康莊，翟旭茹

(重慶建工市政交通工程有限責(zé)任公司，重慶 400045)

引言

擋土墻是最常見的支擋構(gòu)筑物。它不僅廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、城市建設(shè)的邊坡支護(hù)，也大量應(yīng)用于水壩建設(shè)、港口工程、水土保持、山體滑坡防治等領(lǐng)域?；炷翐跬翂ΤＤ杲?jīng)受著自然環(huán)境的考驗(yàn)，基礎(chǔ)約束、氣溫變化、氣候驟變、水質(zhì)污染、相鄰混凝土塊體制約、混凝土質(zhì)量低劣及設(shè)計(jì)和施工上的不當(dāng)都會(huì)造成缺陷。常見的缺陷包括裂縫、內(nèi)部架空、表面不平整和空蝕磨損等?；炷羶?nèi)部架空是一種隱蔽性缺陷，架空缺陷的存在將降低混凝土的密實(shí)性、抗?jié)B性、抗凍性、強(qiáng)度。若架空與止水相通，會(huì)導(dǎo)致漏水；出現(xiàn)在受力鋼筋附近時(shí)，會(huì)降低混凝土對(duì)鋼筋的握裹力。造成混凝土內(nèi)部架空的原因主要是施工不良，包括混凝土運(yùn)輸過程中嚴(yán)重分離、漏漿；入倉速度過快，來不及平倉振搗；平倉不善，漏振欠振；縫面處理不當(dāng)，沿縫面形成空穴。由于混凝土內(nèi)部架空不能通過肉眼觀測，對(duì)內(nèi)部架空缺陷的檢測方法的研究一直都是一個(gè)重要課題。自然界中任何高于絕對(duì)零度的物體都是紅外輻射源，紅外線是介于可見紅光和微波間的電磁波，它的波長范圍在0.76～1000m之間，其中只有3～5m和8～14m的波段能很好地透過，紅外探測器就是利用這個(gè)波段進(jìn)行探測的[6]。當(dāng)物體內(nèi)部存在裂縫和缺陷時(shí)，它將改變物體的熱傳導(dǎo)，使物體表面溫度的分布產(chǎn)生差別，利用紅外熱成像儀測量它的不同熱輻射，可以檢測出物體的缺陷位置[7]。本文試圖通過對(duì)具有不同內(nèi)部架空缺陷和不同的邊界條件下的混凝土擋墻的傳熱有限元數(shù)值分析，找出判別缺陷位置、大小、深度等的規(guī)律，為紅外熱成像技術(shù)在擋墻檢測中的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 擋墻模型的確定

取擋墻厚度為30cm，取土體深度為0.5m，且深度0.5m處的土體溫度為定值。由此確定的擋墻模型如圖1所示。紅外無損檢測通常都是在白天進(jìn)行，檢測時(shí)間都比較短，故在分析的過程中取8-18點(diǎn)的時(shí)間段進(jìn)行分析，分析時(shí)長完全可以滿足工程檢測的需要。

圖1 擋墻模型

1.1 缺陷設(shè)置

在擋墻內(nèi)部設(shè)置不同深度、大小的矩形架空缺陷進(jìn)行分析，見圖2。圖2中b為缺陷厚度、d為缺陷深度、h為缺陷高度。

此外，不同朝向、不同日期和不同的天氣情況下，擋墻的太陽輻射規(guī)律和強(qiáng)度各不相同，必然會(huì)引起擋墻表面的溫度分布和變化規(guī)律差別較大，為此，選擇重慶地區(qū)2011年7月9日為計(jì)算日，用Matlab程序計(jì)算西向擋墻的太陽輻射強(qiáng)度，如圖3所示。

圖2 擋墻缺陷示意圖

圖3 重慶7月9日西向太陽輻射強(qiáng)度

1.2 逐時(shí)氣溫、天空當(dāng)量溫度和風(fēng)速

由牛頓冷卻公式知，表面對(duì)流換熱量的大小與表面和空氣的溫差和對(duì)流換熱系數(shù)的大小有關(guān)。但是要獲得一天之內(nèi)每個(gè)時(shí)刻的溫度值比較困難，通常氣象局只提供一天的最高、最低和平均氣溫，逐時(shí)氣溫可采用下式[4]進(jìn)行模擬:

式中Ta,t為逐時(shí)氣溫；αt為模比系數(shù)；△Tw為氣溫日振幅。氣象局提供的7月9日的最高氣溫為38℃，最低氣溫26℃，可計(jì)算出兩個(gè)計(jì)算日的逐時(shí)氣溫，進(jìn)而計(jì)算出逐時(shí)天空當(dāng)量溫度。

重慶地區(qū)的天空當(dāng)量溫度取為Ta-15[5-6]，逐時(shí)風(fēng)速和對(duì)流換熱系數(shù)如圖4所示。

圖4 7月9日對(duì)流換熱系數(shù)和風(fēng)速

2 ABAQUS有限元軟件瞬態(tài)分析

2.1 建立ABAQUS軟件分析模型

本文采用ABAQUS軟件進(jìn)行缺陷擋墻模型的熱傳導(dǎo)分析，首先建立的是二維無缺陷平面模型，之后再在其中添加各種缺陷特征，可得到帶不同缺陷大小的二維平面擋墻模型。

2.2 設(shè)置模型材料屬性

在分析過程中假設(shè)混凝土擋墻為干燥狀態(tài)。此外，導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)的大小還與溫度有關(guān)，一般假設(shè)為溫度的線性函數(shù)，因?yàn)閾鯄Φ臒o損檢測都是在常溫下進(jìn)行，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)變化不大，所以在分析中取為常數(shù)?？偟膩碚f，有關(guān)混凝土的熱工參數(shù)的取值如表1所示。

表1 混凝土熱工參數(shù)

分析中假設(shè)缺陷部位為空氣，空氣的熱參數(shù)也與溫度和濕度有關(guān)。在0～40℃的范圍內(nèi)，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.0244～0.0276，導(dǎo)溫系數(shù)18.8×10-6～24.3×10-6，在實(shí)驗(yàn)分析中可取定值，但是當(dāng)濕度發(fā)生變化時(shí)，空氣的熱參數(shù)將發(fā)生很大變化。當(dāng)為飽和水蒸氣時(shí)，導(dǎo)溫系數(shù)在20℃時(shí)為602×10-6，比干燥狀態(tài)下大了一個(gè)數(shù)量級(jí)。為簡化計(jì)算，假設(shè)空氣為20℃干燥狀態(tài)，相應(yīng)的熱工參數(shù)如表2所示。

表2 空氣的熱工參數(shù)

墻后土體的熱工參數(shù)的影響因素非常復(fù)雜，主要有土壤的種類、密實(shí)程度、密度、含水率等。這里假定土體為20℃下含水率為15%干燥狀態(tài)下的沙土，其熱工參數(shù)如表3所示。

表3 土體的熱工參數(shù)

2.3 初始條件和分析步的設(shè)置

混凝土擋墻熱傳導(dǎo)模型屬非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，需給定模型的初始條件。這里設(shè)置為給定擋墻表面在8點(diǎn)的溫度和土體內(nèi)部邊界的溫度，經(jīng)過一個(gè)穩(wěn)態(tài)分析步得到的溫度場作為之后的非穩(wěn)態(tài)分析的初始溫度場。對(duì)非穩(wěn)態(tài)傳熱，選擇從早上8點(diǎn)到下午18點(diǎn)的時(shí)間段進(jìn)行分析。因?yàn)閷?duì)流換熱系數(shù)在1h內(nèi)看作常數(shù)，所以分析中共設(shè)置10個(gè)分析步，每個(gè)分析步時(shí)長3600s。場變量選擇輸出每個(gè)時(shí)間步的溫度和熱流密度，歷史變量選擇擋墻表面的節(jié)點(diǎn)溫度。

2.4 模型邊界條件設(shè)置

在ABAQUS軟件中，把對(duì)流換熱和輻射邊界條件看作分析對(duì)象和外界的接觸，在Interaction模塊中通過Surface Film Condition和Surface Radiation功能進(jìn)行模擬。在Surface Film Condition中將Film Coefficient設(shè)置為對(duì)流換熱系數(shù)，Sink Temperature設(shè)置為環(huán)境溫度；在Surface Radiation中將E-missivity設(shè)置為混凝土黑度0.9，Ambient temperature設(shè)置為天空當(dāng)量溫度曲線，環(huán)境溫度和天空當(dāng)量溫度都通過幅值曲線來模擬對(duì)時(shí)間的變化。

熱流密度和溫度邊界條件在ABAQUS的Load模塊中輸入。對(duì)太陽輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為熱流密度之后，還需乘以混凝土擋墻的吸收率0.73，在Load模塊的Load Manager選項(xiàng)下通過幅值曲線模擬輸入。溫度邊界條件在Load模塊的Boundary Conditions Manager選項(xiàng)中輸入。ABAQUS默認(rèn)的邊界條件為絕熱邊界，所以不需要輸入模型的上下邊界。

2.5 網(wǎng)格劃分、作業(yè)提交及后處理

ABAQUS提供了多種網(wǎng)格劃分方法和單元類型，針對(duì)帶矩形缺陷的擋墻模型采用四邊形單元的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法。網(wǎng)格劃分之后，可在Job模塊中創(chuàng)建和提交分析作業(yè)。

3 分析數(shù)據(jù)處理和規(guī)律總結(jié)

為了研究不同季節(jié)對(duì)紅外無損檢測的影響，選擇4月和7月分別代表春季和夏季對(duì)擋墻模型進(jìn)行傳熱分析。同時(shí)，由于不同的擋墻朝向，對(duì)檢測時(shí)間的選擇影響較大，分別建立西向擋墻和南向擋墻的傳熱模型進(jìn)行分析，并分別研究不同缺陷深度、大小對(duì)擋墻表面溫度場的影響。

3.1 不同缺陷深度擋墻表面溫度變化規(guī)律

以重慶地區(qū)7月9日晴天的太陽輻射和氣象數(shù)據(jù)，對(duì)不同矩形缺陷深度的西向擋墻進(jìn)行分析，可以輸出不同模型的溫度場云圖，如圖5為缺陷深度為1cm的擋墻云圖。

圖5 缺陷深度為1cm的擋墻云圖

選擇缺陷區(qū)域?qū)?yīng)的擋墻表面溫度最高的點(diǎn)代表缺陷區(qū)域，選擇離缺陷最遠(yuǎn)的擋墻表面的最高點(diǎn)代表非缺陷表面，分析兩者的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖6所示。

圖6 缺陷對(duì)應(yīng)表面點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律

由圖6可知，缺陷對(duì)應(yīng)的擋墻表面溫度從早上8點(diǎn)到下午17點(diǎn)18分都在不斷增加，這是由于造成擋墻表面溫度升高的主要外部條件是太陽輻射，而從早上8點(diǎn)到下午17點(diǎn)太陽輻射都在不斷增加，在17點(diǎn)之后開始下降。同時(shí)，由于擋墻熱惰性的影響，導(dǎo)致缺陷表面溫度在17點(diǎn)18分左右達(dá)到最大值。從曲線的走勢可知，從8點(diǎn)到13點(diǎn)比較平坦，溫度變化不是很大，因?yàn)檫@段時(shí)間西向擋墻還沒有受到太陽的直射輻射，輻射主要來自于散射輻射和反射輻射，量值較小且比較穩(wěn)定。13點(diǎn)之后，西向擋墻開始受到太陽的直射輻射，擋墻表面溫度急劇上升，曲線斜率變大，在17點(diǎn)之后溫度開始下降。缺陷深度每增加1cm，缺陷表面溫度都在不斷下降，且變化的幅度越來越小，最終趨于穩(wěn)定，隨著缺陷深度的增加，缺陷區(qū)對(duì)應(yīng)的表面溫度和非缺陷表面溫度越來越接近，不同缺陷深度下?lián)鯄Ρ砻娴臏囟确植记€如圖7所示。

圖7 不同缺陷深度下?lián)鯄Ρ砻娴臏囟确植记€

由圖7可知，缺陷深度較小時(shí)，缺陷部位對(duì)應(yīng)的表面溫度急劇升高，且對(duì)非缺陷區(qū)的溫度影響較小，這對(duì)紅外無損檢測是非常有利的；隨著深度的增加，缺陷部位表面的溫度減小，曲線變得平坦。

3.2 不同缺陷高度擋墻表面溫度變化規(guī)律

具有相同深度、不同高度的矩形缺陷，同樣采用重慶7月9日晴天的輻射和氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到不同缺陷大小的缺陷區(qū)表面溫度和非缺陷表面溫度，兩者之差得到缺陷對(duì)應(yīng)表面和非缺陷表面的溫差，如圖8所示。

圖8 擋墻表面溫差隨時(shí)間的變化關(guān)系

可以看出，從8點(diǎn)到10點(diǎn)左右，缺陷表面的溫度比非缺陷表面的溫度要低，這是由于初始條件是由穩(wěn)態(tài)分析得到的，且開始時(shí)刻的擋墻內(nèi)表面溫度高于外表面溫度，經(jīng)過穩(wěn)態(tài)分析之后，由于缺陷部位的熱阻較大，導(dǎo)致缺陷表面的溫度較低。當(dāng)太陽輻射不斷增加時(shí)，缺陷部位與非缺陷部位的溫差不斷加大，在18點(diǎn)達(dá)到最大值。

3.3 不同缺陷厚度對(duì)擋墻表面溫度的影響

針對(duì)缺陷厚度對(duì)擋墻表面溫度的影響，選擇缺陷高度為10cm、深度為2cm，缺陷厚度從1cm增加到10cm，建立不同缺陷厚度的模型進(jìn)行有限元分析，得到不同缺陷大小的缺陷區(qū)表面溫度和非缺陷表面溫度，兩者之差得到缺陷對(duì)應(yīng)表面和非缺陷表面的溫差，如圖9所示。從圖9可以看出，當(dāng)缺陷厚度較小（≤6cm）時(shí)，缺陷厚度對(duì)擋墻表面的最大溫差影響較大，但隨著缺陷厚度的增加，擋墻表面的最大溫差趨于一致。

圖9 不同缺陷厚度下?lián)鯄Ρ砻鏈夭?/p>

4 結(jié)語

本文通過建立固定朝向、日期的情況下的擋墻模型，采用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元數(shù)值分析，得到了不同缺陷設(shè)置情況下表面溫度變化規(guī)律。

（1）對(duì)于不同缺陷深度下的混凝土擋墻，當(dāng)缺陷深度較小時(shí)，缺陷部位對(duì)應(yīng)的表面溫度急劇升高，但對(duì)非缺陷區(qū)的溫度影響較小，隨著深度的增加，缺陷部位表面的溫度減小，曲線變得平坦。缺陷處表面溫差隨著缺陷深度的增加而減小。

（2）對(duì)于不同缺陷高度的混凝土擋墻，開始階段，擋墻內(nèi)、外表面溫度差較小，經(jīng)過穩(wěn)態(tài)分析之后，因缺陷部位的熱阻較大，缺陷表面的溫差也較低。當(dāng)太陽輻射不斷增加時(shí)，缺陷部位與非缺陷部位的溫差不斷加大。

（3）對(duì)于不同缺陷厚度的混凝土擋墻，當(dāng)缺陷厚度較小時(shí)，缺陷厚度對(duì)擋墻表面的最大溫差影響較大，隨著缺陷厚度的增加，影響逐漸減弱。

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