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基于NDTs的FRP混凝土复合结构损伤

检测综述

摘要：FRP复合材料与混凝土之间的脱粘会造成应力传递的损失，从而降低

钢筋结构的承载能力。为了保证FRP混凝土复合结构的可靠性，不仅要改善复合

结构的粘结性能，还需要对粘结条件进行提前检测。NDTs（无损检测技术）具有

无损、全面、兼容、实时等特点，可以对这些连接条件进行检测和评价。目前，

用于检测FRP混凝土复合结构损伤的无损检测方法主要为声发射（AE）监测方法、

超声波检测方法、光纤传感方法、微波检测方法、红外热像技术和数字图像相关

技术（DIC）。本文将综述NDTs的方法、现有工作和功能。检测能力包括FRP混

凝土复合结构损伤的类型、位置、尺寸和深度或程度。

关键词：FRP；钢筋混凝土结构；NDTs（无损检测技术）

1无损检测技术的应用

1.1声发射检测技术

声发射（AE）监测作为一种接触检测技术，其原理是:FRP混凝土复合结构在

受力状态下，一旦发生新的断裂、裂纹、脱粘等破坏，结构将处于另一种应力平

衡状态。在此过程中，结构将通过变形的全部或部分恢复来释放应变能。这种应

变能将以瞬态弹性波的形式从损伤部位传播到结构内部的周围环境。压电换能器

等传感器可以接收弱弹性波，并将其转换为声发射信号。最后，根据波动理论对

损伤部位和损伤程度进行评估。

通常，声发射监测使用直接分析损伤信号，如振幅、声发射信号、声发射信

号密度和累积能量，以确定结构的损伤。这种方法适用于损伤较小的结构。

Ghiassi等人[1]在单搭接剪切粘结试验中研究了含GFRP条砌体的累积声发射能

和累积声发射能与命中比。结合试件最终的破坏模式，他们确定了潜在的脱粘破

坏模式，包括内聚脱粘、纯粘接脱粘和内聚/粘接脱粘。Dietal[2]对B/GFRP筋

自密实混凝土进行了直接拉拔试验，他们发现声发射信号强度与粘结应力高度一

致。信号的波动代表了低能量释放的损伤。此外，研究发现根据接收到的声发射

信号的时间和传播速度以及基于声波轨迹数学分析的各种三角测量技术，实现了

电子束发射技术中声发射命中的定位，并指出声发射监测定位的损伤取决于结构

形式的复杂性和材料的非均匀性引起的信号衰减。如果同时存在多种损伤机制，

导致AE信号在相对复杂的FRP混凝土复合结构中发生重叠。对声发射信号进行

多参数分析是一种可行的损伤机理分类方法，其中声发射信号数据的数学处理至

关重要。Nair等人[3]利用模式识别对EBFRP复合混凝土梁弯曲试验中采集的声

发射数据进行聚类分析。他们发现其破坏模式为混凝土保护层剥落或剪切破坏与

混凝土保护层剥落的混合破坏。

1.2超声检测技术

超声检测FRP混凝土复合结构损伤的主要方法是导波检测，导波具有穿透性

强、灵敏度高的特点。利用超声波换能器作为发射器（Tx），发射SH波、SV波、

兰姆波、瑞利波等超声波信号。然后，超声信号在FRP复合混凝土界面上反射和

散射。最后，接收端（Rx）接收到波导损伤后，通过分析波导损伤前后的信号差

异来评估波导损伤信息。

FRP混凝土复合结构中一些重要参数与粘结损伤有关。Mahmoud等[4]分析了

EBCFRP复合混凝土试件的表面声波参数。他们认为随着水浸时效的增加，声学参

数大幅度降低，并与断裂能衰减有相关性。这一结果表明，试样易发生脱粘或分

层。同样，将激光超声技术与时频表征相结合，可以使单个兰姆波形成独特的发

散曲线，从而反映出键合损伤的存在。相关研究采用纵波或纵波（C-scan）和兰

姆波（L-scan）对EBGFRP板-混凝土的人工粘结缺陷进行可视化，C-scan和L-

scan都能正确检测出缺陷，但前者对结构行为的变化更敏感。射频（RF）波形和

C-scan能够检测了EBCFRP混凝土复合结构与分层、脱粘和混凝土裂缝相关的损

伤位置和大小。

此外，超声波检测也被用于检测钢筋与混凝土之间的粘结损伤。这些研究为

超声检测嵌入技术中FRP筋与混凝土粘结损伤提供了可能。Duetal[5]将受保护

的压电换能器埋入混凝土中作为超声换能器，并对声学参数进行分析，以检测损

伤的存在。

1.3光纤传感技术

光纤传感器由于其重量轻、体积小、耐高压、耐腐蚀、耐电磁场以及与复合

材料的兼容性等优点，被广泛应用于FRP混凝土复合结构的损伤检测。光纤布拉

格光栅（FBG）域会改变纤芯