏观裂纹。与阶段 1 相比，此阶段声发射信号的能量和幅度明显增加，这主要归因于微裂纹的扩展和聚集。另外，由于砂浆的开裂变形，砖块内发
