利用声发射监测技术研究自修复 SMA 对受损预应力混凝土柱的轴向压缩性能及损伤演变机制

《Structures》：Axial compressive behavior and damage evolution mechanism of SMA-repaired pre-damaged RC columns using acoustic emission monitoring

　　**摘要**
随着现有建筑存量的饱和度不断增加，受损钢筋混凝土（RC）结构的修复已成为研究重点。本文提出了一种使用形状记忆合金（SMA）条带的修复方案，以实现对受损RC柱的环向约束。设计了九组RC柱试件，并进行了轴向压缩试验，以研究具有不同预损伤程度和不同数量SMA条带的试件的轴向载荷-位移响应。同时，采用声发射（AE）技术实时监测损伤演变过程，并分析了关键AE特征参数，包括振铃计数、信号能量和b值。轴向压缩试验结果表明，经过SMA修复的试件的破坏模式从脆性转变为塑性。修复后，极限承载能力提高了多达30.5%，塑性系数提高了最大6%。SMA条带的数量越多，修复效果越好，但预损伤越严重，修复效果越差。对于预损伤较低至中等的试件，建议使用四片SMA条带的配置。通过对AE参数的分析，发现了SMA条带的修复机制：在初始损伤阶段，SMA条带通过主动预应力抑制微裂纹的扩展；在裂纹扩展和聚合过程中，SMA条带提供的主动和被动约束减少了宏观层面的损伤事件频率。在微观层面，这导致失效时的剪切诱导裂纹比例减少了7.3%至13.7%。这些发现为理解SMA修复受损结构的损伤控制机制提供了理论支持。

**引言**
在结构加固领域，主动加固是指通过向结构施加预应力来改变其内部应力分布，使其能够在更理想的应力状态下工作，从而提高结构性能[1],[2]。近年来，形状记忆合金（SMAs）由于其独特的形状记忆效应（SME）和超弹性（SE），成为主动结构加固的研究热点，因为它们可以以成本效益高且易于实施的方式对结构进行预应力处理[3],[4],[5]。迄今为止，研究主要集中在使用SMA来提高未受损梁、柱、接头等构件的性能，并取得了有希望的结果。这些发现证实，主动SMA加固可以有效抑制混凝土中的裂纹发展，并显著提高构件性能[6],[7],[8],[9],[10],[11],[12],[13],[14],[15],[16],[17]。然而，在实际工程中，钢筋混凝土（RC）结构不可避免地会在长期使用荷载、环境侵蚀和材料老化的共同作用下累积损伤，导致其力学性能下降[18],[19]。其中，RC柱作为建筑物、桥梁、渡槽等结构中的关键承重构件，在持续轴向荷载作用下容易发生不可逆损伤，包括混凝土开裂、覆盖层剥落甚至纵向钢筋屈曲[9],[13]。修复和加固受损RC柱以使其在满足安全标准的情况下继续服役，是一种比拆除和更换更经济高效的选择。此外，这种方法还避免了在保留整体结构完整性的同时更换关键承重构件的困难。与在主动结构加固中广泛研究和应用的SMAs相比，它们在受损构件的主动修复中的应用仍然很大程度上未被探索。目前，主流的主动修复材料包括各种预应力钢元件和预应力纤维增强聚合物（FRPs）。这些材料通常通过外部包裹/粘接或内部嵌入来发挥作用。例如，Fakharifar等人[20],[21]提出了一种混合夹套技术，结合了外部预应力钢束和冷成型薄壁钢板，并通过实验证明该方法可以有效恢复地震受损柱的极限承载能力和塑性。Zhang等人[22]使用预应力钢箍和钢夹套修复了在地震后底部发生弯曲/剪切破坏的RC柱；修复后的试件的塑性和侧向承载能力分别达到了原始试件的111.4%和113.3%。Wang等人和Yurdakul等人[24]都使用预应力碳FRP（CFRP）修复了地震受损的柱子，使承载能力和塑性恢复到近乎未受损的水平。尽管这些相关研究相对成熟，但这些方法仍然存在一些缺点，包括安装复杂、预应力应用不便、需要定制和昂贵的安装工具，以及由于钻孔、开槽或其他处理可能导致已有构件进一步受损[25]。相比之下，利用SMAs的形状记忆效应可以将预应力处理和安装过程完全分离；通过在安装后加热材料可以重复施加预应力，从而最大限度地避免上述问题。尽管在这一领域存在一些初步探索——例如，Deng等人[26]使用SMA螺旋加固剂修复了受损柱子（需要注意的是，参考文献[26]中报道的SMA螺旋技术和本研究中采用的SMA条带技术在构造形式和预应力实施方法上有所不同。在参考文献[26]中，SMA螺旋连续缠绕在柱子上，修复效果主要由螺旋间距决定。相比之下，本研究采用沿柱高度离散布置的外部包裹Fe-SMA条带。与连续螺旋配置相比，条带配置提供了更大的约束面积和沿柱高度更均匀的约束分布。关于激活方法，两种技术都采用热枪加热；然而，本研究在激活过程中不需要额外的绝缘层。这些差异也意味着不能直接从现有的SMA螺旋研究中推断出SMA条带修复技术的设计参数和损伤机制。）分别实现了22%和286%的强度和塑性提高，证明了SMA修复的优越性——关于使用SMA条带的修复方案的系统研究仍然相对较少。相关设计参数的影响仍需进一步研究，修复效果及其背后的损伤演变机制也有待进一步阐明。为了全面研究SMA修复受损构件的力学行为和损伤演变过程，需要一种实时、动态且无损的监测技术。声发射（AE）技术能够捕捉材料内部应变能量释放产生的应力波，从而动态识别和定位裂纹的起始、扩展和分类。由于其高灵敏度和全局监测能力，AE已成为结构健康监测的成熟工具[27],[28],[29],[30]。在梁构件中，AE主要用于弯曲损伤演变分析和裂纹类型识别。Prem等人[31],[32]监测了在不同破坏模式下的RC柱，并证明AE能量、RA值和平均频率可以区分破坏模式，而RA–AF分析与高斯混合模型的结合可以有效区分拉伸裂纹和剪切裂纹。Zhang等人[33]进一步提出了一种基于AE概率密度的分级预警方法，无需箍筋即可自动识别RC柱的三个剪切破坏阶段。在柱子和接头中，AE的应用主要集中在轴向压缩和地震荷载下的损伤监测。Liu等人[34]和Epple等人[35]分别应用深度学习和主动传感技术对在役和全尺寸RC柱进行了AE监测，提高了损伤定位和结构健康评估的准确性。Zhang和Li[36]以及He等人[37]将AE监测扩展到腐蚀的梁-柱接头和π形可拆卸连接器，基于AE能量和多参数阈值建立了损伤评估公式和累积损伤模型。与本研究更相关的是，AE技术越来越多地应用于修复或加固的构件。Li等人[38]和Holsamudrkar与Banerjee[39]使用AE多参数分析（能量、Ib值、b值、RA–AF、哨兵函数）来识别工程水泥基复合材料（ECC）-普通混凝土（NC）和纤维增强水泥基矩阵（FRCM）加固RC柱中的裂纹演变、钢板剥离和损伤机制。Ashraf和Rucka[40]将AE与数字图像相关性结合，用于监测纤维增强混凝土的损伤，验证了这种混合方法在早期损伤检测中的有效性。对于修复的柱子和接头，Rong等人[41]、Ma等人[42]和Abouhussien等人[43]通过AE计数、Ib值、b值和强度指数表征了混凝土填充钢管柱、玄武岩FRP约束圆柱和ECC梁-柱接头的损伤演变，分别提出了三阶段、五阶段和基于强度指数的损伤分类方法。这些研究表明，AE技术可以在介观尺度上捕捉损伤演变，并区分原始混凝土和加固混凝土构件中的裂纹类型。然而，现有的基于AE的加固柱研究主要集中在被动约束系统（如FRP、FRCM、钢夹套）上，在这些系统中，约束应力仅在混凝土横向膨胀后才产生。相比之下，SMA条带在安装后立即提供主动预应力，从根本上改变了初始应力状态和随后的损伤过程。在这种主动约束下的AE响应特性，特别是裂纹类型的演变和损伤积累过程仍不清楚。因此，将AE技术应用于SMA修复的RC柱提供了一个独特的机会，可以从介观尺度揭示主动约束如何调节损伤的起始和扩展，这是传统机械测量方法无法单独捕捉到的。

**研究背景**
基于此背景，本研究重点关注使用SMA条带修复的预损伤RC柱的轴向压缩性能和修复机制，旨在阐明修复试件的损伤演变规律。通过轴向压缩试验，系统研究了不同数量SMA条带对具有不同预损伤程度试件力学性能的影响，并全面评估了载荷-位移响应、极限承载能力和塑性恢复情况。同时，使用AE技术进行了同步监测。通过分析AE参数（包括AE能量、累积振铃计数、b值和RA–AF关系），定量表征了加载下修复试件中裂纹类型的演变和损伤积累过程，从而明确了在主动SMA约束下的损伤控制机制。本研究为SMA修复受损RC构件的实际应用提供了实验依据和设计参考，并从损伤演变的角度为其工程应用提供了理论支持。

**试验设计**
为了研究主动SMA约束技术对受损RC柱的修复效果，设计并制备了九组直径为150毫米、高度为300毫米的RC圆柱形试件。其中包括一组未修复的普通RC柱试件作为对比基线，三组具有不同预损伤程度的普通RC柱试件，以及五组SMA修复试件。为了确保结果的一致性和可靠性，...

**破坏模式**
每种试件的破坏模式如图6所示。为了更清晰地说明损伤情况，混凝土覆盖层的剥落区域用红色虚线标出，裂纹用黄色虚线标出。

**AE特征参数分析**
在AE的特征参数中，振铃计数和能量是最基本和直观的。振铃计数是指事件信号超过预设阈值的振荡次数，直接反映了整个加载过程中的损伤事件频率。能量来源于信号包络下的面积，可用于测量损伤事件的强度。图11和图12分别展示了振铃计数和累积...

**结论**
本研究提出了一种使用SMA条带进行主动加固和修复受损混凝土柱的方案。进行了轴向压缩试验，以研究修复试件的轴向载荷-位移响应，并在加载过程中引入AE技术来监测损伤演变过程。通过结合载荷-位移曲线和AE特征参数，分析了修复试件的损伤控制机制。主要...

**作者贡献声明**
Lidan Xu：写作——审稿与编辑、项目管理、方法论、概念化。
Mingxu Li：写作——原始草稿、软件、形式分析。
Jitao Zhao：可视化、监督、数据整理。
Mingfang Shi：写作——审稿与编辑、调查、资金争取。易阳：验证方法、研究资源与研究方法。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52468026）、内蒙古自治区自然科学基金（项目编号：2024MS05066、2025MS05042、2025FX010）、内蒙古自治区土木工程安全与耐久性项目（项目编号：2025KYPT0113）以及内蒙古自治区高校青年教师创新能力支持计划（项目编号：JYTQNXM202530）的支持。
作者名单：徐丽丹 | 李明旭 | 赵继涛 | 史明芳 | 易阳