周宇軒 高崇亮 程 超 王 波 曹亞軍 高勇勇

中建深圳裝飾有限公司 廣東 深圳 518023

隨著建筑領(lǐng)域的高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)建筑幕墻行業(yè)從20世紀(jì)80年代發(fā)展至今，已經(jīng)超過(guò)30 a。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為25 a，最早一批的建筑幕墻服役已經(jīng)超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限[1]。另外，早期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)不完全滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，施工工藝落后，矩形鋼管等支撐材料防銹處理不到位，導(dǎo)致發(fā)生銹蝕，結(jié)構(gòu)性退化嚴(yán)重影響幕墻結(jié)構(gòu)的安全[2]。

矩形鋼管與其他斷面形式的鋼管相比，在同等抗彎強(qiáng)度[3]、抗扭強(qiáng)度[4]時(shí)，具有質(zhì)量較輕的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械等土木工程中。

作為幕墻結(jié)構(gòu)主要受力材料之一，矩形鋼管主要是起承擔(dān)外圍面板連接土建主體的作用，為確保幕墻主體結(jié)構(gòu)的安全，對(duì)矩形鋼管進(jìn)行定期結(jié)構(gòu)檢測(cè)是十分必要的。常規(guī)的檢測(cè)方式有超聲檢測(cè)技術(shù)[5]、內(nèi)窺鏡檢測(cè)技術(shù)[6]和電阻法檢測(cè)技術(shù)[7]手段，其中超聲檢測(cè)技術(shù)具有靈敏度高、操作方便和長(zhǎng)距離檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，且幕墻龍骨架可以隱藏在面板后。

本文采用超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法對(duì)矩形管進(jìn)行檢測(cè)分析。首先，利用有限元仿真分析矩形鋼管導(dǎo)波傳播特性和頻散曲線；然后，通過(guò)試驗(yàn)分析，比對(duì)不同模態(tài)的導(dǎo)波，在矩形鋼管的傳播特點(diǎn)以及損傷對(duì)傳播的影響，并確定PZT壓電片的位置。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用A0模態(tài)的導(dǎo)波更適用于矩形管中面損傷的檢測(cè)。

1 超聲導(dǎo)波的基本原理

1.1導(dǎo)波的特性

頻散是超聲導(dǎo)波的固有特性，主要表現(xiàn)為相速度和群速度的不一致性。在單一頻率下，導(dǎo)波的傳播速度稱為導(dǎo)波的相速度，而群速度即波群傳播能量的速度。其分別如式（1）、式（2）、式（3）所示：

1.2檢測(cè)原理

探頭發(fā)出一束超聲能量脈沖在管道中傳播時(shí)，導(dǎo)波傳輸過(guò)程中遇到缺陷會(huì)發(fā)生反射、透射和模態(tài)轉(zhuǎn)換，缺陷在徑向截面上有一定的面積，產(chǎn)生攜帶結(jié)構(gòu)缺陷信息的反射波，對(duì)接收的信號(hào)待定指標(biāo)進(jìn)行分析，即可判斷缺陷大小及位置。缺陷檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 管道的長(zhǎng)距離超聲導(dǎo)波檢測(cè)原理示意

2 矩形管仿真

2.1矩形管結(jié)構(gòu)有限元仿真建模

本文采用Ansys商業(yè)軟件進(jìn)行建模，設(shè)置矩形管尺寸為60 mm×80 mm×1 000 mm，壁厚為4 mm；邊界條件采用一端固定，一端自由的形式，模型劃分單元采用Solid185單元。矩形管的4個(gè)角采用的是1/4的圓環(huán)，內(nèi)徑為2 mm，外徑為4 mm。矩形管材料的密度為7 850 kg/m3，彈性模量為205 GPa，泊松比為0.28。同時(shí)，建立尺寸為6 mm×6 mm× 2 mm的模擬壓電片，激勵(lì)信號(hào)采用中心頻率為120 kHz，經(jīng)漢寧窗調(diào)制的5周期信號(hào)，表達(dá)式如式（5）所示：

縱波L（0，2）在頻率為120 kHz時(shí)可看作非頻散。同時(shí)，若取連續(xù)信號(hào)作為激勵(lì)，由于其在管道中傳播的復(fù)雜性，多次疊加、反射、折射后，會(huì)使接收信號(hào)十分復(fù)雜，不能提供有效的分析。因此，選用漢寧窗調(diào)制的5周期120 kHz正弦信號(hào)激勵(lì)縱向模態(tài)導(dǎo)波，矩形管的頻散曲線如圖2所示。

圖2 矩形管的頻散曲線

2.2導(dǎo)波在矩形管結(jié)構(gòu)中傳播的仿真

如圖3所示，矩形管模型的4個(gè)面分別為S1、S2、S3、S4。在尺寸為60 mm×80 mm×1 000 mm的矩形管模型S1面上，分別在端部（自由端）、距自由端0.25、0.50、0.75m和固定端處布置壓電片，依次對(duì)應(yīng)圖4中的0、1、2、3、4號(hào)壓電片。其中端部（自由端）的壓電片作為激勵(lì)壓電片，其余作為接收壓電片。

圖3 矩形管各面標(biāo)記示意

圖4 0—4號(hào)壓電片布置示意

對(duì)激勵(lì)壓電片施加電壓信號(hào)，模擬對(duì)PZT晶片的激勵(lì)，并在不同位置處壓電片接收到的信號(hào)（圖5）。

如圖5（a）所示，在距自由端0.25 m處信號(hào)中，可發(fā)現(xiàn)2個(gè)模態(tài)波包。經(jīng)計(jì)算，第1個(gè)波包的傳播速度為4 630 m/s，第2個(gè)波包的傳播速度為3 027m/s。

如圖5（b）所示，在距自由端0.50 m處信號(hào)中，第1個(gè)模態(tài)波包幅值較低，傳播速度為5 208 m/s；第2個(gè)波包的傳播速度經(jīng)計(jì)算為3 019 m/s。

如圖5（c）所示，在距自由端0.75 m處信號(hào)中，第1個(gè)模態(tài)波包幅值較低，傳播速度為4 808 m/s，而第2個(gè)模態(tài)波包則是與其他模態(tài)的波包產(chǎn)生信號(hào)重疊，不能區(qū)分。在固定端壓電片接收的信號(hào)如圖5（d）所示，發(fā)現(xiàn)不同模態(tài)波包之間的重疊，難以對(duì)每個(gè)波包進(jìn)行識(shí)別。

圖5 不同位置處接收壓電片的接收信號(hào)

從不同位置的壓電片接收到的信號(hào)中，可以發(fā)現(xiàn)透射的模態(tài)導(dǎo)波和由于邊界反射的模態(tài)導(dǎo)波均存在不同程度的重疊。由于復(fù)雜的邊界反射使得接收信號(hào)變得復(fù)雜，難以從中有效識(shí)別不同模態(tài)的波包。

2.3矩形管結(jié)構(gòu)中面損傷的模擬

在原有模型的矩形管S1面中線上設(shè)置損傷，損傷為長(zhǎng)10 mm、寬2 mm、深4 mm的損傷通孔，該損傷距自由端0.40 m。矩形管4個(gè)面中間距自由端10 mm處各布置1個(gè)壓電片（接收壓電片），壓電片布置如圖6所示，面損傷如圖7所示。

圖6 壓電片布置示意

圖7 面損傷示意

此外，共設(shè)計(jì)4種激勵(lì)方式，接收方式不變，具體方案如下。

1）A方案：在S1面的自由端中間處布置激勵(lì)壓電片；

2）B方案：在S2面的自由端中間處布置激勵(lì)壓電片；

3）C方案：在S1面的自由端中間處內(nèi)外兩側(cè)中間布置激勵(lì)壓電片，激勵(lì)反向信號(hào)；

4）D方案：在S2面的自由端中間處內(nèi)外兩側(cè)中間布置激勵(lì)壓電片，激勵(lì)反向信號(hào)。

首先，分別采用A、B方案，在激勵(lì)壓電片上施加電壓信號(hào)，4個(gè)接收壓電片接收到的信號(hào)分別如圖8（a）、圖8（b）所示。

圖8 A、B方案中各壓電片接收的信號(hào)

根據(jù)矩形管的對(duì)稱性，分別對(duì)S1a和S2b、S1b和S2a、S3a和S3b、S4a和S4b進(jìn)行做差處理，得到的差信號(hào)如圖9所示。

圖9 A、B方案所得的差信號(hào)圖

從差信號(hào)中可以看出，只有S1a和S2b的差信號(hào)能夠明顯識(shí)別出缺陷反射的波包。其中第一個(gè)波包幅值較低，難以識(shí)別。將該差信號(hào)進(jìn)行放大如圖10所示。經(jīng)計(jì)算，第1個(gè)波包的傳播速度為4 324 m/s，第2個(gè)波包的傳播速度為3 046 m/s。

圖10 放大后的S1a和S2b差信號(hào)

接著，采用C、D方案對(duì)帶有損傷的矩形管進(jìn)行研究。C、D方案均激勵(lì)反對(duì)稱的信號(hào)如圖11（a）、(b)所示，其接收信號(hào)S1c、S2d的差信號(hào)如圖11（c）所示。

圖11 S1c、S2接收的信號(hào)以及差信號(hào)

從差信號(hào)中可以看出，S1c和S2d的差信號(hào)能夠明顯識(shí)別出缺陷反射的波包。經(jīng)計(jì)算，第1個(gè)波包的傳播速度為3 014m/s。信號(hào)結(jié)果得出，在反對(duì)稱激勵(lì)情況下得到的缺陷波包傳播速度與單發(fā)單收條件下接收信號(hào)的第2個(gè)模態(tài)波包的傳播速度相近，從而也驗(yàn)證了后者即為板中A0模態(tài)的波包。

通過(guò)對(duì)損傷對(duì)矩形管導(dǎo)波的影響的數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)S0模態(tài)的缺陷波包的幅值始終小于A0模態(tài)的缺陷波包，從而說(shuō)明A0模態(tài)的導(dǎo)波更適用于矩形管中面損傷的檢測(cè)。因復(fù)雜邊界條件的影響，在導(dǎo)波在矩形管中傳播產(chǎn)生的多個(gè)波包中，由于不同模態(tài)的波包之間存在速度差，所以在本研究中損傷距離自由端越遠(yuǎn)，通過(guò)該方法檢測(cè)出來(lái)的A0模態(tài)的波包就越容易識(shí)別出來(lái)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試件為長(zhǎng)度1.5 m，截面80 mm×60 mm×4 mm矩形管，端頭放置壓電片，在中間750 mm處有長(zhǎng)50 mm、深5 mm的刻槽缺陷。

先用60、70 kHz作為激勵(lì)信號(hào)檢測(cè)無(wú)缺陷面，檢測(cè)信號(hào)如圖12所示，后分別采用50、55、60、70 kHz作為激勵(lì)信號(hào)，檢測(cè)缺陷面，信號(hào)如圖13所示。

圖12 在無(wú)損面的檢測(cè)信號(hào)

圖13 在刻槽缺陷面的檢測(cè)信號(hào)

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）根據(jù)60 kHz和70 kHz的端部回波峰值計(jì)算出的波包的傳播速度，分別為2 462 m/s和2 486 m/s，這與4 mm鋼板中A0模態(tài)的傳播速度接近。因此，可說(shuō)明單片壓電片激發(fā)的矩形管中A0模態(tài)幅值更為明顯，而S0模態(tài)不容易識(shí)別出來(lái)。

2）嘗試不同頻率激勵(lì)，在低頻激勵(lì)（50～60 kHz）時(shí)，損傷回波幅值明顯，而隨著頻率的增加損傷回波并不明顯。同時(shí)，也根據(jù)損傷波包峰值計(jì)算了損傷的位置，與實(shí)際位置相比，僅差3～4 cm。

4 結(jié)語(yǔ)

1）在采取單發(fā)單收的情況下，傳感器之間的距離在0.50 m范圍內(nèi)能夠識(shí)別出接收信號(hào)前2個(gè)模態(tài)波包，并計(jì)算其傳播速度。而隨著距離的增加，不同模態(tài)波包之間的重疊也越來(lái)越嚴(yán)重。

2）對(duì)矩形管可采用50～70 kHz頻率激勵(lì)作為激勵(lì)源，檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生有效的回波和缺陷信號(hào)，并隨著頻率的增加，缺陷信號(hào)越明顯。

3）本文的結(jié)果為利用超聲導(dǎo)波技術(shù)進(jìn)行矩形管的無(wú)損檢測(cè)提供新的思路。