混凝土构件中声发射源的时域丛集特性及表征方法研究

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声发射无损检测技术目前在混凝土领域中已得到了广泛应用,然而由于受到混凝土材料内部结构复杂,损伤类型多样以及不均匀介质对弹性波传播的影响,使得声发射无损检测在混凝土领域的理论研究有待加强,尤其对声发射信号参数与应力等力学参数之间关系的分析较少。声发射源丛集特性,是指声发射源在时间与空间域上都呈现出的不均匀分布特征,其背后的物理机制是应力的分布与变化。在地震工程中,震源的丛集特性研究较早、较多;然而,对混凝土结构内部的声发射源丛集特性及其与应力变化之间的关系亟待研究。从理论分析与试验研究两个角度入手,对声发射源丛集特性进行研究,在此基础上建立声发射信号参数与应力之间的关系。
  本文对三组素混凝土短柱分别进行轴心、偏心8mm、16mm单轴受压试验。以采集得到的相关数据为研究对象,对声发射源丛集特性的理论推导进行验证并深入分析,论文的主要工作与结论如下:
  (1)从声发射事件与地震事件的对比研究以及丛集特性含义两个方面进行分析,同时绘制出声发射事件在时间及空间上的分布图。结果显示,声发射事件在时间及空间域上具有丛集特性;且丛集特性的表现形式为时域及空间域上分布的不均匀性;
  (2)利用数理统计模型以及概率统计相关知识,对声发射事件的丛集特性进行定性、定量研究。结果显示,在定性方面,声发射事件的丛集特性体现为不同时间区段内声发射事件的频率差异较大;对于定量刻画,用推导得到的丛集特性参数——时间变异系数S大于1对声发射事件丛集特性进行定量刻画,并得到前半部分时间段内,偏心受压短柱声发射事件时域丛集特性比轴心受压短柱显著;在全部时间段内,反之。
  (3)采用最优分割法对丛集段内部声发射信号的时间序列进行分期。得到同试件整体受力过程相似,在丛集段内部声发射信号的分布也具有密集、稀疏的不均匀性;且其丛集规律与构件整体受力过程中声发射事件的丛集规律相似,声发射源丛集现象存在自相似性。
  (4)首先对现阶段已有的声发射事件与应力关系式进行推导,其次绘制声发射事件在应力上升与应力不变区段内的个数统计图,并与应力随时间变化曲线进行对比;最后建立应力比与累积声发射事件比之间的定量关系。基于本文试验数据,研究得到:应力比与累积声发射事件比之间的定量关系为y=ae(bx),累积声发射事件比随着应力比的增大呈指数增加;声发射事件丛集特性来源于试件内部应力的变化,且声发射事件丛集于应力上升及应力较大处,随着应力的增大声发射事件丛集特性越显著。
  (5)对总活跃幕中声发射参数能量和与平均应力的变化进行分析,同时将能量和与平均应力进行直接关联。研究得到,能量和与平均应力都随着活跃幕的变化而增大,且两者的变化曲线在相似的位置出现拐点,拐点两侧斜率增大;声发射参数能量和随平均应力的增大而增大。
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