声发射技术监测钢管混凝土加劲混合结构

声发射技术在工程材料与结构体系中应用广泛，主要覆盖三大类对象：一是岩体结构，包含花岗岩、红砂岩等各类岩石介质；二是混凝土及复合结构，涵盖纤维增强混凝土等改性材料；三是钢-混组合结构，涉及钢筋混凝土、钢管混凝土及衍生复合结构。该技术在这些结构的损伤监测、破坏机理探究及结构完整性评定等方向，均收获了突出的研究成果与应用实效。

钢管混凝土加劲混合结构（Concrete-Encased Concrete Filled Steel Tubular，CE-CFST）凭借其优异的力学性能、抗震性能及施工便捷等特性，在高层建筑和桥梁工程中常作为受压构件被广泛使用，然而该类结构因多材料与多界面的特点，失效机制更为复杂，利用声发射技术可以监测内部情况。

当前，CE-CFST结构应用于多项重大工程，例如：2014年广州东塔采用此结构作为核心筒和部分柱，加强承载力和抗震性，刷新广州第一高楼记录；2016年沪昆高铁北盘江特大桥，拱柱采用此结构，提升了优异的抗弯与抗压性能，作为当时世界第一高桥。

具体而言，声发射技术能够捕捉CE-CFST结构在荷载作用下或环境侵蚀过程中，内部裂纹萌生、扩展、界面剥离以及材料屈服、断裂等动态力学行为所释放的应力波信号。通过对这些声发射信号的采集、分析与特征参数提取，如事件计数率、能量率、幅值分布、上升时间、持续时间等，可以实现对结构内部损伤演化过程的实时追踪与动态评估。

CE -CFST结构（左：结构截面示意；右：结构立体示意）

例如，在结构承受轴向压力或 bending 荷载时，钢管壁的屈服、核心混凝土的开裂与破碎、钢管与混凝土之间界面的粘结滑移乃至脱空等细微变化，都会以特定频率和能量特征的声发射信号形式表现出来。

技术人员通过对不同阶段声发射信号特征的识别与解读，能够判断结构当前所处的损伤状态，区分不同类型的损伤模式，如拉伸裂纹、剪切裂纹或界面剥离，并结合信号源定位技术，大致确定损伤发生的位置和严重程度，从而为评估CE-CFST结构的承载能力、剩余寿命以及安全性提供重要的科学依据。这种实时、在线、动态的监测方式，相较于传统的离线检测方法，更能及时发现潜在的结构隐患，对于保障CE-CFST结构在服役期间的安全稳定运行具有重要意义。

以下为北京采声科技有限公司生产的TCS-MAE声发射系统，包括主机系统、采集卡、传输线缆、声发射探头等。

试验过程与分析

1.试块信息：300×300×600试块及传感器布置图

2.加载装置：试件加载板顶部四个顶点区域布置直线型位移传感器，用于测量竖向压缩变形。试件低端四个角部对应的地面位置布置位移计以测试加载过程中底端位置的下沉。钢管、纵筋、箍筋以及外包混凝土均粘贴电阻式应变片，用于实时监测轴向及环向应变。

现场加载损坏情况：

（a）加载初期，表面并无明显变化；

（b）加载停止，表面混凝土易脱落；

（c）去除外围混凝土，钢管中部位置发生一定程度鼓曲。

四面均有不同程度的损伤

3. 声发射（部分）数据分析:

（1）初始非线性段（O-A段）：在初始加载过程中，由于装配误差或接触面不完整，导致曲面出现轻微的非线性特征，虽然此阶段试块外观不明显变化，但是声发射技术可收集到内部微弱能量释放的信号。

（2）线性阶段（A-B段）：CE-CFST 柱经过紧压密实后进入稳定受力阶段。在荷载由 A 点增至 B 点（约为第一峰值荷载的 80%-90%）的过程中，荷载与竖向位移基本呈线性关系，符合胡克定律。该阶段内，试件外观同样没有明显的变 形，但在该阶段后期可以观察到结构表面细微裂纹的萌生与扩展，此时试件处于弹性受力阶段。

（3）非线性阶段（B-C 段）：当荷载水平超过 B 点后，外包混凝土达到弹性极限，进入塑性破坏阶段。宏观裂纹开始大量显现并沿最大主应力方向迅速扩展，裂纹宽度显著增大。外包结构塑性变形显著增强，塑性区域不断扩大，并伴随有明显的泊松效应导致的侧向膨胀。由于钢筋的延性优于混凝土，该阶段内外包混凝土逐渐发生压溃破坏，而钢筋仍处于弹性阶段，荷载-位移曲线表现出明显的非线性特征，该阶段持续时间较短，结构快速达到第一峰值荷载。

（4）负载骤降阶段（C-D）：第一峰值点（C 点）的出现标志着外包混凝土结构的失效，其承载能力急剧下降。由于结构整体刚度的显著降低，荷载曲线呈现骤降特征，待荷载下降至极限强度的 60%左右时趋于稳定，这主要归因于核心钢管混凝土结构的"套箍效应"和钢材的应变硬化特性。

（5）负载回升阶段（D-E）：当荷载降至最低点（D点）时，结构进入二次承载阶段。核心 CFST 结构开始发挥主要承载作用，荷载呈现缓慢上升趋势。此过程中，钢管经历从弹性到塑性的转变，钢筋则逐渐进入屈服阶段，表现出明显的塑性特征。由于核心结构在达到极限强度前已参与轴向承载，其二次单独承载时达到的峰值点（E 点）通常较第一峰值点（C 点）低约 15%-25%，这一现象可通过材料的累积损伤理论进行解释。

（6）平稳下降阶段（E-结束加载）：超过第二峰值点（E 点）后，结构进入最终破坏阶段。钢管发生一定程度的鼓曲变形，荷载开始平缓下降。此时可观察到已损坏但未剥落的混凝土大面积掉落，钢筋出现显著屈曲变形，钢管局部区域发生塑性铰机制，其荷载-位移曲线呈现渐进式下降特征，这与能量耗散机制和材料的损伤演化过程密切相关。