(湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 湖南 湘潭 411105)

引言

鋼管混凝土是指在空鋼管中填充混凝土從而組成的一種高強度結(jié)構(gòu)[1]。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)不僅能夠充分發(fā)揮鋼材和混凝土各自的優(yōu)點，而且克服了鋼管結(jié)構(gòu)容易發(fā)生局部屈曲的缺點，所以在高層建筑結(jié)構(gòu)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[2]。近年來，鋼管混凝

土結(jié)構(gòu)被廣泛使用于道路橋梁、城市軌道交通、多層工業(yè)廠房及超高層建筑等許多大型工程領(lǐng)域。鋼管混凝土內(nèi)混凝土的灌注過程中由于操作工藝的復(fù)雜性，可能導(dǎo)致存在的問題有：由于排氣不順暢或其他設(shè)計原因?qū)е略诨炷羶?nèi)部形成的孔洞缺陷；由于混凝土硬化后收縮導(dǎo)致的混凝土與鋼管壁之間的脫空缺陷[3]。鋼管混凝土內(nèi)部缺陷的存在對其結(jié)構(gòu)、性能和穩(wěn)定性影響較大，所以，鋼管混凝土的缺陷檢測對提高鋼管混凝土質(zhì)量十分重要。

一、聲波透射試驗研究

針對聲波在鋼管混凝土中的傳播特點，制作了密實和有缺陷的鋼管混凝土試件。尺寸為空鋼管外徑220mm，內(nèi)徑206mm，鋼管壁厚7mm，鋼管高度800mm。灌注鋼管混凝土?xí)r分別在上半部分預(yù)留中部孔洞和鋼管壁脫空的兩種缺陷。試驗過程中使用超磁檢測和沖擊回波法(不同直徑錘子敲擊)獲得不同缺陷下接收點的時域圖，同時提取采集的數(shù)據(jù)通過Origin軟件得到對應(yīng)的頻域圖，然后經(jīng)過時域圖和頻域圖的對比分析找出異同點[4]。

收集并導(dǎo)出接收點的各組數(shù)據(jù)，提取原始數(shù)據(jù)，使用Origin軟件繪制鋼管混凝土不同缺陷下的時域圖，選取典型波形圖如下：

圖1 聲波時域圖

通過采集的時域圖發(fā)現(xiàn)，密實和有缺陷的鋼管混凝土存在一定的差異。鋼管混凝土試件密實時，時域圖幅值沿水平對稱軸呈對稱分布，波形無畸變，幅值隨時間正常衰減。當(dāng)鋼管混凝土內(nèi)部存在缺陷時，試驗中混凝土中存在孔洞，則在一定的范圍內(nèi)幅值變化比較集中(圖中200～400μs和500～700μs)，波形圖衰減較快，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是孔洞處周圍聲波在此疊加，而較遠(yuǎn)位置則表現(xiàn)正常，這也與實際的情況比較相符。當(dāng)鋼管壁與內(nèi)部混凝土膠結(jié)不良，現(xiàn)場試驗中設(shè)置一定的脫空的時候，從圖中可以看出波形圖畸形比較嚴(yán)重，幅值衰減較慢，有多處位置的幅值與實際情況不符，產(chǎn)生部分缺失。

將聲波儀采集到的由4000個數(shù)據(jù)構(gòu)成的波形圖進行快速傅里葉變換(FFT)，按照時間的順序從下到上依次組成的頻譜波列圖如圖所示。從圖中可以看出正常密實的鋼管混凝土主頻只有一個，約為11000Hz，當(dāng)鋼管混凝土中存在缺陷時，其主頻個數(shù)和大小均有所變化。例如混凝土中存在內(nèi)部孔洞時，其主頻偏大，約為13000Hz，而當(dāng)鋼管壁與混凝土膠結(jié)不良時，頻域圖顯示有兩個主頻，其值分別為6000Hz和12000Hz。

圖2 聲波頻域圖

二、數(shù)值模擬仿真計算

有限元分析方法在工程建設(shè)各領(lǐng)域得到了廣泛地推廣和應(yīng)用，其也由原來地求解線性結(jié)構(gòu)問題發(fā)展到求解非線性，由原來的僅能求解單一場問題快速發(fā)展到多場和多場之間的耦合問題[5]。針對實際大型工程中的單物理場及多物理場的耦合問題，都可以用COMSOL軟件進行數(shù)值模擬分析[6]。

本文的模擬對象為鋼管混凝土，現(xiàn)實中是以空間三維形式存在的，考慮多方面的影響，本章在模擬時候選取了鋼管壁外徑220mm，內(nèi)徑206mm，鋼管壁厚度7mm的同心圓形截面。

圖3 二維模型圖

經(jīng)過計算，在本次模擬中超聲波的信號是直接穿透鋼管混凝土內(nèi)部到達(dá)接收端的，能反映出其內(nèi)部的缺陷，符合超聲波檢測鋼管混凝土內(nèi)部缺陷的前提條件[7]。

圖4 超聲波在不同時刻的傳播云圖

對比密實和不同缺陷下的鋼管混凝土接收點的時域圖，可以發(fā)現(xiàn)接收點位置的不同對聲時的影響遠(yuǎn)小于缺陷對聲時的影響，不同缺陷下接收點時間差異較大。在此次模擬中，聲時分別為：密實90μs、孔洞115μs和脫空135μs，三種狀態(tài)下的聲時依次變長，這也符合實際情況。

在鋼管壁測點間距的選擇上，根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)選擇測點間距為4cm～6cm時，無論是鋼管混凝土密實還是存在缺陷，其波形圖才相對比較平滑，能更好的識別和反映實際的情況。

三、結(jié)語

1.通過聲波透射法和沖擊回波法就聲波在鋼管混凝土中的傳播進行了試驗探究，分析比較了密實和不同缺陷下聲波接收點時域圖和頻域圖的不同，找到相對應(yīng)的一般規(guī)律，在此基礎(chǔ)上可以根據(jù)波形圖直觀地判斷鋼管混凝土內(nèi)部缺陷的種類。

2.通過COMSOL Multiphysics軟件仿真了聲波在密實和不同缺陷下的鋼管混凝土中的傳播情況，結(jié)果表明不同情況下接收點的聲時差異較大，同時同側(cè)法中最佳的測點間距為4cm～6cm。

3.同一接收點的波形圖整體走勢大體相同，但由于缺陷的不同，波形圖局部存在明顯的差異；不同接收點的波形圖由于測點間距的不同，首波聲時的差異顯著。

4.文中主要是對圓柱形鋼管混凝土進行研究的，預(yù)先設(shè)置了缺陷的大小和位置，在聲波的實際傳播過程中也并未考慮邊界的影響。這些理想狀態(tài)簡化了運算，給我們的分析提供了便利，但仍與實際情況有細(xì)微的區(qū)別，今后要力求保持與工程現(xiàn)場情況的吻合。