姚 儉

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著我國(guó)現(xiàn)代科學(xué)信息技術(shù)的不斷發(fā)展和城市交通運(yùn)輸需求的不斷擴(kuò)大增長(zhǎng)，越來(lái)越多的大型公路橋梁(諸如海橋、大跨度橋梁等)已經(jīng)出現(xiàn)在人們生活中，在城市交通運(yùn)輸、軍事和經(jīng)濟(jì)社會(huì)文化生活等各方面等都具有重要的經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義。但是這些鋼梁橋在設(shè)計(jì)建設(shè)和安裝使用的過(guò)程中，因自然環(huán)境中有害物質(zhì)的嚴(yán)重侵蝕、車輛、風(fēng)、地震疲勞、人為因素等的相互作用以及橋梁材料自身使用性能的巨大劣化，橋結(jié)構(gòu)在未超過(guò)大橋設(shè)計(jì)使用年限的情況下出現(xiàn)不同程度的變形、損傷和磨損[1]，嚴(yán)重影響整個(gè)橋梁的正常使用壽命，甚至可能造成橋梁的突然重大破壞和倒塌。

橋梁為工業(yè)生產(chǎn)和日常生活提供了便利，但決不能低估它們的潛在安全隱患。一旦發(fā)生橋梁安全事故，所造成的損失將不可預(yù)測(cè)。隨著大、中、小跨度公路橋梁的相繼建成，人們開(kāi)始更加關(guān)注并十分重視這些大型跨度橋梁的道路安全性、耐久性和正常交通使用中的功能，因此對(duì)于結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)進(jìn)行了更深入的研究。

在結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)中，利用超聲進(jìn)行結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)是當(dāng)今運(yùn)用得比較多的一種方法。該方法的好處是能對(duì)結(jié)構(gòu)中微小的損傷缺陷如裂紋等進(jìn)行有效檢測(cè)，同時(shí)能對(duì)損傷的大小程度以及損傷位置進(jìn)行有效的識(shí)別。也就是說(shuō)，超聲無(wú)損檢測(cè)對(duì)結(jié)構(gòu)中局部損傷的檢測(cè)非常有效。

土木工程專業(yè)中存在著很多運(yùn)用超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的應(yīng)用[2]。例如，當(dāng)待檢測(cè)的結(jié)構(gòu)為管狀結(jié)構(gòu)，運(yùn)用導(dǎo)波作為載體進(jìn)行損傷檢測(cè)則為一種非常實(shí)用且有效的檢測(cè)方法[3]；當(dāng)待檢測(cè)的結(jié)構(gòu)為混凝土構(gòu)件時(shí)，超聲體波也是一種有效的方法[4]。對(duì)于上述所提到的導(dǎo)波檢測(cè)和體波檢測(cè)，實(shí)際上均屬于超聲無(wú)損檢測(cè)的方法，不同之處為：導(dǎo)波檢測(cè)是從結(jié)構(gòu)的邊界條件或表面?zhèn)鞑サ囊?guī)律，抑或與損傷位置的相互作用所表征出來(lái)的特征來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別；體波檢測(cè)則為平時(shí)所經(jīng)常提及的超聲檢測(cè)，通過(guò)體波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行反射、透射所反映出來(lái)的規(guī)律來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的健康程度。導(dǎo)波傳播有自己的特點(diǎn)，就是會(huì)沿著邊界進(jìn)行傳播，而且不易衰減，因此在土木工程領(lǐng)域里，桿狀結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)經(jīng)常會(huì)用到導(dǎo)波檢測(cè)。

1 無(wú)損檢測(cè)的介紹及意義

一般來(lái)說(shuō)，土木結(jié)構(gòu)的正常設(shè)計(jì)壽命為50～100年，但是惡劣的環(huán)境條件及其他難以預(yù)料的因素，都有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能急劇下降。特別是大跨度的橋梁和高度比較大的構(gòu)筑物，在運(yùn)營(yíng)使用期間，其重要部分的局部損傷會(huì)隨著時(shí)間不斷累積，有可能導(dǎo)致構(gòu)筑物突然倒塌。為了盡可能避免這種情況，在養(yǎng)護(hù)大背景下，做結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)研究的意義也就顯而易見(jiàn)了。

1993年，Rytter[5]對(duì)損傷識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了分類，并將損傷點(diǎn)的識(shí)別分為以下四個(gè)主要層次，流程圖如圖 1所示。

圖1 損傷識(shí)別流程圖

損傷點(diǎn)的識(shí)別大致分為以下四個(gè)基本層次：①確定損傷的是否存在；②如何確定一個(gè)損傷所在位置；③確定損傷的嚴(yán)重性和程度；④結(jié)構(gòu)安全預(yù)測(cè)。識(shí)別方法，概括來(lái)說(shuō)，主要可以分為兩種。一種方法是采用局部直觀檢測(cè)式的方法，要求事先準(zhǔn)確知道機(jī)械損傷的最大概率和位置，目前較為常用的檢測(cè)方法主要有直觀位置判定、超聲波、電磁場(chǎng)及重力漩渦中的電流等。另一種方法是采用整體結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，主要是根據(jù)整體結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)力學(xué)特性的不斷變化程度去準(zhǔn)確反映整體結(jié)構(gòu)的健康性。有效地結(jié)合這兩種識(shí)別方法，就可以對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行高效準(zhǔn)確地評(píng)估。

依據(jù)對(duì)檢測(cè)目標(biāo)結(jié)構(gòu)是否造成損壞，現(xiàn)代的檢測(cè)方法可籠統(tǒng)地分為有損檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)。鑒于有損檢測(cè)往往會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)本身造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞，常規(guī)使用的是無(wú)損檢測(cè)。無(wú)損檢測(cè)主要是在不破壞構(gòu)件的前提下，采用聲波、輻射等物理方法進(jìn)行檢測(cè)的方法。無(wú)損檢測(cè)主要有紅外熱成像法、探地雷達(dá)法、沖擊回波法及超聲波法等。其中，超聲波法[8]現(xiàn)已普遍應(yīng)用于檢測(cè)鋼筋混凝土缺陷。該方法借助超聲換能器將超聲波輻射到結(jié)構(gòu)的表面上，當(dāng)超聲波遇到有損傷的部位時(shí)，則會(huì)在該地方產(chǎn)生反射、折射和繞射[9]，從而改變傳播路徑和聲波信號(hào)的能量。接著根據(jù)接收機(jī)接收到的檢測(cè)信號(hào)的特征，提取其動(dòng)力特征參數(shù)，以此來(lái)判斷結(jié)構(gòu)缺陷的位置和大小。

超聲檢測(cè)在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域也有許多優(yōu)點(diǎn)，如對(duì)缺陷的具體位置能夠準(zhǔn)確識(shí)別、檢測(cè)速度快效率高、成本低無(wú)危害等。近年來(lái)，其得到了許多研究人員的支持，取得了許多進(jìn)步。不過(guò)，超聲波法也無(wú)法完全滿足裂紋損傷檢測(cè)的需要，主要原因?yàn)椋孩僭谝陨系臋z測(cè)方法中，由于很多都只是進(jìn)行了定性研究，在確定損傷的具體位置上并不能得出有效的結(jié)論；②大多數(shù)檢測(cè)方法效率很低，當(dāng)需要進(jìn)行大范圍的檢測(cè)，所需消耗的人力、時(shí)間等就會(huì)大大增加；③當(dāng)某些結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間段之內(nèi)的檢測(cè)，傳感器的質(zhì)量將會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響，所以對(duì)傳感器的耐久性也是一個(gè)考驗(yàn)。

同時(shí)，通過(guò)對(duì)基于超聲技術(shù)的主動(dòng)導(dǎo)波的損傷識(shí)別研究現(xiàn)狀的研究發(fā)現(xiàn)，目前超聲傳導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)主要存在以下問(wèn)題：①波的特性不僅導(dǎo)致信號(hào)傳播形式在構(gòu)件中更為復(fù)雜，而且需要模態(tài)分析；②回波信號(hào)有多個(gè)模態(tài)分量，每個(gè)信號(hào)到達(dá)接收端存在時(shí)間間隔，每個(gè)模態(tài)波形被混疊，從而影響缺陷識(shí)別。

本文就無(wú)損檢測(cè)中的超聲導(dǎo)波損傷識(shí)別進(jìn)行研究，并通過(guò)ABAQUS數(shù)值模擬，確定損傷位置。

2 數(shù)值模擬

為了研究超聲導(dǎo)波對(duì)無(wú)損檢測(cè)的作用，通過(guò)ABAQUS軟件的有限元模擬，設(shè)置不同的工況，從而得到有損傷的鋼桿與健康的鋼桿的加速度響應(yīng)，得到缺陷的存在對(duì)鋼桿中的導(dǎo)波傳播的影響。

ABAQUS有限元仿真模擬的過(guò)程主要分為預(yù)處理、模擬分析計(jì)算和后處理三個(gè)階段[7]。首先在預(yù)處理階段創(chuàng)建一個(gè)相關(guān)問(wèn)題的模型，并定義參數(shù)，包括模型的形狀和材料的性質(zhì)等；接著定義分析類型，確定分析步驟和輸出方式；然后分割網(wǎng)格以確定要分割的單元的類型，長(zhǎng)度和分割方法。最后，需要向模型施加載荷并設(shè)置約束和邊界條件。模擬分析計(jì)算階段是根據(jù)預(yù)處理階段中設(shè)置的分析類型，對(duì)建立的數(shù)值模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。分析結(jié)果以二進(jìn)制文件格式保存，以進(jìn)行后處理。后處理階段主要是顯示從求解計(jì)算中獲得的結(jié)果數(shù)據(jù)(動(dòng)畫，變形圖，XY曲線圖等)，并將其用于后續(xù)分析。

2.1 有限元模型的建立過(guò)程

2.1.1 初步模型的創(chuàng)建并賦值幾何參數(shù)

本文選擇直徑大小為8 mm的健康鋼桿與可能有局部損傷的健康鋼桿進(jìn)行有限元分析。為了大大節(jié)省計(jì)算的時(shí)間，采用長(zhǎng)度分別為1 000 mm和2 000 mm，且缺陷部件位于距離激勵(lì)端1/2處的鋼桿模型。因?yàn)樵跈z測(cè)到感應(yīng)波時(shí)鋼桿處于彈性狀態(tài)，所以本次的數(shù)值模擬中采用了彈性本構(gòu)關(guān)系的類型。

通常采用兩種方法建立含有此種缺陷的鋼桿模型。一種方法是直接建模，即把缺陷直接加入到構(gòu)造鋼件模型的過(guò)程中；另一種方法是在模型中創(chuàng)建一個(gè)完整的鋼桿模型，拆分為網(wǎng)格，刪除單一元素。本文采取第一種方法，即在模型的創(chuàng)建過(guò)程中直接使其存在缺陷，并把缺陷的尺寸和相關(guān)參數(shù)導(dǎo)入其中。

2.1.2 定義分析步

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析法主要是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)物體對(duì)于時(shí)變載荷的反應(yīng)進(jìn)行分析，它特別適用于模擬瞬時(shí)的動(dòng)力學(xué)事件。在該實(shí)驗(yàn)中，為了對(duì)導(dǎo)波激勵(lì)進(jìn)行模擬，選擇桿中導(dǎo)波的位移為對(duì)象。通過(guò)荷載作用，其數(shù)值是一個(gè)隨時(shí)間變化而變化的函數(shù)。因此，本文通過(guò)采用ABAQUS/Explicit中的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)這一實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段，來(lái)分析和設(shè)計(jì)求解導(dǎo)波在鋼桿中的運(yùn)動(dòng)傳播過(guò)程。分析時(shí)長(zhǎng)需要保證接收到的回波信號(hào)是完整的。

2.1.3 單元尺寸和時(shí)間步長(zhǎng)的計(jì)算和確定。

網(wǎng)格的單位大小尺寸及其分析步驟積分的時(shí)間步長(zhǎng)都是重要的參數(shù)，它們決定著進(jìn)行有限元分析時(shí)計(jì)算的準(zhǔn)確性。模型中所需要定義的單元大小越小，網(wǎng)格化后包含在模型中的單元數(shù)量就越多，計(jì)算的結(jié)果也就越準(zhǔn)確，但是計(jì)算所需要的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)地延長(zhǎng)；同樣，當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置得越小，計(jì)算就越精確且耗時(shí)。

在進(jìn)行具體的分析計(jì)算時(shí)，為了確保各種分析工具計(jì)算的精準(zhǔn)性和計(jì)算結(jié)果的實(shí)現(xiàn)，單位大小與分析步長(zhǎng)必須符合一定條件。一般而言，單元的大小應(yīng)該是小于或等于一個(gè)激發(fā)引導(dǎo)波長(zhǎng)的1/20，即在某一個(gè)引導(dǎo)波長(zhǎng)的總體寬度范圍內(nèi)必須確保有至少20個(gè)單元。在小區(qū)的時(shí)間步長(zhǎng)中，激勵(lì)波導(dǎo)速度與小區(qū)尺寸之比應(yīng)該是小于或等于0.8倍，則可以保證1個(gè)小的時(shí)間步長(zhǎng)的波導(dǎo)傳播距離在1小區(qū)長(zhǎng)度范圍內(nèi)。具體表達(dá)式如下：

單元尺寸為：

時(shí)間步長(zhǎng)為：

式中：λ為導(dǎo)波的波長(zhǎng)；f為導(dǎo)波的激勵(lì)頻率；cg為激勵(lì)頻率下導(dǎo)波的群速度。經(jīng)過(guò)計(jì)算并根據(jù)所選取單元的類型，為使精確度達(dá)到要求，將ABAQUS中的時(shí)間步長(zhǎng)為2.5×10-8s。

2.1.4 單元類型的確定與網(wǎng)格形成

本文在使用ABAQUS進(jìn)行建模時(shí)，最常用的單元類型有實(shí)體單元(solid)、外殼單元(shell)、梁(beam)三種。在鋼桿模型建立時(shí)，實(shí)體單元是最常用的類型，這是在沒(méi)有任何誤差、最接近仿真對(duì)象的情況下，能夠得到的最準(zhǔn)確的數(shù)值仿真結(jié)果。ABAQUS軟件中提供了多種實(shí)體單元類型。

近年來(lái)，帶式輸送機(jī)本身的技術(shù)與裝備有了巨大發(fā)展，尤其是長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、高帶速等大型帶式輸送機(jī)已成為發(fā)展的主要方向。國(guó)外大型帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)已達(dá)到很高水平，已有專用的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)軟件，為進(jìn)行大功率長(zhǎng)距離輸送機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了有力支持。國(guó)內(nèi)對(duì)大型輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)進(jìn)行了積極研究探索，取得了不少成果。但不少大型帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)仍把膠帶看成剛性體，按剛性理論來(lái)分析研究，不但制造成本高，而且不能滿足實(shí)際使用的需要。因此加強(qiáng)大型帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)分析和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，是當(dāng)今大型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算的發(fā)展方向。

2.1.5 確定載荷激勵(lì)方式

模型基本完成后，需要設(shè)定負(fù)荷。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用縱向軸對(duì)稱模式的L(0，1)模式的導(dǎo)波，只有了徑向和軸向的位移。因此，可以在鋼桿的一端施加軸向荷載來(lái)模擬實(shí)際過(guò)程中的導(dǎo)波激勵(lì)，然后通過(guò)信號(hào)的傳播過(guò)程所帶來(lái)的模型中參數(shù)比如加速度等的變化來(lái)反映實(shí)際的變化，途徑則為得到回波信號(hào)波形。

2.1.6 設(shè)置邊界條件

為方便分析，在模型中設(shè)定真空的邊界條件。將固定的約束施加在桿的末端處，軸向的平動(dòng)自由度保持，其余兩個(gè)方向的自由度通過(guò)條件進(jìn)行約束。

2.1.7 設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)

鋼桿導(dǎo)波的檢測(cè)采用脈沖回波法，即在桿的同一端進(jìn)行激勵(lì)和接收。進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)時(shí)，激勵(lì)和接收都是同一個(gè)PZT傳感器。此次數(shù)值模擬中，為了使得到的回聲信息相對(duì)準(zhǔn)確，防止激勵(lì)信號(hào)造成的影響，選擇了終點(diǎn)附近的單元，設(shè)置了其過(guò)程輸出，并在作業(yè)結(jié)束后直接讀取該單元的歷程輸出?；芈暿窃谶@個(gè)位置節(jié)點(diǎn)所采集的加速度時(shí)間曲線。

2.2 ABAQUS數(shù)值模擬過(guò)程

根據(jù)以下的物理參數(shù)，建立了鋼桿的模型：直徑為8 mm，彈性模量E=210 GPa，泊松比ν=0.3，質(zhì)量密度ρ=7 860 kg/m3，長(zhǎng)度為1 m和2 m。所建立的模型如圖2所示。

圖2 鋼桿模型示意圖

圖3 1m健康桿波形圖

圖4 1m鋼桿1/2處缺陷波形圖

圖5 2m鋼桿1/2處缺陷波形圖

從圖3可以看出，對(duì)于健康桿，開(kāi)始時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)脈沖，這是因?yàn)樵诮Y(jié)點(diǎn)2處有激勵(lì)脈沖，一段時(shí)間后第二個(gè)脈沖激增，這是因?yàn)椴ǖ竭_(dá)結(jié)點(diǎn)1 處端面并反射回結(jié)點(diǎn)2，之后通過(guò)半無(wú)限桿譜單元傳到無(wú)窮遠(yuǎn)。而圖4和圖5的主要目的是研究不同長(zhǎng)度鋼桿對(duì)導(dǎo)波傳播的影響。

波在損傷桿件中的傳播如圖6所示。

圖6 導(dǎo)波在損傷桿傳播路徑示意圖

L1路徑表示的是：過(guò)了一段時(shí)間，出現(xiàn)了第二個(gè)小的脈沖波，也就是圖中所標(biāo)注的位置2，這與在裂紋處反射結(jié)點(diǎn)2的部分激勵(lì)波有關(guān)。

L2 路徑表示的是：入射波到達(dá)結(jié)點(diǎn) 1 后，波被反射回結(jié)點(diǎn)2處(第三個(gè)脈沖，位置3)。

L3 路徑表示的是：傳播過(guò)程中，一部分波擊中裂紋，再次反射回結(jié)點(diǎn) 1，這部分到達(dá)結(jié)點(diǎn)1并反射回結(jié)點(diǎn)2處(第四個(gè)脈沖，位置4)。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到信號(hào)的總能量被完全消耗掉。

對(duì)于計(jì)算過(guò)程，首先通過(guò)完整的健康鋼桿中第二個(gè)波峰的到達(dá)時(shí)間計(jì)算出導(dǎo)波在鋼桿中傳播的群速度，然后通過(guò)分析在有損傷的鋼桿中的第一個(gè)電壓波峰與第二個(gè)電壓波峰的時(shí)間差推導(dǎo)出損傷的具體位置。具體計(jì)算如下：

(1) 先計(jì)算出鋼桿中應(yīng)力導(dǎo)波傳播的群速度，以健康的1 m鋼桿為例，情況如圖3所示，有：

對(duì)于缺陷在1 m長(zhǎng)的鋼桿的1/2處時(shí)，情況如圖4所示，則有：

對(duì)于缺陷在2 m鋼桿的1/2處時(shí)，情況如圖5所示，則有：

從上面的計(jì)算可以看出，在計(jì)算損傷缺陷距離激勵(lì)信號(hào)處的具體位置的時(shí)候，與模型具體的缺陷位置相比會(huì)有所偏小，這是由于模型的設(shè)定過(guò)程中使用了單元的歷程輸出作為結(jié)果，而該被選定的單元離鋼桿的端部會(huì)存在一定的距離，所以導(dǎo)致所計(jì)算出來(lái)的距離偏小，而且誤差為1%左右，由于四舍五入故沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文首先通過(guò)對(duì)橋梁健康狀況的重要性進(jìn)行介紹，表明了結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)的必要性。各地區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)或多或少存在著安全隱患，當(dāng)務(wù)之急是能夠開(kāi)發(fā)出運(yùn)行高效、應(yīng)用廣泛且不損害橋體結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)技術(shù)。接下來(lái)，對(duì)損傷識(shí)別的發(fā)展現(xiàn)狀作了簡(jiǎn)單介紹，同時(shí)指出其存在的一些問(wèn)題，為本文提出以超聲導(dǎo)波為基礎(chǔ)的損傷識(shí)別技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。然后，基于ABAQUS進(jìn)行仿真模擬，對(duì)產(chǎn)生的波形圖進(jìn)行路徑分析以及簡(jiǎn)單的損傷定位。在實(shí)際運(yùn)用中，結(jié)合該方法可以對(duì)工程結(jié)構(gòu)中的鋼桿損傷位置進(jìn)行初步定位。