黃種發(fā)

(健研檢測集團有限公司,福建 廈門 361000)

ANSYS是一款廣泛應用于工程領域的有限元分析軟件平臺,可提供全面的仿真解決方案,核心是有限元分析技術(shù),可模擬分析各種復雜的物理現(xiàn)象及工程問題。ANSYS平臺具有友好的界面及豐富的求解器庫,可進行建模、網(wǎng)格劃分、加載設定及結(jié)果處理,支持多種仿真方法及耦合分析,可用于結(jié)構(gòu)分析、流體力學、電磁場分析、熱分析中。

1 在役橋梁樁無損檢測方法

1.1 低應變反射波法(小應變)

低應變反射波法(小應變)是基于彈性理論和應變條件下的楊氏模量線性關(guān)系(如圖1)。在橋梁樁基無損檢測中[1],需施加一個較小的應變荷載,如使用動力壓實裝置施加振動或沖擊荷載,在樁基中布設合理的傳感器,捕獲反射波信號,這些反射波信號包括橋梁樁基內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息,根據(jù)反射波信號特征[2]對其進行處理分析[3],推斷出橋梁樁基的力學性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征,如分析波形的振幅、頻率及相位等參數(shù),獲取樁基的楊氏模量、剪切模量及泊松比等力學參數(shù)。對這些參數(shù)進行分析評估,判斷樁基的穩(wěn)定性及承載能力是否達到設計要求。低應變反射波法具有操作簡便[4]、響應靈敏、非破壞性等特點,廣泛應用于橋梁樁基的無損檢測中。實際應用中,需綜合考慮多種因素,以提高該方法的精度及可靠性。

圖1 橋梁樁基低應變反射波法Fig.1 Low strain reflection wave method forbridge pile foundation

1.2 超聲波檢測

橋梁樁基超聲波檢測是一種非破壞性檢測方法[5],主要用于評估橋梁樁基的結(jié)構(gòu)及損傷情況,利用超聲波在材料中的傳播及反射特性,測量超聲波的傳播時間及幅值變化,獲得樁基內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息(如圖2)。橋梁樁基超聲波檢測法能夠覆蓋樁基的各個部位,檢測潛在的內(nèi)部缺陷。該方法操作簡便,無需對橋梁進行拆卸,可在橋梁正常使用狀態(tài)下進行,檢測結(jié)果準確可靠,能夠提供詳細的結(jié)構(gòu)評估結(jié)果并定位損傷,為橋梁工程評估、維護及改進提供重要的技術(shù)支持。

圖2 橋梁樁基超聲波檢測法Fig.2 Ultrasonic testing method of bridge pile foundation

1.3 高應變檢測

高應變檢測的基本原理是在樁頂滯后軸向上施加一種沖擊力,使樁體具有一定的貫入度,從而對樁體的顆粒應力、加速度等進行測量,利用波動理論對單樁豎向抗承載力、樁體完整性進行判斷(如圖3)。在樁身設計中采用重錘錘擊樁頂部,使樁與土有一定的相對位移量,達到充分激發(fā)樁周土阻抗、提高其承載能力的目的。

圖3 橋梁樁基高應變檢測Fig.3 High strain detection of bridge pile foundation

從樁的移動方向來看,有向下移動和向上移動。人們習慣于將樁身的受壓(不管是內(nèi)力、應力還是應變)視為正面,將樁身的受拉視為負面,視向下移動為正值(位移、速度或加速度),視向上移動為負值(負值)。由于應力波沿樁身傳播時會發(fā)生非常復雜的透射與反射現(xiàn)象,故必須將不同類型的應力波分為上、下兩類。因為下行波的傳播方向與預定的前進方向相吻合,所以在下行波的影響下,正向的力(壓力)會發(fā)生正的移動,負向的力(牽引力)會發(fā)生負的移動。上行波則截然相反,上行波的壓力波(力的正號)會引起樁身的反向移動,而上行波的拉力(力的負號)會引起樁身的正向移動。當有樁側(cè)摩阻力或樁身斷面急劇變大時,錘擊引起的壓力波會向下傳遞,從而形成一種壓力同波,這種壓力會返回到樁頂,導致樁頂受力增大或減小。在樁身斷面急劇減小或存在負摩擦力的地方,向下的壓力波會在樁身中形成一條拉回波,當拉應力波反沖到樁頂后,會引起樁頂應力的降低或增大,只要掌握了這個基本原理,就能依據(jù)測量得到的壓力波形與流速曲線之間的變化關(guān)系對樁的各種狀態(tài)做出準確判斷。

2 ANSYS在橋梁樁基無損檢測中的應用

2.1 樁基結(jié)構(gòu)模擬與分析

ANSYS可用于建立樁基有限元模型,進行結(jié)構(gòu)分析。通過模擬樁基在不同荷載條件下的響應,評估其結(jié)構(gòu)的受力性能、變形特征及可能存在的缺陷。ANSYS還可進行試驗結(jié)果的后處理及驗證。將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行比對,評估模型的準確性及可靠性。如果模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好,說明模型能夠準確預測材料的破壞行為。如果存在較大差異,則需進一步調(diào)整模型參數(shù)或改進模型以提高預測精度。通過改變材料參數(shù)、試驗條件或結(jié)構(gòu)形式等,評估這些因素對試驗結(jié)果的影響,確定最佳的材料組合、結(jié)構(gòu)形式及加載條件,提高材料及結(jié)構(gòu)性能。

圖4為橋梁平面布局,橋面寬度為 8000 mm,主要結(jié)構(gòu)由梁和板材料(橋面材料厚度為 12 mm)組成。梁截面分為 5 種,其中主拱及副梁的截面為300 mm×650 mm,橋面主梁回的截面為850 mm×300 mm,主拱拉梁及橫梁圖的截面90 mm×50 mm,副拱立柱圖的截面為280 mm×280 mm,橋面橫梁的截面為600 mm×300 mm。橋面材料的彈性模量為8=1.6×10 MPa,泊松比為 0.35,其他梁材料的彈性模量為E=2.06×10 Mpa,泊松比為 0.3。

圖4 橋梁結(jié)構(gòu)(單位:mm)Fig.4 Bridge structure(mm)

分析橋梁在橋面均布荷0.005 MPa吸自重作用下的變形及應力分布特點,如圖5所示。

2.2 樁基振動分析

ANSYS可模擬樁基在受到外界激勵(如交通載荷、地震等)時的振動響應。通過比較實測振動數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果,可判斷樁基的健康狀況。使用ANSYS進行振動分析,可評估橋梁樁基結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應性能,為橋梁設計、評估及維護提供重要的工程支持。ANSYS可模擬橋梁樁基在不同荷載條件下的自由振動及強迫振動響應。通過建立準確的有限元模型,考慮材料的物理特性、邊界條件及加載情況,獲得樁基的模態(tài)頻率、振型及振幅等信息。這對于確定橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率、分析橋梁的振動特性及共振問題非常重要。

ANSYS可模擬樁基在外部激勵下的響應,如交通載荷、地震波等。將實際加載條件引入模型可預測橋梁樁基的動態(tài)響應,包括位移、加速度及應力等。這些分析結(jié)果可用于評估橋梁的結(jié)構(gòu)安全性,確定可能的疲勞損傷及共振問題。通過識別及分析橋梁的主要振動模態(tài),確定可能存在的問題區(qū)域及薄弱部位。響應分析可幫助人們了解樁基在不同頻率下的振動響應,為后續(xù)的設計改進及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

2.3 載荷測試數(shù)據(jù)解釋

ANSYS可用來解釋測試數(shù)據(jù),通過與模擬結(jié)果的對比,確定樁基材料性質(zhì)、剛度狀況及可能存在的缺陷。還可用于解釋實測載荷測試數(shù)據(jù)中的位移、應力及變形等參數(shù),通過建立準確的有限元模型,根據(jù)實際荷載條件進行加載,模擬橋梁樁基在測試期間的響應。將模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比,驗證模型的準確性,確定測試數(shù)據(jù)的可靠性。ANSYS有助于理解及評估載荷測試數(shù)據(jù)中的異?，F(xiàn)象及行為。如果實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果存在較大差異或不符合預期,說明可能存在樁基結(jié)構(gòu)缺陷、損傷或異常情況。通過進一步分析模擬結(jié)果,可推斷樁基的健康狀況,如定位可能的缺陷區(qū)域,評估損傷程度,提出修復或加固建議。

ANSYS可用于反演分析,即利用實測載荷測試數(shù)據(jù)來推導樁基結(jié)構(gòu)的材料特性及剛度狀況。與模擬結(jié)果進行對比,確定樁基材料參數(shù),如彈性模量、剪切模量等,進而評估橋梁樁基結(jié)構(gòu)的整體性能。ANSYS在橋梁樁基載荷測試數(shù)據(jù)解釋方面發(fā)揮著重要作用,可解讀實測數(shù)據(jù),分析橋梁樁基的響應及行為,保障橋梁的結(jié)構(gòu)安全。

2.4 缺陷檢測與評估

ANSYS可結(jié)合樁基實測數(shù)據(jù)進行反演分析,評估樁基結(jié)構(gòu)中存在的缺陷或損傷。通過比較實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果,定位樁基中的缺陷位置、類型及程度,提供修復建議?？赡M橋梁樁基中常見的缺陷類型,如裂縫、腐蝕、局部損傷等,將這些缺陷引入有限元模型,分析樁基的響應,確定缺陷對結(jié)構(gòu)的影響。例如,模擬裂縫在加載下的開啟及擴展過程,評估其對樁基剛度及強度的影響。

ANSYS可以進行缺陷評估,即分析缺陷對樁基應力集中情況及疲勞壽命的影響。通過模擬不同荷載條件下的加載響應,推斷缺陷處的應力集中區(qū)域,評估這些區(qū)域的疲勞壽命,以確定缺陷的危害程度,優(yōu)化維修方案,制定合理的檢測及監(jiān)測策略。將實測數(shù)據(jù)輸入模型,與模擬結(jié)果進行匹配,推斷橋梁樁基中可能存在的缺陷位置及類型,為后續(xù)維修及修復提供參考。

2.5 破壞性試驗預測

ANSYS可模擬橋梁樁基破壞性試驗,預測樁基在不同加載條件下的破壞形態(tài)及承載能力,評估樁基設計的合理性。破壞性試驗是評估材料與結(jié)構(gòu)性能的常用方法之一,ANSYS可通過建立準確的有限元模型模擬試驗過程并預測試樣的破壞行為。通過輸入材料特性及加載條件,如荷載、應變速率等,分析材料在試驗中的力學行為。模擬結(jié)果可提供應力、應變、變形等參數(shù)的分布情況。