声发射技术在土木工程中应用

1、声发射技术在正交异性钢桥面板疲劳损伤监测中的应用展望目录声发射技术在正交异性钢桥面板疲劳损伤监测中的应用展望31.声发射技术及其原理32.声发射信号的特点42.1Kaiser效应42.2金属破坏过程中的声发射53.声发射在土木工程中的应用63.1声发射在岩土领域的应用63.2声发射在结构领域的应用73.3声发射在桥梁结构中的应用74.桥梁结构高周疲劳理论85.声发射在桥梁结构疲劳监测中的应用96.现有研究的不足及展望12声发射技术在正交异性钢桥面板疲劳损伤监测中的应用展望1. 声发射技术及其原理声发射技术（Acoustic Emission Technique）作为一门检测技术起步于 20 世

2、纪 50 年代的德国，开始应用于材料研究最早在工程材料方面对声发射进行研究的当属1941年的Obert和1942年的Hodgson,他们不仅提出了声发射检测的基本思想,而且研究了发现破裂点的定位技术,并想据此确定岩石中的最大应力区1。在 60 年代开始应用于无损检测领域。我国则于 70 年代开始应用声发射技术。声发射检测技术已广泛应用于石油化工工业、电力工业、材料及力学方面的研究、汽车工业、民用工程、航空航天、金属加工、焊接质量检测与监控等领域2-3。图 Error! Main Document Only. 声发射监测原理固体物质在外界条件(机械载荷、温度变化等)作用下,其内部将产生局部应力集

3、中现象。由于应力集中区的高能状态是不稳定的,它必将向稳定的低能状态过渡,在这一过渡过程中,应变能将以弹性波的方式快速释放,即声发射现象。各种材料的声发射范围很宽,从次声频、声频到超声频,所以声发射有时也称为应力波发射(Stress wave emission)。在地质上有时称为微震(Microseismic)。声发射是一种非常普遍的物理现象,大多数金属材料和几乎所有的岩石在塑性变形和断裂时都有声发射发生。在外部条件作用下，材料或零部件的缺陷或潜在缺陷改变状态而自动发出瞬态弹性波的现象亦称为声发射。由于这种声发射弹性波能反映出材料的一些性质，故采用检测声发射信号的方法，可以判断材料或设备的某种状

4、态。运用仪器检测、记录、分析声发射信号，并利用声发射信号诊断发射源状态的技术称为声发射检测技术。声发射检测技术是一种动态无损检测方法，它可以对检测对象进行实时监测，且检测灵敏度高。此外，几乎所有材料都具有声发射特性，所以声发射检测不受材料限制，且不受检测对象的尺寸、几何形状、工作环境等因素的影响。42. 声发射信号的特点122.1 Kaiser效应1950年,德国科学家Kaiser发现受单向拉伸力作用的金属材料,只有当应力达到材料所受过的最大先期应力时,才会有明显的声发射(AE)出现,这就是著名的Kaiser效应5。Kaiser效应是材料在重复加载过程中出现的一种声发射异常现象。它表明岩石具有

5、“记忆”其应力历史的能力。自从德国人JKaiser在1953年发现了金属材料的Kaiser效应以后,人们对岩石是否也表现出Kaiser效应的问题,一直持两种截然相反的意见。甚至1975年在美国举行的第一次地质结构与材料声发射学术讨论会上,对此也没有取得一致意见。但就在这次会议后不久,金川忠、林正夫等人报告了他们对凝灰岩的Kaiser效应的研究,以及利用这一效应确定岩石试件先前所受的最大应力的试验结果。到目前为止,已在几十种岩石中发现了Kaiser效应的存在,并提出了各种利用Kaiser效应测定地应力的方法。材料在长期应力的作用下,由于蠕变裂纹的扩展,使某些晶粒损伤,导致晶粒的强度降低.因而在室

6、内试验中,单轴压缩应力使强度降低的晶粒断裂开始产生声发射,此时所对应的应力为0,由于丙值小于地应力,显然0不能作为Kaiser效应应力.一旦施加的应力达到Kaiser效应应力水平,微裂纹开始扩展,晶粒大量断裂,声发射急增出现突变点,即在N-曲线上出现拐点,在dNdt-图上脉冲群出现峰值.这样,我们可以对岩石声发射的Kaiser效应机理做如下解释:岩石在长期地应力作用下,其本构物理关系渐趋稳定,其相应的a0及m值都为定值,故Kaiser效应所对应的应力6。2.2 金属破坏过程中的声发射金属材料在外力的作用下,材料内部形成应力场,并产生相应的应变。外力增大时,应力和应变也随之变大,此时材料处于高能

7、量状态,是不稳定的。塑性形变和断裂是材料在不同阶段松弛应力的两种主要方式,其释放出的一部分能量以应力波的形式进行传输,形成声发射。图2是典型的低合金钢在形变时的声发射信号,在屈服极限附近,声发射信号出现峰值,塑性变形的声发射主要是局部变形的不均匀性和微观屈服引起的。滑移和孪生是金属材料塑性变形的两种主要方式。滑移引起的声发射信号是连续性的,而孪生引起的声发射信号是突发性的。在加工硬化阶段,由于位错密度大大提高,降低了位错的可移动性,声发射的活动性也随之降低。大部分金属材料的声发射具有Kaiser效应。但是, Kaiser效应一般不是永久的,在第二次加载以前,将试样搁置足够长的时间,或者预先经过

8、加热处理,那么在达到前次最大载荷之前就会产生声发射。影响塑性形变声发射的首要因素是材料的本质,即材料的成分及组织结构。例如非金属夹杂物或第二相粒子会明显增加形变时的声发射信号,在多晶材料中,晶粒的大小、均匀性、晶粒的取向也影响其声发射信号。其次,加载条件,结构件几何形状都对材料的塑性形变有影响,从而影响金属的声发射特征。7图 2 典型的低碳钢应力-声发射曲线在材料的断裂过程中,影响因素很多,在不同的断裂条件下,声发射信号特征有很大的差异。高强度钢受载时,裂纹尖端形成塑性区,产生声发射,裂纹扩展,声发射活动性增加,并产生振幅较大的信号( 60dB)。而超高强度钢一直到最终断裂前也只产生少数的AE

9、事件,这是由于该材料的裂纹扩展量小,抑制了声发射的活动性。后者的声发射特征是令人遗憾的,因为可用作预报的声发射事件数少,而断裂往往是突发性的,所幸的是这种材料断裂的AE事件有较大的振幅( 60dB),是比较容易检测到的。高断裂韧性材料在平面应力条件下,通常以微孔聚合形式发生断裂,裂纹尖端塑性区的形成和裂纹的稳态扩展会产生声发射。但由于材料韧性高,声发射事件振幅小,往往使AE检测发生困难。在高韧性材料中,非金属夹杂物对AE特征有相当大的影响8,非金属夹杂物界面的破坏和夹杂物的断裂使声发射活动性加大,声发射事件振幅也增大,从而增大了材料的声发射可检测性。3. 声发射在土木工程中的应用2.3 声发射

10、在岩土领域的应用采场稳定性是影响矿山安全生产的关键性问题,矿岩的局部冒落、矿柱的突然失稳是造成矿山伤亡事故的主要原因。据初步统计,此类伤亡事故约占国内矿山伤亡事故的40%,1994年在湖北省超过了50%。因而对这类事故进行监测和预报就有极高的经济意义和社会意义。长沙矿山研究院曾在云锡公司老厂锡矿和白银公司小铁山矿运用便携式声发射仪DYF- 1成功地进行了采场冒顶声发射的现场监测和预报。通过大量的室内试验及现场监测证实岩体在变形或破坏时都要产生声发射。图3所示为图1是老厂锡矿2#矿柱一次冒顶预报声发射监测数据。图 3老厂锡矿2#矿柱声发射数据边坡工程在矿山、公路、铁路等部门广泛存在,因而它的稳定

11、也就具有极为重大的意义。秦四清等9介绍了日本某公路建设区域的边坡稳定性监测情况。该路段断层和断裂发育,塌方时常发生,为此Chichibu等人对这一地区开展了声发射监测工作,图5为声发射监测场地俯视图。当开挖到某一水平时,尽管位移桩没有明显移动,部分边坡却突然崩塌,崩塌之后立即修筑20 m高的护堤,用声发射和位移桩相结合监测护堤的稳定性。从声发射监测开始一周内,声发射活动呈显著增长趋势,位移变化的速率也相当大(2.7 mm/d),因而边坡可能破坏,故于11月14 15日修筑了护堤,在此之后声发射逐渐减小,说明边坡趋于稳定,位移速率的降低也证明了这一点。11月26日后连降暴雨,声发射事件开始陡增,

12、位移变大。两周后,声发射活动减弱,同时位移桩的位移也减少。由此可见,护堤的声发射活动和位移相互之间对应得很好,这样就可以根据声发射活动和位移的变化趋势来监测护堤的稳定程度。1233.13.2 声发射在结构领域的应用在水工建筑物的安全监测方面,Minemura等应用声发射技术对混凝土拱坝冬季施工和灌浆安全进行了评价。考虑到正常频率范围的声发射信号在混凝土坝体中会有较大的衰减,采用低频的传感器(谐振频率为15kHz)探测声发射活动。通过判断分布在混凝土坝体12个部位的传感器是否探测到异常声发射活动来评估坝体在二次冷却和灌浆过程中的安全性。声发射技术应用于建筑工程的案例并不多见,主要集中于对年代久远

13、的建筑物进行监测评估等方面。Carpinteri等应用声发射技术监测钢筋混凝土结构和石材古建筑,得出压应力和声发射累计数随时间的变化曲线,他们还应用声发射技术识别钢筋混凝土结构和砌体建筑物的缺陷和损伤,并基于断裂力学提出了一种分形多尺度的方法论来预测损伤和评估结构失效的时间,最终实现了对建筑物寿命的评估。Grosse等为实现一个古老的钢筋混凝土建筑的重建,经过为期7 d的连续实时声发射监测,对声发射速率值以及平均频率等参数进行分析。蒋志10通过对多座老旧居民住宅楼进行声发射监测,利用声发射计数评估裂缝开展速度并预测裂缝的发展状况,发现在各阶段声发射计数与裂缝开展成比例关系,当裂缝发展速度最快时

14、,声发射计数率也达到了最大值,声发射分布函数的局部极值与裂缝发展的最剧烈阶段相对应。Bureau填海工程广泛使用了预应力混凝土管(PCP),Travers采用声发射技术监测由钢绞线失效和随后滑脱所引起的PCP的失效过程,对被埋置管段的劣化区域进行定位。陈祥森11以某核电站混凝土结构为例,不仅应用声发射技术对其进行安全性监测,还对将来其可能发生的损伤进行定位、分析和监视,以此确定各种类型的混凝土在复杂受力过程中的力学行为。Shinomiya等将铁路混凝土结构损伤评估技术应用于一种连续的砖混拱桥结构,并在存在裂纹扩展的砖混结构中成功监测到了声发射活动,显示了声发射技术评估墩台等下部子结构的潜力。1

15、233.13.23.3 声发射在桥梁结构中的应用国外学者从20世纪70年代末开始,进行将AE技术应用于桥梁结构损伤检测和监测的研究,随着声发射仪器技术水平的提高以及信号处理方法的发展,AE技术的研究越来受重视。12结构的耐久性是钢筋混凝土桥梁在其运营期间需要重点关注的问题。由于化学侵蚀、冻融作用、碳化以及荷载的疲劳作用等不利因素的影响,钢筋混凝土的耐久性将随着时间不断地劣化,其中一个重要方面就是钢筋的锈蚀损伤,不仅使得钢筋本身力学性能降低,还会使得钢筋和混凝土界面的粘结强度降低。上述各种损伤将直接对钢筋混凝土桥梁结构的使用可靠性和极限强度产生不利影响,因此,在钢筋混凝土桥梁的运营期间对其结构损

16、伤进行监测和评估,具有极为重要的工程和科研意义。应用AE技术可以发现结构已发生的损伤,并据此对结构当前的状态进行评价。国外学者在20世纪90年代开始采用这项技术对钢筋混凝土桥梁结构进行损伤监测。2001年,M Shigeishi等应用AE技术对英国的Boghall Bridge进行了完整性评价, BoghallBridge是一座古老的砌体拱桥,后来采用钢筋混凝土结构对该桥进行了加宽。试验分别对拱桥的砌体部分和钢筋混凝土部分进行了检测,采集了一系列的声发射信号,持续时间在2 6小时之间。通过声发射信号的分析,有效地发现了结构早期裂缝的发展,并对裂缝进行了定位;结果还表明,钢筋混凝土部分的声发射信

17、号要强于砌体部分,由于钢筋混凝土部分是后加的,其结构损伤水平要小于砌体部分,这说明结构劣化程度越高,其声发射活性越低。4. 桥梁结构高周疲劳理论19世纪中后期,从德国的铁道工程师Whler提出使用S N曲线及疲劳极限的概念研究疲劳行为以后,经过了一百五十多年,S N曲线和疲劳极限一直作为疲劳设计的依据。到了20世纪60年代,由于断裂力学在疲劳研究方面的应用,疲劳裂纹扩展行为的研究得到飞速发展,疲劳破坏机理逐渐被阐明13。国际标准化组织（ISO）在 1964 年发表的报告金属疲劳试验的一般原理中对疲劳定义为：“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳”。美国 LEHIGH 大学教

18、授 John W. Fisher 在其报告中则讲到疲劳指在最大值低于材料静屈服强度的重复或波动张应力作用下形成的渐进、局部和永久性的结构损伤。钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏。钢结构的疲劳破损就是裂纹在重复或交变荷载作用下的不断开展以及最后达到临界尺寸而出现的疲劳断裂。 一般地说，疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。对于钢结构，因结构中总会有微小缺陷，其疲劳寿命实际上只计后两个阶段14。疲劳破坏经历长期的荷载循环，扩展缓慢，与纯粹由局部拉应力高峰所造成的脆裂有明显区别。过去由于机械设备的制作基本使用低碳钢等金属材料,而低

19、碳钢的疲劳极限一般在106次左右的应力循环表现出来,从保证疲劳可靠性的观点考虑,疲劳试验只要做到107次的应力循环,就可以满足机械设备的安全使用。因此,目前的疲劳设计规范是以材料承受107次的应力循环的试验数据为依据而制定的。最近十几年来,在低于107次的应力循环被认为拥有疲劳极限的材料,在超过107次的应力循环以后的超高周疲劳寿命区(107 109次应力循环)疲劳破坏发生的可能性被提出13。随着高龄化设备时代的到来,疲劳可靠性评估方法急待建立。另外,随着机械设备的高速度化、高效率化和轻量化而要求的高强度化的发展,使得为了提高材料强度包括疲劳强度而开发的高强度钢、表面处理钢、铸铁、钛合金和铝合

20、金等材料被大量地用于机械和结构。目前,铁路车轴和轮轨、海洋结构物、桥梁、发动机零部件、机械设备的轴承等,被要求承受109 1010次交变载荷而不破坏。然而,常规的疲劳试验由于受到试验设备和试验时间的限制,大多只能够进行到107 108次应力循环。因此,超高周疲劳行为和试验方法的研究是疲劳研究者面临的一项重要课题。该研究不但可以直接保证机械设备和结构使用的长期可靠性,还可以对新材料的研发提供有益的信息;另外也可以实现节约资源和减轻由于机械设备以及结构在没有达到使用寿命之前过早失效而给地球带来的环境载荷的压力,对人类的持续发展具有重要意义。5. 声发射在桥梁结构疲劳监测中的应用目前大跨铁路桥大多采

21、用钢桁架结构,大跨公路桥梁的加劲梁结构主要采用扁平钢箱梁结构, 荷载大，刚度低，服役时间长，活荷载在总荷载中所占的比例较大。车辆荷载相较于一般民用建筑活荷载，具有更短的周期和更大的应力幅。而桥梁结构中，节点区域焊缝密集，残余应力高，加之我国超限超载问题严重，疲劳问题突出15。在列车或汽车荷载的反复作用下,桥梁局部构件经常处于超载的状态,在环境条件下,也较易出现钢材的锈蚀现象,由此产生了桥梁钢构件疲劳及锈蚀开裂的问题。因此在桥梁服役期间,有效地对其局部构件的开裂及裂纹发展的全过程进行监测,是保证桥梁结构安全性的一个关键问题。其中，桥面板直接承受车辆冲击，在铺装层开裂以后，融雪盐渗入铺装层中，使得

22、桥面板的工作环境十分恶劣。正交异性钢桥面板由面板，纵肋和横肋组成，三者相互垂直，焊接成一体并共同工作。第二次世界大战之后，欧洲有大量的桥梁函待修复，给了正交异性钢桥面板一个良好的发展机会，1950年德国在Mannheim建成的跨越Neckar River 的 Kurpfalz Bridge 是世界上第一座使用正交异性钢桥面板的实腹钢梁桥。1966年，英国建成的Seven Bridge 首先在扁平钢箱梁中使用了正交异性钢桥面板。对于正交异性钢桥面板，其底部焊缝密集交错，残余应力高，存在焊接缺陷的概率较高，疲劳问题十分突出。但同时，正交异性钢桥面板具有自重轻，刚度大，施工速度快等优势，在目前和可预

23、见的未来，都具有巨大的优势。图 4 正交异性钢桥面板疲劳细节国外自20世纪90年代开始进行应用AE技术监测钢桥疲劳裂纹的研究。 Shibasaki M等在钢桥疲劳试验中,采用多个声发射传感器实现了疲劳裂缝的定位,很有参考价值;美国学者Gong Z等对36座铁路钢桥进行了AE监测,展示了AE技术在发现新裂缝、监测裂缝发展等方面的能力。这一时期的研究取得了一定的成果,验证了AE技术用于钢桥损伤监测的可行性,但应指出的是,AE技术在估计钢结构构件疲劳寿命的方面仍面临着较大的挑战。1999年,McKeefry Jay等研究了桥梁用H型钢梁疲劳开裂的声发射特征,试验结果表明,型钢下翼缘的裂缝开展与AE监

24、测数据具有良好的对应关系,在实桥测试过程中也监测到了由于车辆荷载所引起的钢梁裂缝开展的信号。2000年,Yoon Dong Jin等34采用声发射传感器和传统的应变片,对列车荷载作用下的首尔Dang-san铁路桥的疲劳裂纹开展过程进行了监测,得到了焊缝开裂所产生的声发射信号,并根据信号到达传感器的时间差对开裂位置进行了定位。此外,还开展了桥梁常用的SWS490B钢材紧凑拉伸试件的疲劳开裂试验,结果表明,通过研究应力强度因子与声发射信号峰值幅度的关系,可以对裂纹的开展过程进行评价,且累积计数和能量等声发射参数与裂缝开展的活性具有一定的关系。由于桥梁结构及其所处环境的复杂性,目前对钢桥的疲劳开裂监

25、测的研究,主要侧重于建立试验结构或构件的声发射特征与损伤参数的关系。如Roberts T M等通过试验研究,发现了声发射计数率与裂纹扩展速率的关系,为预测结构的疲劳剩余寿命提供了可能。因此,为了将AE技术真正应用于钢桥的疲劳损伤评估,在试验的基础上,还应当对钢桥的局部易产生疲劳损伤的部位开展长期持续的AE监测,通过对比不同时期的声发射信号特征来判断钢梁的疲劳裂纹扩展速率是否发生变化。疲劳累积损伤和锈蚀是拉索最普遍的2种损伤。在服役过程中,拉索承受着车辆反复冲击荷载以及风荷载和温度变化的作用,在这种长期交变荷载作用下,在工作应力峰值低于弹性极限时,钢丝会突然发生疲劳断裂破环;另一方面,拉索暴露在

26、大气环境中,雨水的侵蚀和车辆尾气将导致拉索锈蚀。国外从20世纪90年代开始进行应用AE技术监测拉索损伤的研究。 1996年,Mohammad R在实验室通过模拟实际工况,进行吊杆和拉索的钢丝断裂试验,将AE技术与其他检测方法进行了比较,结果发现,AE技术能够有效捕捉索中单个钢丝断裂,在此基础上,制作了一种装置置于索中,可以动态监测钢丝的变化,为用于实际工程迈进了重要一步。Paulson PO研究了应用AE技术对悬索桥主缆和斜拉索进行长期持续监测的方法,结果发现,由于拉索断丝损伤所产生的声发射信号(图6)具有频带宽、能量高和持续时间短的特点,因此可以容易地将断丝信号与其他声发射事件信号及噪声信号

27、分离开来,从而实现对拉索损伤全过程的监测。这项研究为拉索长期损伤的AE监测研究提供了有益的参考12,16。在国内，李冬生等17研究了钢绞线在单调拉伸荷载下的声发射特征，为采用声发射监测钢绞线的断裂成为可能。图 5钢绞线的荷载-声发射曲线图由于碳纤维材料具有高强度和高弹模,以及比较理想的抗腐蚀性能和出色的疲劳性能,工程中开始采用其作为缆索承重桥梁的承力构件。 2001年,Piervincenzo R等采用AE技术对碳纤维拉索的损伤进行了测试,结果发现,应用AE技术监测损伤的开始和扩展,比采用荷载位移曲线方法更准确;对平行碳纤维束和碳纤维绞线测试的结果表明,在达到完全破坏之前,声发射活度与损伤程度

28、具有良好的对应关系18。6. 现有研究的不足及展望桥面板在工作时直接承受车辆冲击，是全桥工作环境最为恶劣的构件之一，也是最容易发生疲劳损伤的构建之一。现有的检测方法如涂膜检查和磁粉探伤等只能发现已经开始生长得裂纹，而超声探伤和射线探伤虽然能发现构件内部的微小缺陷，但检测进度缓慢。且上述四种方法都只能进行局部的探伤，而结构有效服役时间的90%以上都处与裂纹的萌生阶段。对于桥梁钢结构而言，对大量的焊缝逐一探伤是不可能的，目前迫切需要一种可以大范围监测，并早期发现疲劳源和微小裂纹的探测方法。目前，有关裂纹萌生的滑移理论、空穴聚集模型，滑移面横向内聚力丧失模型，以及有关裂纹扩展的Laird-Smith

29、模型中，都包含了金属的小范围屈服和塑性变形。因此，即使结构整体处于弹性工作状态下，因为裂纹尖端局部应力的奇异性，也会使得裂纹尖端发生明显的塑性变形和声发射现象。图 6 疲劳损伤裂纹的扩展桥面板在工作时直接承受车辆冲击，是全桥工作环境最为恶劣的构件之一，也是最容易发生疲劳损伤的构件之一。但目前对于桥梁钢结构的声发射研究主要集中在拉索和主梁的重要构件上。桥面板的疲劳损伤虽不至于导致全桥发生倒塌等恶性事故，却已经严重的影响了正常的交通秩序，造成了巨大的经济损失。对于超大跨斜拉桥或自锚式悬索桥，主梁承受着巨大的轴向荷载，而目前在超大跨桥梁中，使用扁平钢箱梁结构已经成为主流，在扁平钢箱梁中，桥面板兼做主梁上翼缘板，结构损伤造成的整体刚度下降，有导致主梁整体失稳的风险。因此，应当对正交异性钢桥面板在疲劳损伤中的声发射特征予以研究，为现有在役桥梁结构疲劳监测与评估提供新的方法。参考文献1 纪洪广,裴广文,单晓云. 混凝土材料声发射技术研究综述J. 应用声学, 2002, 卷缺失(4): 1-5.2 李俊平. 声发射技术