包龍生,陶天陽,劉 杰,于 玲

(沈陽建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋連接中的鋼套灌漿縫是我國預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)常用的接頭方法。注漿的質(zhì)量好壞直接決定裝配結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全。檢測和評價裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的注漿質(zhì)量主要有X射線法、探地雷達法、超聲波法和沖擊回波法[1-5]。沖擊回波法在混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測中應(yīng)用廣泛，而預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)套縫灌漿的壓實研究僅限于較薄的剪力墻等結(jié)構(gòu)[6-7]。大體積結(jié)構(gòu)套筒節(jié)點的檢測特別是裝配式混凝土橋墩，由于橋墩的體積大，厚度大，而進行沖擊回波法檢測時往往只能選取一個端面，套筒內(nèi)灌漿缺陷界面只存在于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，因此回波信號較弱[8-13]。筆者利用基礎(chǔ)理論和實踐方法，控制飽和沖擊回波中注入孔預(yù)應(yīng)力，研究傳播節(jié)點回波特征的預(yù)制混凝土樁，提出提高套筒灌漿飽滿度檢測精度的方法。

1 沖擊回波法原理

沖擊回波法應(yīng)用過程:①在混凝土表面產(chǎn)生彈性力波，筆者采用鋼球撞擊混凝土表面，使彈性力波傳播到內(nèi)部缺陷或結(jié)構(gòu)達到極限時，混凝土內(nèi)部的彈性波反射回來，在混凝土表面撞擊點附近引起質(zhì)點的振動[14-18]。②用位移傳感器記錄質(zhì)點振動時間曲線。③在對記錄的信號進行分析時采用時域或頻域分析法，確定混凝土結(jié)構(gòu)的完整性和缺陷的位置[19-22]。

根據(jù)沖擊回波理論，彈性波的理論傳播速度Vp為

式中：E為材料的彈性模量，GPa；μ為泊松比；ρ為密度，kg/m3。

彈性波在板內(nèi)一個來回的傳播時間Δt為

沖擊回波的厚度頻率f為周期Δt的倒數(shù)，代入式(2)，即得到?jīng)_擊回波的板厚頻率：

式中：f為板底反射的優(yōu)良振動所對應(yīng)的頻率(也稱板厚頻率)，Hz；Vp,plate為P縱波在混凝土中的傳播速度m/s，也稱P縱波速度，m/s；T為板的厚度，m。

當位置低于一個缺陷結(jié)構(gòu)的影響時，如不完全灌漿，進入混凝土的彈性波，反映缺陷的一部分和衍射混凝土的一部分，可以通過分析缺陷頻率和厚度來評估[13-24]。

2 有限元模擬

2.1 設(shè)計模型參數(shù)

筆者采用有限元ABAQUS建立模型，分析發(fā)現(xiàn)沖擊回波使得混凝土表面產(chǎn)生一個彈性力波，其彈性波的能量很小，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)也很小。由于彈性波的實際頻率較低，且波會增長，材料的性能如表1所示。

表1 材料性能Table 1 Material performance parameters

圖1為混凝土橋墩的1/2三維實體單元模擬計算模型，混凝土橋墩模型長寬高(a×b×c)為2 000 mm×2 000 mm×1 000 mm，套筒內(nèi)徑D為90 mm，長為800 mm，圖中的Ⅰ代表模型的側(cè)邊，Ⅱ則代表對邊。

圖1 1/2計算模擬圖像Fig.1 1/2 Schematic diagram of calculation model

沖擊荷載的沖擊作用持續(xù)時間可表示為

式中：tc為接觸時間，μs；D為鋼球直徑，m；h為鋼球落距，m。

模擬測試采用的是17 mm直徑的鋼球。式(4)沖擊作用持續(xù)時間tc為75 μs,集中力最大值為100 N。對頂面中心8個單元施加半正弦沖擊載荷，載荷施加點與響應(yīng)接收點之間的距離選為5 cm。

2.2 ABAQUS模擬沖擊響應(yīng)測試方法

為研究沖擊法檢測預(yù)制混凝土橋梁套管灌漿缺陷的可行性和準確性，筆者設(shè)計10個不同縱向孔隙長度參數(shù)的預(yù)制混凝土橋梁模型(見表2)。對各套灌漿缺陷的長度采用ABAQUS模型模擬，得出混凝土橋墩套灌漿缺陷的效果。

表2 10種裝配式混凝土橋墩模型Table 2 Ten models of assembled concrete pier

模型內(nèi)部設(shè)計缺陷類型為縱向全間隙缺陷，位置居中，缺陷長為L，測點均設(shè)置在灌漿全間隙的中點，套筒縱向灌漿缺陷如圖2所示。H測量線上從上到下的9個測量點為H-1、H-2、…、H-9(見圖3)。

圖2 套筒縱向灌漿缺陷示意圖Fig.2 Schematic diagram of longitudinal sleeve grouting defect

圖3 H各測點布置示意圖Fig.3 H layout of each measuring point

由于混凝土是不均勻介質(zhì)，同一混凝土板在不同位置的波長不同。因此為了測量更準確的波速，在通道之間設(shè)置專門的測點進行波速測試。筆者對H型模型進行點分析，測點在腹股溝完全間隙中心，測點間距為50 mm。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 裝配式橋墩沖擊回波響應(yīng)有限元模擬可行性

3.1.1 裝配式混凝土橋墩無缺陷特征

采用ABAQUS Explicit顯示動態(tài)分析法對灌漿模型A進行動力學(xué)分析。圖4為模型A的應(yīng)力云圖。在278 μs時，由此出現(xiàn)的彈力波會沿著一定的方向穿過模型的外壁，直至492 μs，其傳播方向改變向下傳至底端，直至731 μs，波形已傳至最下端而導(dǎo)致波的返回。由式(1)可知，該種波在混凝土橋墩中的傳播速度是3 842 m/s，通過對模型規(guī)格數(shù)據(jù)的測量，其方向轉(zhuǎn)為傳向底部前需要傳播的距離是2 000 mm，由式(2)計算得出平臺模型底部彈性波傳播的時間為5.205 6×10-4s，與492μs板塊底部傳播時間的模擬值非常接近。

圖4 A模型彈性波不同時刻傳播應(yīng)力云圖Fig.4 Model A stress image of elastic wave propagation at different times

圖5為模型A的信號圖。圖5(a)為模型信號實時狀態(tài)，可以得到時域信號。圖5(b)將時域信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號，誤差最小頻率為f=0.975 6 kHz。實際頻率通過計算為f=0.922 1 kHz，接近模擬值f=0.975 6 kHz。因此，ABAQUS模擬的沖擊響應(yīng)可檢測試驗厚度為2.0 m的無故障預(yù)制墩節(jié)點，模擬值與計算值的誤差為5.8%，且誤差小，易于操作。

圖5 A模型信號圖Fig.5 A Model signal diagram

3.1.2 有缺陷的裝配式混凝土橋墩沖擊響

對未灌漿模型J進行ABAQUS Explicit顯示動態(tài)分析。圖6為彈力波的動態(tài)傳播情況。該波由發(fā)射點傳至混凝土橋墩的缺陷位置需要24 μs，當53 μs時，波通過問題點向其他方向傳播，由此時傳至結(jié)構(gòu)底端需要33 μs；該彈性波的能量只能足夠其傳播172 μs，通過動態(tài)圖中反映出此時的波并沒有傳至結(jié)構(gòu)的底端。該種波在C40混凝土橋墩中的傳播速度是3 842 m/s，通過對模型規(guī)格數(shù)據(jù)的測量，混凝土橋梁模型在沖擊點處的缺陷厚度為100 mm。由式(2)計算缺陷彈性波傳播的時間t=0.1/3 842=2.603×10-5s，很接近模擬值24 μs。

圖6 J模型彈性波不同時刻傳播應(yīng)力云圖Fig.6 Stress image of elastic wave propagation in J model at different time

圖7為J模型信號圖。圖7(a)是利用ABAQUS Explicit顯示動態(tài)分析得到時域信號。圖7(b)是圖7(a)中利用原點傅里葉變換將時域信號變換為頻域信號。

圖7 J模型信號圖Fig.7 J model signal graph

通過觀察頻率進行觀測，在通過底端后的波的頻率可達到最大值6.585 4 kHz。通過式(3)計算板厚頻率f=0.922 1 kH遠高于鋼板厚度。根據(jù)沖擊回波原理，波的反射情況和結(jié)構(gòu)的深度有關(guān)，而模型結(jié)構(gòu)中其厚度較深，因此反射后僅有30%多，在模型底端出現(xiàn)的波均在其底端，尚未實現(xiàn)反射，頻率向高頻的厚度方向偏移。深度反射可按(3)式計算：T=0.96×3 842/(2×6 585.4)=0.28 m，結(jié)果與圖7(b)中彈性波傳播結(jié)果一致。第2頻率f=19.756 1 kHz，為缺陷的反射頻率，根據(jù)式(3)缺陷密度頻率的計算值f=0.96×3 842/(2×1)，與19.751 kHz的模擬值相比，相差不大，誤差為7.13%。

因此，利用ABAQUS模擬的沖擊響應(yīng)可以檢測出2.0 m厚的復(fù)組合墩和套筒灌漿的缺陷，ABAQUS模擬的厚度頻率基本與計算值一致，可以滿足無損檢測的需要。

3.2 套筒灌漿缺陷程度沖擊回波響應(yīng)有限元模擬

分別測驗10 種模型，并記錄相應(yīng)的結(jié)果，對其缺陷處的頻率和模型底部厚度的頻率進行記錄，表3為不同缺陷厚度頻率仿真結(jié)果。

表3 不同缺陷程度板底處厚度頻率仿真結(jié)果Table 3 Simulation results of thickness frequency at the bottom of the board with different degree of defects

從表3分析可知，在模型B的頻域信號中，缺陷處頻率相差無幾；在對模型C進行測驗后的頻率值和理論的頻率值誤差較大，而模型D到模型J的頻率模擬值基本與缺陷處厚度頻率一致，誤差為1.84%～8.74%。根據(jù)實際模型中缺陷點處的頻率和理論計算中應(yīng)當?shù)念l率進行分析，發(fā)現(xiàn)運用沖擊回波對其進行檢測時，當可識別縱向缺陷程度達10%及其以上，則可以檢測為全空缺陷，其建立的模型中，模型C的誤差較大，不在結(jié)果分析內(nèi)，當其問題為5%時，則該方法沒有效果。

因為混凝土橋墩的缺陷的地方相較于整個橋墩范圍較小，通常不超過1/3，所以當波傳至該處時通常會發(fā)生反射而不是衍射。而當波經(jīng)過缺陷處向底端傳播時，發(fā)生的衍射的波的頻率相對較高。

3.3 各測點沖擊回波響應(yīng)有限元模擬

H模型是對各測點回波響應(yīng)的有限元模擬。H模型針對0～240 mm、240～760 mm和760～1 000 mm的每個測點進行設(shè)計。表4為H模型中測量板底處厚度頻率仿真結(jié)果。

表4 H模型中測量板底處厚度頻率仿真結(jié)果Table 4 Simulation value of the thickness frequency at the bottom of the measured plate in the H model

由表4分析可知，H-1、H-2、H-8、H-9測點的誤差率無法測量，H-3、H-4、H-5、H-6、H-7的模擬誤差率值與計算值接近，誤差在1.84%～5.81%。H-8和H-9位于缺陷位置的末端，靠近灌漿缺陷和非缺陷位置的交界處，沖擊法的檢測結(jié)果受缺陷末端的強烈影響，0～100 mm的缺陷末端不能檢測到缺陷。因此，沖擊回波法定量檢測套管內(nèi)注漿缺陷長度存在一定誤差。

4 結(jié) 論

(1)厚度頻率用于準確識別縱向缺陷長度大于20%套筒長度的全空缺陷，對于縱向缺陷長度為10%套筒長度的全空缺陷，誤差較大，全空氣缺陷長度為套筒長度的5%。

(2)厚度頻率在缺陷末端0～100 mm內(nèi)無法識別缺陷，但可以準確識別缺陷中間范圍。

(3)通過有限元軟件ABAQUS/Explicit模擬沖擊回波法檢測裝配式混凝土橋墩內(nèi)部缺陷的方法精確可靠，能夠滿足理論分析計算精度及工程實際誤差需要。