冲击回波法混凝土缺陷检测的数值模拟.pdf

江苏建筑 2 0 1 6年第 1 期 ( 总第 1 7 4期 ) 冲击回波法混凝土缺陷检测的数值漠拟 焦严令 ， 韩晓健 ， 何文俊 ( 南京工业大学土木工程学院， 江苏南京 2 1 1 8 1 6 ； z 中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司， 陕西西安 7 1 2 0 0 0 ) 摘 要 运用A B A Q U S有限元软件对带有不同尺寸孔洞的混凝土模型的瞬态冲击过程进行瞬态响应模拟，得到各尺寸 孔洞下模型表面的冲击响应 时程 曲线 计算混凝土模型的波速， 通过 F I T 变换 ， 分析孔洞的横向尺寸及其与深度 比值对模型 厚度及其孔洞深度检测精度 的影 响。最后 ， 文章给 出了最 小可检孔洞应满足 的条件 ， 以及孔洞对构件厚度检测的影 响程度 。 【 关键词 仿真分析； 冲击回波法； 混凝土结构； 缺陷模拟 【 中图分类号】 T U 3 7 5 【 文献标识码】 A 【 文章 - 1 1 0 0 5 6 2 7 0 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 4 4 - 0 3 Nu me r i c a l S i mu l a t i n g o f I mp a c t - Ec h o M e t h o d o n t h e De f e c t s o f Co n c r e t e S t r u c t u r e J I A O Y a n l i n g H A N X i a o - j i a n H E We n - j u n ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， N a n j i n g T E C H U n i v e r s i t y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 1 8 1 6 C h i n a ； 2 C h a n g q i n g D o w n h o l e T e c h n o l o g y S e r v i c e C o mp a n y o f CNP C C h u a n q i n g Dri l l i n g E n g i n e e rin g Co ， L t d ， Xi a n S h a a n x i 7 1 2 0 0 0 C h i n a ) A b s t r a c t ： F i n i t e e l e m e n t s o f t w a r e A B A Q U S i s u s e d t o s i m u l a t e t h e t r a n s i e n t r e s p o n s e o f t h e c o n c r e t e s t r u c t u r e mo d e l wi t h d i f f e r e n t s i z e h o l e s t r a n s i e n t p r o c e s s o f i mp a c t I mp u l s e r e s p o n s e t i me h i s t o r y c u r v e s a r e o b t a i n e d i n t h e s u r f a c e o f t h e c o n c r e t e s t r u c t u r e mo d e l w i t h d i f f e r e n t s i z e h o l e s T h e n ， t h e P - v e l o c i t y c a n b e c a l c u l a t e d B y t h e F f T r t r a n s f o r ma t i o n a n a l y z i n g t h e d e t e c t i o n p r e c i s i o n i n t h e t h i c k n e s s o f t h e mo d e l a n d t h e d e p t h o f h o l e s h a s b e e n i n f l u e n c e d b y t h e l a t e r a l d i me n s i o n o f t h e h o l e s a n d t h e d e p t h r a t i o F i n a l l y ，t h e p a p e r p u t f o r w a r d t h e c o r r e s p o n d i n g c o n d i t i o n o n t h e mi n i mu m d e t e c t a b l e h o l e s a n d t h e e f f e c t o f h o l e s o n t h e d e t e c t i o n p r e c i s i o n o f t h e t h i c k n e s s o f t h e mo d e 1 Ke y wo r d s ：s i mu l i n g a n a l y s i s ； i mp a c t - e c h o me t h o d ； c o n c r e t e s t ruc t u r e ； d e f e c t s i mu l a t i o n 0前 言 随着我 国社会 的高速发展 混凝土材料大量 的应用 于 基 础设施建设 中 由于设计缺 陷和施工质量控制不严 导致 混凝 土结构 在养护 阶段 和正常使 用阶段不可避免 的产生 了 裂缝 、 蜂窝 、 孔洞 、 磨损和侵蚀等各种缺陷 。 这些缺陷严重的 危害了整个结构的可靠性 、 使用性和耐久性 ， 已经成 为全世 界关注的问题 混凝土结构内部缺陷的无损检测方法 目前主要运用超 声法 、 冲击回波法【 1 和探地雷达法 。其 中冲击 回波法是2 0 世 纪8 0 年代发展起来 的无损检测技术 。它是基于弹性波与混 凝土结构边界 和内部缺 陷部位相互作用产生共振 由共振 频率得到混凝 土结构厚 度 、缺陷位置 和表面开 口裂纹深 度 的无 损检测方 法 目前 冲击 回波法 的研究 主要集 中在 以下4 个领 域 ( 1 ) 运用有 限元分析手段 模 拟弹性波在不 同形状和尺 寸的混凝土结构 中的传播 了解应力波在混凝土结构 中的 传播规律和缺陷处 的回波特征 为实验研 究提供理论依 据 比较典 型的案例就是对 陈栅子大桥T 梁梁肋裂缝 的有限元 数值模拟4 1 ( 2 ) 对冲击源的选择及研究 ， 选择小钢球作为冲击源 因 小钢球产生的应力波波形轮廓清晰 便于后期对信号的处理 并且可以通过调整钢球的直径产生不同频率范围的应力波 ( 3 ) 从时域波形的分析到频 域图谱的分析 ， 在频谱 图上 可 以清晰 的分辨 出结构底 部 和内部 缺陷处 产生 的共 振频 率 通过不 同的共振频率可 以得到不 同缺陷的位置 和深 度 为冲击 回波检测仪器的实用化提供理论依据。 ( 4 ) 使用 高灵 敏度 的传感器 。 准确的测定结构层表 面的 垂直振动 。 其 中 运用有限元软件对弹性波在混凝土结构 中的传 播 规律进行模 拟 是 目前研究 冲击 回波法工作原理 的主要 手段 目前 主要运 用A B A O U S tz l 、 L S D Y N A 和MS C MA R C t 【 收稿日 $ 1 1 2 0 1 5 0 9 2 5 作者简介】 焦 严 令 ，( 1 9 8 9 一 ) ， 南 京 工 业 大 学 土 木 工 程 学 院 ， 硕 士 研 究 生 主 要 从 事 无 损 检 测 技 术 应 用 研 究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 6年第 1 期 ( 总第 1 7 4期 ) 4 S 等软件 。而A B A Q U S 是一款功能强大 的有限元分析软件 可 以对各种类型线性 和非线性 问题进行模拟 分析。A B A Q U E x p l i c i t 嗣 是其2 个核心求解 器之一 ， 采用显示 动力学有 限元 格式 ， 非常适合 用于模拟 短暂 、 瞬时的动态事件 。冲击回波 实验 的核心就是锤击实验 ， 是一个 瞬态响应的问题 。因此 J E x p l i c i t 分析步可以很好的模拟这一过程 本 文针对 冲击 回波 法最小 可探 测 缺陷 的问题 开展 研 究 。 设计不 同横 向尺寸和深度 的孔 洞 运用A B A Q U S 有限元 软件模拟 弹性 波在该混凝土构件 中的传播规律 通 过频谱 分析识别混凝 土构件 中的缺 陷位 置 1 冲击回波法基本原理 用小 锤或冲击器 作为激振 源敲击混凝 土构件 表面 产 生应力波 。 该应力波分为压缩波( P 波 ) 、 剪切波 ( S 波 ) 和表面 波 ( R 波 ) 。如图1 所示 。 应力波 在混凝土构 件内和表 面传 播 时 。 当遇 到声阻抗有 明显差异的分界 面 将发生反射 、 绕 射 和折射现象 返回构件表面引起表面振 动 这样应力 波在混 凝土表面 和声阻抗分界 面来 回传播 。置于 冲击点 附近的传 感器接收 到结构表 面的来 回振动 ， 得到时间一位移波形 图 通过 快速傅里叶变换( r r I 9 得到频谱 图 从 频谱 图上 可以得 到结构厚度 和缺 陷的频率信息 鲁 量 基 图 1 冲击 回波测试原理 在激发的应力 波中纵波传播 速度 最快 引起结构表面 的振幅最大 ， 因此 ， 冲击 回波法利用的主要 是纵波 。则频谱 图上的峰值频率与构件厚度或缺陷的关系如下 ： = 式中的D为构件厚度或内部孔 洞深度 ； C 为构件 中纵波 传播的速度； 肭 频谱图中与构件厚度或内部孔洞相对应的 峰值频率 ； 为声 速修 正系数 ， 通常为0 9 6 【 】 主要 考虑 了结构 构件形状尺寸对纵波传播速度的影响 2带 有 孔 洞 混 凝 土 结构 的 冲 击 回 波模 拟 2 1 有限元模型 为 了了解弹性波在不同横向尺寸和深度孔洞 的传播规 律 并结合 实验 室已有 的模 型 。 设计 了强度等级为C 4 0 、 几何 尺寸为 ( 2 0 0 0 x 8 0 0 x ( 4 0 0 、 5 0 0 和6 0 0 ) ) mm 3 的3 个 素混凝土试 件 。 如图2 所示 试件截 面有不 同尺寸的贯穿 正方 形孑 L 洞 孔 洞 的 边 长 从 右 向 左 依 次 为2 0 ram、 4 0 ra m、 6 0 ra m、 8 0 m m和 l O O mm 共5 个孔洞 。 A B A Q U S 模拟采用 动力、 显示分析步。 网格间距为 图 2 带有孔洞的素混凝土构件尺寸示意圈 2 5 c m， 敲击点与接收点的间距为0 1 0 m。对构件孑 L 洞正上方分 别施加l N 的冲击力 该冲击力为离散的半周期正弦函数 根据该混凝土模 型 运用有 限元软件对应力波 在混凝 土构件中的传播进行模 拟 研究应力波在混凝 土结 构中的 传播规律及对不同大小缺陷的响应 应力 波在 混凝 土构件 中的传播如图3 所示 4 8 u s 应力波传播圈 l o 7 u s厦 力 玻 传 播 图 图 3 构 件内部应 力波传播示意 图 图3 分别表示2 0 u s 、 4 8 u s 和1 0 7 u s 时的构件 内部应力波传 播云图 。从图中可知 ： 敲击开始2 0 u s 时 应 力波产生并传播 了一段距离 。 由于纵波的传播速度最快 可 以看到应力波的 波前即为纵波的波前。 敲击开始4 8 u s 后 纵波 已经到达孔洞 处 并 开始被反射 。 敲击开始l O T u s 后 ， 纵波到达混凝土构件 的底面 2 2弹性波波速的数值模拟 由冲击激发的应力波 其波速的确定 主要有直接测量 法和 已知结构层厚度及结构的响应频率反推波速法 其中 直接测量法又分为P _ 波法和R 波法 本A B A Q U S 模拟弹性 波波速 的得到采用P - 波法 即已知2 点 的距离 和应力波到达 这2 点的波形图 ，如 图4 所示为与敲击点相距0 0 5 m、 0 1 O m、 0 1 5 m和0 2 0 m的各点加速度时程 曲线 其具体的P 波到达各 点 的时 间如表 1 所示 则P 波波速等于 ： C p = ( 2) 其 中 为传感 器之间 的距 离 t 为P 波到达 量传感 器 之 间 的时 间差 由表 l 可知纵波 的传播速 度为3 5 7 1 m s 从 图4 中可 以看 出随着传感器 与敲锤之 间距离 的增加 传感器接收 的加速 度信号越来越弱 从而导致传感器探测 的失 准 ： 而随着传感 器 与敲锤 的距离 的越来越小 沿表面传播的纵波和表 面波 在 波形上将无法 区分 敲锤和传感器之间的检测距离合适 才 可以得到准确的纵波波速 试验研究表 明5 0 m m 1 5 0 m m 是较为合适 的距离12 1 3数值模拟结果分析 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 6 江苏建筑 2 0 1 6年第 l 期( 总 1 7 4 n0 0 D 1 时弼 f s 1 图 4 模拟应力波加速度时程 曲线 3 1 典型频谱 网 经过有 限元模拟得 到距离各 个冲击 点0 1 0 m的加 速度 时域波形 图 通过O R I G I N软件将该波形 图进行快 速傅里叶 变换 f F F I ) ， 得到 加速度 波形 的频谱 图 ， 从 频谱 图可 以清晰 的得到孔洞 反射 和构件底部反射所产生 的共振频率 其典 型的频谱 图如图5 所示 从 图5 a 1 中可以看出 当孔洞较 小时 孔洞 反射的 回波不 明显 ， 即在频 谱图上无法识 别 ： 从 图5 b 忡 可以看 出当孑 L 洞 变大时 ， 频谱 闭上会有一个明显的峰值 ， 通过该峰值 就可识 别孔洞的存在或孔洞的埋深 并且 ， 随着孔洞尺寸 的增加 构件厚度频率减小 3 2 模拟结果 记录各测点的孔洞反射频率和底部反射频率 通过纵 波波 速和公式f 1 ) 得到孑 L 洞 的深度和构件 的名义厚度 ， 其结 果 如 表 2 所 示 1 0 r n j 毗 d 唧W L 4 啪a 口 mOt a ) 孔洞尺寸为 0 0 2 m处频潜圈 b )孔洞尺寸为 0 0 9 m处频谱 图 图 5不 同孔洞尺寸典型频谱图 分析表2 的结果可 以看到 ： ( 1 )随着孔洞横 向尺寸 的减 小和实际埋 深D的增加 即随着L I D 的减小 测 点1 到测点6 有 限元模 拟的孔洞反射距 离误 差从2 4 0 U 7 9 9 逐 渐增 大 ： 测点7 到测点9 孑 L 洞 的 反射在频谱 图上不明显 。即随着L I D 的减小 得到的孔洞深 度 的准确性 开始下降 当L D O 2 2 时 孔洞无法 在频谱 图上 被定量识别 ( 2 ) 随着孑 L 洞 横向长度 的减 小 ， 试 件底面反 射频率 减 小 ， 即试件厚度模拟值逐渐增大 当L 0 0 4 m时 试件厚 度模 拟值较 为准确 3 - 3 不同尺寸孔洞下板 厚与孔深 比之 间的关系 根据表2 中构件底部反射频率和孔洞边长与孑 L 洞实际深度 比值的关系 进行曲线拟合得到如图6 所示的二次拟合曲线 得到构件厚度为4 0 0 ra m时 不 同尺寸孑 L 洞下的二次离 合 曲线 f T = 4 4 8 0 + 3 3 K + 1 0 2 9 K z ( 3 ) 式 中： K表示孑 L 深 比 ， 即 ， 取值为【 0 0 5 O 5 8 1 表示 构 表 2 有 限 元 模 拟 结 果 ( 下转第 5 7页 ) ， o ：拿 4 、 暑 谜鞠最 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 6年第 1 期 ( 总第 1 7 4期) ( 压力 ) 的工况下 的轴力 图如 图4 所示 ， 弯矩 图如 图5 所示。 图 4 屋面主 要杆件轴 力图 图 5屋面主要杆 件弯矩图 4 2 屋盖和支承柱的挠度控制 通过调整拉索 中预应力的数值 可 以把屋盖 的挠 度控 制在 比较合理 的范 围内，但是一味地加大支撑柱前 拉索S 1 和S 2 的预应力虽然可 以使屋盖跨 中的挠度减小 但 对于整 个结构的受力却并不合理 。 由于支撑柱 自身 的刚度有限 以 及支撑 柱后的拉索S 3 和S 4 所连接 的后部屋 盖的重量 不大 在S 1 和S 2 的预应力增大的过程中 支撑柱被拉弯 与S 3 和S 4 相连 的后部屋盖 向上翘起 。会造成过大的结构变形 和杆件 的附加应力 。 本工程最后通过调整拉索 内力 把屋盖跨中的 ( 上接第 4 6页 ) 柏 O 啪 挠度控制为7 0 m m， 挠度和跨度之比为1 ， 4 0 6 雨 设计规范 ( G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ) 的要求 。同时屋 盖后部有5 0 m m 向上 的位 移 ， 支 撑柱柱顶 有3 0 m m( 柱顶侧 移与柱高 度的 比 值为 1 6 0 0 ) 的侧移 5结论 ( 1 ) 拉索一 单层筒壳结构建筑造型优美 ， 结构受力合理 用钢i6 0 k g m 2 。 ( 2 ) 屋 盖为单层筒壳 结构 ， 因为是单 层结构 不 同于一 般的双层 的网架上下弦共同受力 虽然是筒壳 由于落脚点 没有支撑 ， 也不 同于一般 的拱式结构受轴向力为主 而有它 自己的受力特点 ( 3 ) 拉索的布置宜均匀 、 对称， 且与屋面的夹角不宜过小。 ( 4 )确定 拉索预应 力以各个拉索 在每 种工况下不松弛 为主 。 同时要兼顾屋面挠度控制要求和杆件的允许内力 ( 5 )施工 阶段要采用特殊的方法使拉索 的张拉控制 应 力达到设 计的要求 参考文献 【 1 】陆赐麟 ， 尹思明 ， 刘锡 良 现代 预应 力钢结构 M 人 民交 通 出版 社 2 0 0 3 【 2 沈世钊 大跨 空间结构的发展 一回顾与展望U 土木工程 学报 ， 1 9 9 8 ， 3 1 ( 3 ) 3 董石 麟 预应 力大跨度 空间钢结构的应用与展望 【 I 】 空间 结构 ， 2 0 0 1 ( 4 ) ： 3 1 4 【 4 】邓华， 董石麟 ， 包红泽 拉索预应 力空间 网格结构 的计算 分析方法 】 浙江 大学学报( 工学版 ) ， 1 9 9 8 ( 5 ) ： 5 5 8 - 5 6 2 图 6 构件厚 度频 率与 孔深 比( L D) 的关系 件 的厚度 频率 。 4结 论 本文运用有限元软件A B A Q u S E x p l i c i t 的显示动力分析， 得 到了由冲击荷载 产生 的应力波在带有不 同横 向尺 寸和不 同深度孔洞的混凝土试件 内部的传播规律与频谱响应特征 ( 1 )通过有 限元仿真得到 了构件不 同时刻 的应 力波传 播 图 ( 2 ) 当孔洞边 长工 与实际埋深D比值 大于0 2 2 时 。 可 以较 为准 确的确定孔洞 的埋深 。当孔洞边长L 0 0 4 m时 可 以较 为准确的确定 构件 的厚度 ( 3 )得到 了带有不 同尺寸孔洞的厚度为4 0 0 mm的混凝 土构件 ， 构件底部反射频率与孔深 比之间的关系。 本文也为应力 波在 混凝 土孔洞检测 的进一步运 用提供 了理论 支撑 参考文献 f 1 】 罗先 中， 王正成 冲击 回波法检 测混凝 土结构 铁道 建 筑 2 0 0 7 ( 0 7 ) ： 1 0 6 1 0 8 【 2 聂文龙 i T E c s 检测混凝土结构 内部缺 陷的研 究【 D 】 北京 交通大学2 0 1 2 【 3 】 祝 火炬 冲 击回波法 混凝 土无损检 测 的数值仿 真【 D】 华 中科技大学 2 0 0 8 4 1邵伟跃 i T E CS 检 测桥 梁混凝土构件裂缝深度 的有限元 模拟 】 _ 公路 ， 2 0 1 4 06 ) ： 2 5 8 2 6 1 5 1刘可， 姚 菲 冲击回波法识别地铁盾 构隧道注浆缺 陷的 有限元模 拟研 究【 】 江苏建筑， 2 0 1 3 ( 0 6 ) ：3 2 - 3 5 【 6 】 庄茁 A B AQUS a 线性有限元分析与实例【 M】 北京： 清华 大学出版社 2 0 0 9 ： 2 1 4 2 2 5 堇 分u l 吾 l J 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m