基于壓電損傷監測的CFRP加固混凝土板抗爆性能實驗研究*

蔡路軍，陳少杰，吳立過，許 凱

(1.武漢科技大學 a.理學院;b.城市建設學院,武漢 430065;2.湖北省智能爆破工程技術研究中心，武漢 430065;3.中鐵廣州工程局 武科大爆破技術研究中心，武漢 430065)

近年來，天然氣爆炸和恐怖襲擊事件頻發，導致建筑結構經常處于爆炸荷載之下，受到不同程度的損傷，甚至破壞[1-5]。因此，如何防護建筑結構在爆炸荷載作用下的破壞，并對結構進行損傷監測是非常重要的。碳纖維布(Carbon Fibre Reinforced Plastics)具有自重輕、力學性能優越、強度高、抗熱沖擊和抗熱摩擦性能優異等特點，常被用于結構加固修復和工程改造過程中。Hao Zhou等人研究了CFRP加固混凝土在疲勞循環荷載作用下的性能，實驗結果表明，CFRP加固混凝土在疲勞循環荷載作用下，破壞模式取決于混凝土的強度、類型、CFRP層壓板的尺寸和加載幅度[6]。R Al-Rousan等人研究了不同CFRP類型和結構加固鋼筋混凝土板的性能，并建立了三維有限元模型，模擬了不同結構CFRP復合材料的圓形鋼筋混凝土柱的響應[7,8]。Zhen Huang等人研究了CFRP網格作為抗彎、抗剪鋼筋對混凝土板沖擊剪切作用的影響，并研究對比了CFRP網格的不同放置方案[9]。Hasan Elci對修復不當的混凝土柱用CFRP進行抗震加固，實驗結果表明，CFRP修復過的混凝土柱其橫向強度、剛度、延性和耗能特性明顯增強[10]。Rami H Haddad等人采用近表面安裝CFRP條來加固鋼筋混凝土梁，并研究了碳纖維布條的剖面形狀對結構性能改善的影響[11]。張軍偉等人研究了CFRP加固混凝土梁受彎性能實驗，研究結果表明CFRP在鋼筋屈服后發揮的作用最大[12]。杜永峰等人利用壓電智能骨料研究工程應用中套筒灌料的早期強度。Xu K等人提出了一種利用嵌入式PZT壓電智能骨料監測混凝土柱在爆炸荷載作用下損傷的新方法，并證明了所提出的主動監測方法的有效性[14]?？偨Y國內外研究，應用CFRP材料加固混凝土并研究混凝土各項基本力學性能較多，在實驗研究和數值模擬方面都有很大的進展，而針對CFRP加固混凝土抗爆性能研究較少，受限于各項條件，實驗開展數量還不夠，且內部埋置壓電智能骨料探測爆破作用下結構的損傷幾乎是空白。

通過在混凝土板內埋置PZT壓電智能骨料，監測板在爆炸荷載作用下的損傷狀況，并運用小波包能量分析方法對板的損傷情況進行判定，實驗通過對比CFRP加固板和普通板在不同炸藥當量作用下的內部損傷，研究CFRP材料對混凝土結構抗爆性能的提升，同時通過加速度和應變監測及板的破壞形態，反映混凝土板的抗爆性能。

1 壓電傳感器損傷監測基本原理

1.1 壓電傳感器

PZT壓電陶瓷材料(Piezoelectric Ceramic Transducer)是脆性的且防水性差，不能在沒有保護的情況下直接放置在混凝土材料中使用，因此制作了一種智能骨料SA(Smart Aggregate)，即將PZT薄膜夾在兩個大理石塊之間進行保護，兩個大理石塊之間用環氧樹脂進行粘貼封裝，如圖1所示，PZT薄膜直徑為15 mm，厚度為0.3 mm，帶有BNC接頭的電纜用于提供對智能骨料的電連接。采用這種封裝措施，PZT在大理石塊保護下可以將其埋入混凝土中使用。

1.2 損傷監測原理

PZT壓電智能骨料具有正逆壓電效應，在受到應力應變作用時可以產生電荷，受到電場作用時會產生應力應變，因此，智能骨料既可以作為驅動器也可以作為傳感器。如圖2所示，嵌入在混凝土板中的一個智能骨料作為驅動器產生沿結構傳播的應力波，傳播路徑上的裂縫會顯著降低應力波所攜帶的能量，被另一個作為傳感器的智能骨料接收。由于傳感器是嵌入在混凝土內部的，通過分析采集到的應力波信號，可以監測混凝土結構內部的損傷情況。

圖 1 壓電智能骨料Fig. 1 Illustration of a smart aggregate

圖 2 損傷監測原理Fig. 2 Principles of damage monitoring

1.3 小波包分析和損傷指數

小波包分析能夠在相對較短的時間窗口中檢查相對較窄的頻帶中的信號，對于結構損傷監測的信號處理非常有效[15,16]。本文基于小波包分析，給出了不同損傷下接收能量的對應值。傳感器接收的信號S可以在n次分解下得到2n組信號{X1,X2,X3,…,X2n},其中Xj可以表示為Xj={Xj,1,Xj,2,Xj,3,…,Xj,m}(m為采樣點)。分解信號的能量被定義為

(j=1,2,3,…,2n)

(1)

因此，i時刻被分解后的能量向量為

Ei=[Ei,1,Ei,2,Ei,3,…,Ei,2n]

(2)

式中，i是時間指數，j是頻帶數(j=1,2,…,2n)。第i次爆炸損壞指數定義為

(3)

式中，Eh, j是健康狀態下第j次頻帶分解傳感器的能量。爆炸損傷指數表示為傳播過程能量損失部分。當R值接近于0時，結構處于健康狀態；R值越大，表示損傷越嚴重，當R值接近1時，意味著結構中發生了嚴重的損傷。

2 實驗方案

2.1 試件制備

在實驗中，設計并制作了兩組等級為C30的鋼筋混凝土板RC(Reinforced Concrete)作為試件，板的截面尺寸為750 mm×750 mm×90 mm，鋼筋型號采用 Q235φ8@130，鋼筋混凝土板的尺寸設計如圖3所示，混凝土配比如表1所示。在混凝土板澆筑之前，在兩組板相同的位置分別安裝三塊智能骨料，每塊智能骨料位置如圖3所示，分別編號為SA1，SA2，SA3，其中SA2作為啟動器，SA1、SA3作為傳感器，試件按照標準程序養護28 d。

在養護28 d后，用碳纖維布(CFRP)加固其中一組混凝土板，碳纖維布基本力學性能如表2所示，采用與混凝土粘結性較好的環氧樹脂作為膠粘劑，碳纖維布加固的施工工藝按照CECS 146:2003《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》，先進行表面找平，然后采用三次涂膠的粘貼法進行加固粘貼。

表 1 混凝土配合比

表 2 碳纖維布力學性能

2.2 實驗裝置

本次實驗在武漢科技大學校內中鐵廣州工程局-武科大爆破技術研究中心的空氣爆炸罐中進行，將模型運送于爆炸罐中簡支固定在鋼架上，采用太安猛炸藥并轉換為對應的TNT當量，將炸藥用支架懸吊于離板迎爆面正中心以上20 cm處，采用毫秒一段導爆管雷管進行引爆，實驗分多級進行加載。此外，在板的背爆面分別粘貼三組應變片，詳細位置如圖4所示，編號為A1至A3，并在應變片旁邊分別安裝一個加速度計，用于測量試件的加速度。試件起爆時，用PVC管和棉被對應變片、加速度計、智能骨料的傳輸線進行防護，防止傳輸線被破壞。

圖 3 板配筋以及智能骨料安放位置Fig. 3 Reinforcement and smart aggregate position

圖 4 傳感器布置示意圖(單位：cm)Fig. 4 Sensor layout diagram(unit:cm)

2.3 實驗過程

如圖5所示，炸藥放在板中心的上方，其具體爆炸方案如表3所示。

圖 5 加載方式Fig. 5 Loading method

實驗標號用B0表示初始狀態，B1～B5表示五次不同的爆炸。在第一次爆炸之前和每次爆炸結束之后，利用壓電智能骨料主動監測方法采集數據，將板劃分為兩塊區域分別監測損傷，并在每次爆炸過程中采集加速度、應變的數據。

表 3 爆炸實驗方案

3 實驗結果及分析

3.1 智能骨料損傷監測結果

PZT壓電智能骨料對混凝土板內部的裂縫比較敏感，當混凝土板受損后，壓電智能骨料接受到的信號幅值將會衰減。圖6分別為普通板(RC)和CFRP加固板在Ⅰ區(S2作為驅動器，SA1作為傳感器)的主動監測信號時程曲線。圖7分別為普通板和CFRP加固板在Ⅱ區(SA2作為驅動器，SA3作為傳感器)的主動監測信號時程曲線。在開始實驗之前對初始狀態的混凝土板進行一次信號采集以及每次爆炸荷載施加結束后采集一次，B0為初始狀態，B1～B5依次為第一次到第五次爆炸荷載施加后所采集到的信號，復合圖能夠更好的表現出不同藥量作用下板內部損傷情況的差異。

由圖6、圖7可知，混凝土板在初始狀態下(B0)，信號幅值較大，隨著爆炸荷載的增加，信號幅值逐漸減小，直到第五次爆炸荷載(B5)施加后，信號幅值下降明顯幾乎為零，說明混凝土板已經嚴重損壞，施加荷載后產生的應力波不能從驅動器傳到傳感器。普通板相比于CFRP加固板信號分布較離散，能量密度不集中，說明CFRP的加固減少了信號的散射，對能量信號的傳遞有增強作用。在不同位置處，區域Ⅱ信號分布較區域Ⅰ更加集中，說明在爆源正下方區域Ⅰ內板的損傷要更加嚴重。

圖 6 Ⅰ區損傷監測時域信號Fig. 6 Damage monitoring time domain signal(Ⅰ)

圖 7 Ⅱ區損傷監測時域信號Fig. 7 Damage monitoring time domain signal(Ⅱ)

為了更好的比較普通板和CFRP加固板的損傷情況，通過 MATLAB 進行編程將信號進行小波包能量分析并計算出板健康狀態下的能量指數，再根據公式(3)計算出每次爆炸板的具體損傷指數R，繪成柱狀圖,如圖8所示。

圖 8 普通板和CFRP加固板損傷對比圖Fig. 8 Damage index

當損傷指數為0時表示混凝土板處于初始狀態，當損傷指數為1時表示已經被完全破壞。在B1到B5工況爆炸荷載作用下，區域Ⅰ內CFRP加固板損傷指數相比于普通板降低了29.05%、27.44%、15.85%、8.69%、0.35%，區域Ⅱ內損傷指數相比降低了17.12%、27.24%、8.97%、2.54%、0.23%。如圖8所示，無論是區域Ⅰ和區域Ⅱ，CFRP加固的混凝土板損傷指數都要小于普通混凝土板，且區域Ⅰ在爆源正下方，區域Ⅱ相鄰區域Ⅰ遠離爆源，損傷指數明顯小于區域Ⅰ。而在B5工況下兩塊板損傷都趨近于1，說明兩塊板都已被完全破壞。結果表明，在小藥量爆炸沖擊下(B1～B3)，CFRP加固板的損傷指數明顯小于未加固板的損傷指數，說明CFRP在藥量較小時能有效提升混凝土板的抗爆性能。在大藥量作用下(B4、B5)，兩塊板的損傷指數區別不大，在最后一爆后損傷指數都趨近于1，板中部形成貫穿空洞，已完全破壞失去承載力，說明當藥量較大時，CFRP加固材料對混凝土板的抗爆性能提升不明顯。

3.2 加速度結果分析

加速度結果可以直觀的展現結構受載過程中局部響應行為，通過粘貼在混凝土背面的加速度傳感器可以獲得混凝土板的抗爆性能的強弱。如圖9所示，繪制了第二塊加速度傳感器(A2)在每次爆炸期間的時間響應。在實驗過程，第五次爆炸(B5)后混凝土被破壞，因此提前取下加速度傳感器防止被破壞，應變片也因板破壞而失真，因此忽略不計。

圖 9 A2測點加速度時程曲線Fig. 9 Acceleration time history curve(A2)

加速度傳感器具有較強的靈敏性，能夠迅速捕捉爆炸產生沖擊波作用于結構的能量，由圖9可知，加速度在5 ms處達到峰值，然后緩慢衰減至平衡位置。在相同位置處炸藥爆炸下，隨著藥量的增加，普通混凝土板和CFRP加固混凝土板的加速度峰值也不斷增加，但增大幅值并非與炸藥量成正比，在10 g、20 g、40 g TNT當量下加速度峰值增加較大，當在80 g TNT當量以上時，加速度峰值較前面兩次趨于平緩。CFRP加固板加速度峰值明顯小于普通板，說明CFRP加固混凝土板可以吸收部分能量，減少板背爆面拉伸波所作的破壞作用。從不同位置加速度動力響應分析，B1到B3階段，A3位置處加速度幅值顯著大于A1、A2位置處加速度幅值，在B4階段，A2和A3處加速度幅值相差不大，說明當大藥量作用于板時，距爆源于結構中心投影點一定范圍內，結構所受爆炸效應相同，局部易發生剪切破壞。

3.3 應變結果及分析

圖10顯示了不同藥量下普通板和CFRP加固板在A2位置處濾波后的應變信號。

由圖10可知，在5 ms位置處，各板應變達到峰值，同位置下隨著藥量成倍的增加，應變逐漸增大，10 g、20 g、40 g TNT當量下應變呈線性增強，普通板應變幅值上升隨著荷載增加而加速增長，CFRP加固混凝土板增量變化較小，再一次表明CFRP加固混凝土板可以顯著改善混凝土的抗拉性能。比較不同位置應變變化情況，離爆源投影中心點近的板背部混凝土應變幅值遠大于其他位置應變，變化趨勢為A3>A2>A1，說明炸藥爆炸正沖擊結構背面損傷較其他位置更嚴重，局部產生的彎曲拉應力更大。CFRP的加入分散了應力波能量，減弱了爆炸應力波直接作用于結構而傳播至背部的反射拉伸效應，體現了CFRP對混凝土拉伸變形的抑制作用以及增強了混凝土結構的抗裂性、抗爆性。

3.4 板的破壞形態及分析

圖11顯示了CFRP加固板和普通板在160 g TNT當量下接觸爆炸后板的宏觀破壞模式，從圖中可以看到普通板破壞形式嚴重，板正面中心產生直徑大約為13 cm的貫穿孔洞，表面分布有明顯的近似方形的周向裂紋，而CFRP加固板正面也產生了直徑約12 cm的貫穿孔洞，但板表面裂縫不明顯，且數量明顯少于普通板裂縫數量。說明在正面沒有貼CFRP布時，迎爆面受壓破壞模式和普通板相同，破壞結果差別不大。而在板背面由于爆炸波在自由面反射拉伸波的作用下，出現大面積的剝落和震塌現象，產生大量的徑向裂紋，而CFRP加固板背面剝落坑面積相較于普通板小很多，說明CFRP充分發揮了其抗拉的優異性能，緩解拉伸波對混凝土的直接作用，抑制混凝土的裂紋發展，減小混凝土的開裂面積，同時，混凝土與碳纖維布之間的摩擦也分擔了部分應力波能量，使得結構整體性抗爆性能增強。

圖 10 A2測點應變時程曲線Fig. 10 Strain time history curve(A2)

圖 11 開裂圖Fig. 11 Damaged slabs

4 結論

通過將PZT壓電智能骨料埋入混凝土板內部進行爆破實驗，再結合加速度傳感器和應變片，對混凝土板的動態響應以及內部損傷進行研究，得到以下主要結論：

(1)利用嵌入式PZT壓電智能骨料可以對爆破荷載作用下混凝土板的內部損傷實現有效監測，同時，利用小波包能量分析法可以對采集到的信號進行有效分解。結果表明：在藥量較小時CFRP加固板內部損傷明顯小于普通板，說明CFRP材料能有效提高混凝土的抗爆性能。

(2)基于應變片、加速度傳感器對CFRP加固板和普通板的動態響應過程進行分析，對比驗證了壓電智能骨料監測內部損傷的可行性。當藥量較小時，CFRP加固板應變和加速度都明顯小于普通板；當藥量較大時，由于應變和加速度傳感器易于損壞，采用智能骨料能夠更加有效的反映結構內部破壞情況。

(3)對CFRP加固板和普通板做了不同藥量下爆破對比實驗，對其破壞形態進行分析，結果表明：CFRP加固后混凝土的抗拉強度和沖擊韌性都得到了提高，CFRP材料的加固可以抑制板的裂紋擴展，在背爆面產生剝落震塌面積明顯小于普通板，說明CFRP材料能夠有效提升混凝土結構的抗爆性能。