何慶華， 顏波， 盧輝

(1.廣州市高速公路有限公司， 廣東 廣州 510288； 2.廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司； 3.廣東建科交通工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司)

1 概述

孔道壓漿是預(yù)制梁板施工的重要工序，壓漿的飽滿度直接關(guān)系到梁板的質(zhì)量和耐久性，沖擊回波法是近年來興起的一種孔道注漿密實(shí)度檢測(cè)方法，徐義標(biāo)、翁文文等通過室內(nèi)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性；褚鋒通過人為設(shè)置波紋管孔道1/4密實(shí)、1/2密實(shí)、3/4密實(shí)、完全密實(shí)的狀態(tài)進(jìn)行了試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了沖擊回波法的有效性；鄒春江等通過預(yù)制試塊試驗(yàn)研究了箱梁中板厚、孔道深度、d/T(孔徑與板厚比)、孔道影響的范圍、 漿強(qiáng)度和飽滿度的因素對(duì)沖擊回波主頻的響應(yīng)規(guī)律；盧江波等采用Ansys/LS-DYNA 軟件完成模型的建立與計(jì)算，對(duì)無漿孔道處厚度頻率的多種因素，如孔厚比(波紋管內(nèi)徑與板厚之比)、波紋管類型、壁厚比(波紋管壁厚與板厚之比) 等進(jìn)行了數(shù)值分析。

上述文獻(xiàn)重點(diǎn)研究了無漿孔道的工況，根據(jù)沖擊回波的檢測(cè)機(jī)理，其發(fā)射波響應(yīng)程度與其反射路徑距離有關(guān)，因此在實(shí)際工作中，發(fā)射端與接收端應(yīng)有合適的位置。該文將在前人的研究基礎(chǔ)之上，通過有限元軟件，為更符合實(shí)際情況重點(diǎn)研究不密實(shí)(半脫空)狀態(tài)的沖擊回波響應(yīng)模型，模擬實(shí)際圓形孔道，評(píng)價(jià)最優(yōu)的回波接收距離，為該技術(shù)的進(jìn)一步深入研究、工程實(shí)踐提供思路。

2 沖擊回波法原理及建模計(jì)算

彈性波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部來回反射得到具有周期性特點(diǎn)的時(shí)間位移曲線，再經(jīng)過快速傅里葉變換(FFT)將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號(hào)，然后進(jìn)行頻譜分析得到占主要部分的頻率以確定混凝土內(nèi)部缺陷位置。

當(dāng)彈性波從混凝土傳播到空氣、水等界面，波阻抗變小，反射波相位發(fā)生改變，彈性波傳播路徑為2T。當(dāng)激振點(diǎn)與傳感器之間距離較近時(shí)，縱波成為反射波的主要成分，則內(nèi)部缺陷位置T為：

(1)

2.1 基本假定

通過Ansys程序中的動(dòng)力模塊LS-DYNA來分析不同預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量下的沖擊回波響應(yīng)，在使用Ansys建立模型的過程中，假定代表每個(gè)單元的近似函數(shù)是連續(xù)的，單元之間的邊界是連續(xù)的；在沖擊荷載作用下，模型始終處于線彈性狀態(tài)，服從胡克定律。

2.2 單元設(shè)置及網(wǎng)格劃分

模擬分析中均采用Solid164單元三維實(shí)體，在模型中有以下基本特點(diǎn)：

(1) 為三維實(shí)體單元，類似矩形含有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，在x、y、z軸上每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有位移、速度及加速度共9個(gè)自由變量。

(2) 對(duì)應(yīng)混凝土的單元屬性改為使用全積分算法(Full Int)，這樣可以有效避免沙漏問題的出現(xiàn)。

2.3 載荷施加及無反射邊界條件

沖擊回波法檢測(cè)中沖擊荷載和沖擊接觸時(shí)間的基本關(guān)系可簡(jiǎn)化為半周期正弦函數(shù)曲線，加載的半正弦曲線沖擊荷載，峰值為100 N，持續(xù)時(shí)長為30 μs，施加的載荷均位于其左側(cè)面上，載荷施加在沖擊面的中心節(jié)點(diǎn)。

2.4 有限元模型設(shè)計(jì)

孔道注漿波紋管管道內(nèi)情況可分為以下3類：全脫空、半脫空和全密實(shí)。鑒于前人研究多為全脫空狀態(tài)，但實(shí)際工程中，半脫空的工況更加普遍，因此該文重點(diǎn)研究半密實(shí)半脫空的孔道狀態(tài)。

建模所使用的材料參數(shù)見表1，計(jì)算模型示意圖如圖1所示，其中虛線為擬定的波紋管管面，灰色部分為鋼絞線。有限元模型的波紋管管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)由3部分組成：鋼絞線、對(duì)應(yīng)孔道壓漿的混凝土以及對(duì)應(yīng)缺陷部分的空洞區(qū)域。動(dòng)力學(xué)基本計(jì)算方程中不考慮重力因素的影響。

表1 模型材料參數(shù)

圖1 計(jì)算模型半脫空狀態(tài)孔道及沖擊點(diǎn)位置示意圖

對(duì)于沖擊回波板厚的影響，文獻(xiàn)[4、5]已經(jīng)進(jìn)行過專題研究，限于篇幅此次模型采用固定板厚，暫不考慮板厚的影響因素。

同種介質(zhì)中彈性波傳遞速度一樣，因此混凝土強(qiáng)度一定時(shí)，混凝土空洞缺陷只改變彈性波的傳遞路徑，不影響波在其他部位的傳遞速度，因此模型用同種混凝土參數(shù)，不影響沖擊回波傳遞規(guī)律的研究。

3 信號(hào)接收點(diǎn)與沖擊點(diǎn)的距離響應(yīng)分析

回波信號(hào)的分析是沖擊回波法無損檢測(cè)的主要難點(diǎn)，也是最為重要的一步，不同的缺陷形式以及測(cè)試條件都可能導(dǎo)致響應(yīng)信號(hào)發(fā)生變化，限于篇幅，該文主要計(jì)算半脫空的距離響應(yīng)。

建立一塊長50 cm、寬25 cm、高25 cm的方形板，內(nèi)有半徑2.5 cm的半圓柱體貫穿空洞，其直線邊與板的長邊平行，圓心位于板的高度方向正中，預(yù)設(shè)到?jīng)_擊面的距離9 cm，即波紋管埋深(保護(hù)層厚度)6.5 cm。

側(cè)面敲擊的敲擊點(diǎn)位于半圓形空洞底邊上方1 cm處，如圖2所示。由式(1)可知，若應(yīng)力波的往返總路程按13 cm計(jì)算，則該模型中缺陷所對(duì)應(yīng)的理論峰值頻率為28 918 Hz。

圖2 半空缺陷模型(保護(hù)層厚度6.5 cm)

由于半圓柱體缺陷的存在，即使是距離沖擊點(diǎn)相同距離的信號(hào)接收點(diǎn)，其所接收到的應(yīng)力波的反射情況也不盡相同，因此對(duì)采樣點(diǎn)的選取分為沿波紋管方向和垂直波紋管方向進(jìn)行探討。

3.1 沿波紋管方向

沿波紋管方向上只需提取一側(cè)的信號(hào)進(jìn)行分析，設(shè)定距離沖擊點(diǎn)分別為1、2、3和4 cm處節(jié)點(diǎn)的時(shí)程曲線，如圖3所示，并進(jìn)行FFT變換，如圖4所示。

圖3 采樣示意圖

圖4 沿波紋管不同測(cè)距的解析頻譜圖

由圖4可知：在沿波紋管方向上，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離沖擊點(diǎn)為1 cm時(shí)，其解析頻譜圖雖然能反映板厚峰值頻率，但缺陷峰值頻率的峰型不夠明顯；當(dāng)距離沖擊點(diǎn)遠(yuǎn)于2 cm時(shí)，板厚峰值頻率和缺陷峰值頻率的峰型都不夠明顯，且缺陷峰值頻率還會(huì)向高頻處偏移。而距離沖擊點(diǎn)為2 cm處節(jié)點(diǎn)的頻譜圖既能反映板厚峰值頻率5 kHz，又能在29 kHz處顯示較為明顯的峰型，綜合響應(yīng)最好。

3.2 垂直波紋管方向

垂直波紋管方向，由于缺陷為半圓柱體空洞，因此沖擊點(diǎn)兩側(cè)的信號(hào)接收點(diǎn)不具有對(duì)稱性，需要分別提取兩側(cè)的信號(hào)進(jìn)行分析，首先提取在沖擊點(diǎn)上方距離沖擊點(diǎn)分別為1、2、3和4 cm處節(jié)點(diǎn)的時(shí)程曲線，如圖5所示，并進(jìn)行FFT變換，如圖6所示。

圖5 采樣示意圖

圖6 垂直波紋管(上方)不同測(cè)距的解析頻譜圖

由圖6可知:在垂直波紋管方向的上方，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離沖擊點(diǎn)為1 cm時(shí)，其頻譜圖雖然能反映板厚峰值頻率，但缺陷峰值頻率的峰型不夠明顯；當(dāng)距離沖擊點(diǎn)遠(yuǎn)于2 cm時(shí)，板厚峰值頻率和缺陷峰值頻率的峰型都不夠明顯，且缺陷峰值頻率還會(huì)向高頻處偏移。而距離沖擊點(diǎn)為2 cm處節(jié)點(diǎn)，其頻譜圖既能反映板厚峰值頻率5 kHz，又能在29 kHz處顯示較為明顯的峰型，綜合響應(yīng)最。

然后提取在沖擊點(diǎn)下方距離沖擊點(diǎn)分別為1、2、3和4 cm處節(jié)點(diǎn)時(shí)程曲線，如圖7所示，并進(jìn)行FFT變換，如圖8所示。

圖7 采樣示意圖

由圖8可知：在垂直波紋管方向的下方，距離沖擊點(diǎn)為1 cm處的節(jié)點(diǎn)的綜合響應(yīng)相對(duì)較好，其頻譜圖能反映板厚峰值頻率，但仍存在缺陷峰值頻率的峰型不夠明顯的問題；當(dāng)距離沖擊點(diǎn)遠(yuǎn)于1 cm時(shí)，缺陷峰值頻率的峰型都不能得到顯示。對(duì)比可知，下方信號(hào)接收點(diǎn)的整體表現(xiàn)不如上方的原因?yàn)樗鼈兙嚯x缺陷區(qū)域更遠(yuǎn)，所接收的反射自缺陷區(qū)域的應(yīng)力波更不如上方集中。

圖8 垂直波紋管(下方)不同測(cè)點(diǎn)的解析頻譜圖

最后，對(duì)比沿波紋管方向距離沖擊點(diǎn)2 cm的節(jié)點(diǎn)和垂直波紋管方向上方中距離沖擊點(diǎn)2 cm的節(jié)點(diǎn)，如圖9所示。

圖9 垂直波紋管和沿波紋管水平方向采樣點(diǎn)的頻譜圖(距沖擊點(diǎn)2 cm)

由圖9可知：兩處節(jié)點(diǎn)在板厚峰值頻率和缺陷峰值頻率的響應(yīng)上并無明顯的優(yōu)劣之分，因此二者都可以作為該類半圓柱體缺陷模型的信號(hào)接收點(diǎn)。

4 結(jié)論

采用Ansys-LS/DYNA建模對(duì)注漿不密實(shí)(半脫空)狀態(tài)梁板孔道的沖擊回波響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)回波法檢測(cè)原理，研究探討了信號(hào)接收點(diǎn)的位置影響因素，當(dāng)側(cè)面敲擊的沖擊點(diǎn)固定為波紋管半脫空缺陷(半圓形)底邊上方1 cm處，響應(yīng)計(jì)算表明：

(1) 接收點(diǎn)沿波紋管方向，測(cè)點(diǎn)與沖擊點(diǎn)距離過近(該文參數(shù)為1 cm)時(shí)，混凝土缺陷峰值頻率的峰型不夠明顯，但測(cè)點(diǎn)與沖擊點(diǎn)距離較遠(yuǎn)(該文參數(shù)為2 cm)時(shí)，板厚峰值頻率和缺陷峰值頻率的峰型都不夠明顯，測(cè)點(diǎn)與沖擊點(diǎn)對(duì)板厚及缺陷頻率分辨峰型具有最優(yōu)位置(該文參數(shù)為2 cm)。

(2) 接收點(diǎn)垂直波紋管方向，在缺陷上方時(shí)，模型結(jié)果類似于沿波紋管方向的結(jié)果。測(cè)點(diǎn)與沖擊點(diǎn)距離過小或過大時(shí)，峰值頻率的峰型都不夠明顯，測(cè)點(diǎn)與沖擊點(diǎn)對(duì)板厚及缺陷頻率分辨峰型具有最優(yōu)位置(該文參數(shù)為2 cm)。

(3) 接收點(diǎn)垂直波紋管方向，在缺陷下方時(shí)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)與距離沖擊點(diǎn)較遠(yuǎn)(該文參數(shù)為1 cm)時(shí)，缺陷峰值頻率的峰型都不能得到顯示。下方信號(hào)接收點(diǎn)的整體表現(xiàn)不如上方的原因是它們距離缺陷區(qū)域更遠(yuǎn)。

(4) 在合適的接收信號(hào)位置，沿波紋管方向或垂直波紋管方向(缺陷區(qū)域側(cè))，兩個(gè)方向均可達(dá)到較好的響應(yīng)效果，受接收點(diǎn)與隱蔽波紋管相對(duì)位置關(guān)系影響不大。

(5) 對(duì)半脫空的注漿孔道缺陷進(jìn)行了響應(yīng)計(jì)算研究，將為進(jìn)一步深入解析沖擊回波法的檢測(cè)機(jī)理、優(yōu)化檢測(cè)方法、儀器設(shè)備改進(jìn)及工程應(yīng)用提供理論支撐。