表面波时间反转混凝土梁裂缝损伤识别数值模拟.pdf

2 0 1 5年 第 1 2期 总 第 3 1 4 期 ) Nu mb e r 1 2 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 1 4 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 1 2 0 0 5 表面波 时间反转混凝土梁裂缝损伤 识别数值 模拟 杨洋 ，张梦 阳 ，肖 黎 ，屈文忠 ( 武汉大学 工程力学系， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 ) 摘要： 传统 的无损检测方法难 以识别出混凝土结构表面较深的裂缝 ， 提出一种基于时间反转理论的表面波混凝土结构裂缝检 测方法 ， 采用有限元方法对压电激励与接收表面波的时间反转过程进行了数值仿真。 根据表面波时间反转原理 ， 计算得到重构 信号 ， 通过激励信号和重构信号的相关系数构造了损伤指数。 仿真结果表明， 混凝土表面裂缝越深 ， 与表面波波长越接近 ， 重构 波形与激励波形差异越大 ， 其损伤指数越高， 说明表面波时间反转过程能够有效地识别出混凝土结构的表面裂缝。 关键词： 表面波；时间反转方法： 损伤指数 ； 数值仿真 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 1 2 0 0 1 7 0 4 S i mu l a t i o n s t u d y o f s u r f a c b r e a k i n g c roc k i n c o n c r e t e b e a m ba s e d o n t i mer e v e r s e d t h e or y o f s u r f a c e wa v e Y A J V G y a n g， Z HANG Me n g y a n g， XI A0 Li ， OU We n z h o n g ( De p a r t r a e n t o f E n g i n e e ri n g Me c h a n i c s ， Wu h a n Un i v e r s i t y， Wu h a n 4 3 0 0 7 2， C h i n a ) Abs t r ac t ： Ex i s t i n g n o nd e s t r u c t i 、 c e t e s t me t h o d s a r e us u a l l y i n e f f e c t i v e i n d e c fio n o f s u rfa c e b r e a k i ng c r a c ks wi th l a r g e d e p ths I t i n t r od u c e d a me t h o d s u i t a b l e f o r d e t e c t i o n o f d e e p c r a c ks b a s e d o n s u rfa c e wa v e ti me r e v e r s a l th e o r y A n u me ric a l s i m u l a ti on b a s e d o n t h e fini t e e l e me n t mo d e 1 i S p e r f o r me d 1 ：o i n v e s t i g a t e s u rfa c e c r a c k s A d a ma ge i n d e x wa s d e fine d b a s e d o n the c o r r e l a tio n c o e ffi c i e n t b e t we e n t h e a c t ua t e d a n d the r e c o n s t r u c t e d wa v e s i g n a l s Th e r e s u l t s o f n u me ric a l s i mu l a t i o n d e mon s Va m t h a t the p r e s e n c e o f c r a c k h a d a s i g n i fi c a n t i n flu e nc e o n t h e p r o p a g a t i o n c ha r a c t e r i s t i c s o f s u rfa c e wa v e s a l o n g t h e c o n c r e t e Da ma g e o f d i f f e r e n t s i z e s wa s i n t r o d u c e d a n d t h e n wa s c o r r e l a t e d wi th the d a ma g e i n d e x En l a r g i n g the c r a c k d e p th r e s u l t e d i n a n i n c r e a s e i n the l e v e l o f di s t o r t i o n i n t h e r e c o ns t r uc t e d wa v e s i g n a l s ， a n d a h i g h e r d a ma g e i n d e x wa s o bt a i n e d Th e r e s u l t s s h o w the e f f e c t i v e n e s s o f t h e s u rfa c e wa ve t i mer e v e r s a l p r o c e s s i n i d e n t i f y i n g c r a c ks i n c o n c r e s t r u c t u r e s Ke y wor ds： s u rfa c e wa v e； t i me r e v e r s a l ； d a ma g e i nd e x； n u me ric a l s i mu l a ti o n 0 引言 混凝 土结构被 广泛应 用于各 种建设工 程 中， 由 于过 载 、 风化等原 因， 混凝土结构 表面形 成开 口裂纹或不 同深 度 的裂缝 ， 对结构造成危 害， 因此有必要对混凝 土结 构 的 表 面裂缝缺陷进行检测 ， 以判断其对结构的损 害程度并及 时进行相应补救措施 。 目前主要应用无损检测方法来检测开 口裂缝深度 ， 如 超声衍射 时差法 、 冲击 回波法 等。 但是 ， 由于混凝 土 结构微观构成 比较复杂 ， 这些方法面 临着诸 多挑战。 例如 不能检测较深 的裂缝 ； 纵 波能穿 过裂缝 中的水或其 他杂 质 ， 与从尖端衍射的纵波相混而无法识别 。 为 了避免上述方法 的缺点 ， 近年来 ， 利用 表面波检测 裂缝作为一种可行的方法 ， 被广泛研究 。 相 比于体波 ， 表面 波的优势在于其 占据超声波中的主要能量 ， 在传播方 向上 衰减慢 。 T s u t s u m i 等 提 出了一种利用表面波检测材料裂 缝深度 的方法 ， 并指 出表面波传播经过裂缝 时 ， 受到一定 程度的阻碍 ， 通 过裂缝后能量 幅值变 小 ； 张在东等一 通 过 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 2 1 8 基 金项 目： 国家 自然科学基 金( 5 1 3 7 8 4 0 2 ) 数值模拟用表面波频谱法对材料表面的开口裂纹进行了 研究 ； A g g e l i s 等 通 过试验方 法研究 了不 同深 度 的裂缝 下表面波 的传播特性。 随着 时问反转方法 的发展 ， 将其应用于表面波成为一 种有效的检测手段 。 时间反转方法 已经在结构健康检测领 域取得显著的成果。 A m i t t 等 提出了利用时问反转方法来 识别材料中的裂纹 ； S o h n等 运用时间反转方法成功对复 合材料板中的损伤进行识别。 近年来， 研究人员开始用时间 反转方法对混凝土结构进行研究 。 S a e n g e r 等 。 应用时问反 转方法通过数值仿真研究了混凝土的超声波特性； Mu s t a p h a 等 研究 了钢筋混凝土结构 波在钢筋 中的时间反 转过程 ， 检测钢筋上的缺陷。 虽然上述对于时 间反转方法研究取得 丰硕的成果 ， 不过鲜有应用时间反转方法对混凝土表面裂缝 进行检测。 本研究基于表面波的时间反转理论 ， 利用有限元 仿真方法对混凝土表面裂缝的检测识别进行数值仿真。 1 表 面波的时 间反 转理论 表面波是一种在结构表面传播的应力波， 在结构厚度 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 k H z ， 仿真中考虑刚度阻尼的影响。 混凝土材料参数如 表 1 所示 ， 压 电传感器材料参数如表 2所示。 表 1 混凝土材料参数 密度 P= 7 7 0 0 k g m F 6 4 5 0 0 介电 矩阵 = J 0 5 6 2 0 J 1 0 C V m L 0 0 ( i 4 5 J 压 电矩阵 e = 0 0 0 0 0 l 2 7 刚度矩阵 c = r 1 3 9 7 4 3 6 7 8 l 0 1 1 5 7 4 3 1 0 0 1 3 9 1 0 0 0 l 0 0 0 L 0 0 0 5 2 l 5 1 5 2 0 0 0 0 0 0 2 5 6 0 0 0 0 0 1 2 7 0 0 0 0 0 0 3 5 6 0 C m O 0 0 0 0 2 5 6 1 0 。Pa 为了有效模拟应力波在大型结构中的传播过程并且 减少边界反射影 响， 将混凝土梁模 型底面和侧面边界设 置 为黏性阻尼边界 。 阻尼边界 由下式确定 ： F n =一 V nm ： ) A ( 1 1 ) F =一 p c 。 ( v 一 v ) A 式 中： p 混凝土表观密度 ； c 纵波传播的速度 ； c 剪切波传播的速度； A 边界上混凝土边界单个阻尼单元 的作用范 围； 、v 分别为边界上 混凝土表 面单元节点 的法 向和切向速度。 在有 A N S Y S限元模 型 中， 边界 阻尼 单元 采 用 MA T R I X 2 7单元 。 2 2 仿真 结果与讨论 选取 3 5周期 H a r m i n g窗调制窄带正弦信号作为激励 信号 ， 电压幅值 为 5 0 V， 中心频 率为 5 0 k H z ， 对完 整梁和 含不 同深度裂缝缺陷梁进行分析 ， 以图 1中步骤进行仿真 计算。 完整梁和不同深度裂缝梁传感器 B接收信号分别 如图 3和图 4所示 。 接 收信号 中包含 了纵 波和表 面波成 分 ， 纵波波速较快但 比较微弱。 图4为裂缝深度分别为 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 mm时传感器 B接收到 的波信 号。 通 过对接 收 信号 幅值进行对 比， 在相同激励下 ， 有裂缝存在 时传感器 B接收到的信号 ， 波形与完整混凝 土相 比， 有不 同程度 的 差异 ， 波形幅值 比完 整混凝 土小 ， 并且 随着裂缝 深度 的增 加 ， 接收到的波幅值减小 ， 表明表面波传播经过裂缝 时 ， 波 传播受到阻碍 ， 有部分能量损失 ， 这与文献 3 中所指出的 3 4 芝 妻 ： 一 - 4 3 3 4 董 妻 ：! 一 - 4 3 4 3 主 o ： 一 - 4 3 表面波 铡 纵波 1 2 3 时 间 1 0 S ( b ) 图3 激励信号与传感器 B在完整梁中接收的信号 3 4 言 垂 ： 一 - 4 3 3 4 主 0 蛩 ： 一 - 4 3 ( b ) l 0 mm裂缝 图 4 不 同裂 缝深 度下传 感器 B接 收信 号 相一致 。 对接收到 的信号进行 时间反转过程计算 ， 得到重构信 号， 将重构信号的主波形与激励信号作对比， 由式( 8 ) 得到 两个信号的相关系数， 并计算损伤指数， 得到重构信号及 其与激励信号对比如图 5和图 6所示。 对于完整梁， 其时 间反转重构信号与初始激励信号相似度为 9 7 2 ， 而当梁 表面分别含有5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 m m深裂缝缺陷时， 重构信号与 激励信号相似度分别 为 9 2 8 、 9 1 3 、 9 0 5 、 8 9 6 ， 损伤 指数分别为0 0 7 2 、 0 0 8 7 、 0 0 9 5 、 0 1 0 4 ， 含表面裂缝缺陷的 混凝土梁表面波时间反转重构信号与激励信号问的相似 度显著下降， 损伤指数逐渐增大， 表明混凝土结构表面裂 缝缺陷的存在 ， 对 表面波 的时 问反转重构造 成了影响 ， 而 且裂缝越深 ， 影 响越明显 。 图 5 完整混凝土梁重构信号与激励信号对比 不同深度裂缝缺陷混凝土结构的表面波时间反转仿 真结果表 明， 在相同激励下 ， 混凝土表面的裂缝深度越大 ， 波传播通过裂缝后幅值越小 ， 时间反转重构信号与激励信 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 号相似系数越小 ， 其 损伤指数越 大。 根据分析 ， 5 0 k H z的 表面波波长约为 4 0 m m， 仿真中的裂缝深度分别约为表面 波波长的 1 8 、 1 2 、 3 8 、 1 2。 裂缝 深度与表 面波 波长越 接 近， 其对表面波传播的阻碍越大 ， 对重构波形影响越 明显 。 当裂缝深度达到半个波长时， 波传播过程中大部分能量被 阻碍， 损伤指数达到 0 1以上。 这一趋势可 以作 为混凝土 结构表面裂缝破坏程度的定量评价 ， 本研究提出的表 面波 时间反转方法可以有效识别混凝土结构表面的裂缝 。 1 O O 5 。 一 0 5 1 0 时间 1 0 。 s ( a ) 5mm 时间 1 0 s ( c 1 l 5mm 时间 1 0 s ( b ) 1 0mm 时 间 1 0 s ( d ) 2 0mm 图 6 不 同裂 缝深 度下重 构信 号与激 励信 号对 比 3 结 论 笔者利用有限元 方法对混凝土结构 中表 面波时 间反 转过程进行 了数值仿真研究 ， 提出了基于表面波时间反转 重构方法识别混凝土结构表面裂缝损伤 ， 并评估裂缝破坏 程度 。 结果表明， 使用表 面波时间反转方法 ， 通过对比重构 信号与激励信号的相似程度并计算其损伤指数 ， 在混凝土 结构 中探测表面裂缝损伤具有可行性 ， 并且该方法能够有 效识别混凝土结构表面较深 的裂缝 。 参 考文 献 ： I 李衍 超声衍射时差法探伤和定量技术I- J 无损检测 ， 2 0 0 4 ， 2 6 ( 1 ) ： 4 7 5 3 1- 2 顾轶东 ， 林维正 ， 苏航 冲击回波法在混凝土无损检测中的应 用 J 无损检测 ， 2 0 0 4 ， 2 6 ( 9 ) ： 4 6 8 4 7 0 上接第 1 6页 8 X U J X， J I A N G L H， WA N G J X I n fl u e n c e o f d e t e c ti o n me t h o d s on c h l o r i d e t h r e s h o l d v a l u e f o r t h e c o r r o s i o n o f s t e e l r e i n f o r c e me n t J C o n s t r u c t B u i l d Ma t e r ， 2 0 0 9 ， 5 ( 2 3 ) ： 1 9 0 2 1 9 0 8 9 3曹楚南 腐蚀电化学原理( 第三版) M 北京： 化学工业出版 社 ， 2 0 0 8 ： 1 5 8 2 5 6 1 0 刘晓敏 ， 史志明， 许刚 ， 等 钢筋在混凝土中腐蚀行为的电化学 阻抗特征 J 腐蚀科学与防护技术， 1 9 9 9 ， 1 1 ( 3 ) ： 1 6 1 1 6 7 1 1 H A N Y M， K O O K J S E v a l u a t i o n o n s t e e l b a r c o rr o s i o n e m b e d d e d i n a n t i wa s ho u t u n d e r wa t e r c o n c r e t e c o n t a i n i n g mi n e r a l a d m i x t u r e s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 3 ) ： 5 2 1 一 2 0 3 T S U T S U MI T， 、 J ， wu J ， e t a1 I n t r o d u c ti o n t o a n e w s u r f a c e wa v e b a s e d NDT me tho d for c r a c k de t e c t i o n a nd i t s a p p l i c a tio n i n l ar g e d a m m o n i t o ri n g - C P r o c e e d i n g s o f i n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u m o n d a m s a f e t y and d e t e c t i o n o f h i d d e n tro ub l e s o f d a ms a nd d ike s ， 2 0 0 5： 13 E 4 张在东 ， 卢超 ， 魏运飞 表面开 口裂纹 超声表面波频谱法测量 的数值模拟 J 无损检测， 2 0 0 9 ( 1 2 ) ： 9 9 3 9 9 7 5 A G G E L I S D G， S H I O T A N I T R e p a i r e v a l u a t i o n o f c o n c r e t e c r a c k s u s i n g s u r f a c e a nd t h r o u g h t r an s m i s s i o n wa v e me a s e - m e n t s J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 9 ) ： 7 0 0 71 1 6 1 A MI T T E， G I V O L I D， T U R K E L E T i m e r e v e r s a l fo r c r a c k i d e n t i f i c a t i o n J C o mp u t a t i o n a l Me c h a n i c s ， 2 0 1 4 ， 5 4 ( 2 ) ： 4 4 3 4 5 9 7 S O H N H， P A R K H W， L A W K H， e t a 1 D a m a g e d e t e c t i o n i n c o m p o s i t e p l a t e s b y u s i n g a n e n h a n c e d t i me r e v e r s a l m e t h o d r J J o u r n a l o f A e r o s p a c e E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 2 0 ( 3 ) ： 1 4 1 1 5 1 8 S A E N G E R E H， K O C U R G K， J U D R， e t a 1 A p p l i c a t i o n o f t i m e r e v e r s e mo d e l i n g o n u l t r a s o n i c n o n -d e s t r u c ti v e t e s t i n g o f c o n- c r e t e J A p p l i e d Ma t h e m a ti c al Mo d e l l i n g ， 2 0 1 1 ， 3 5 ( 2 ) ： 8 0 7 81 6 9 3 MU S T A P H A S ， L U Y， L I J ， e t a 1 D a m a g e D e t e c t i o n i n R e b ar Re i n for c e d Co n c r e t e Be a ms Ba s e d o n Ti m e Re v e r s a l o f Gu i d e d Wa v e s - J S t r u c t u r a l H e a l th Mo n i t o ri n g ， 2 0 1 4 ， 1 3 ( 4 ) ： 3 4 7 3 5 8 1 O Q I X l A N L ， B U N G E Y J H U s i n g c o m p r e s s i o n w a v e u l t r a s o n i c tra n s d u c e r s t o me a s u r e t h e v e l o c i t y o f s u r f a c e wa ve s a n d he n c e d e t e r m i n e d y n a m i c mo d u l u s o f e l a s t i c i t y for c o n c r e t e J C o n s t r u c t i o n a n d b u i l d i n g m a t e ri a l s ， 1 9 9 6 ， 1 0 ( 4 ) ： 2 3 7 2 4 2 1 1 WA N G D， Y E L， S U Z ， e t a 1 Pro b a b i l i s t i c d a ma g e i d e n t i f i c a t i o n b a s e d o n c o r r e l a t i o n a n a l y s i s u s i ng g ui d e d wa v e s i g n a l s i n a l u mi h u m p l a t e s J S t r u c t u r a l H e a l t h Mo n i t o ri n g ， 2 0 1 0 ， 9 ( 2 ) ： 1 3 3 1 4 4 第一作者 联 系地 址 联系电话 通讯作者 联系电话 杨洋( 1 9 9 2一) ， 男 ， 硕士研究生 ， 研究方向 ： 结构健康 检测。 武汉币东湖南路 8号 武汉大学土木建筑工程学院工 程力学系( 4 3 0 0 7 2 ) 1 8 7 0 71 92 9 1 0 屈文忠( 1 9 6 8 一) ， 男， 教授。 】 3】 0 0 7 00 5 44 52 9 1 2 O MA R S ， B A G H A B R A A A， MO H A MME D M， L A S H A R I A N e C a 1 Ef f e c tiv e n e s s o f c o r r o s i o n i n h i b i t o r s i n c on t a mi n a t e d c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 45 ) ： 43 94 4 9 第一作者 联 系地址 联系电话 周华新( 1 9 8 2一) ， 男 ， 硕士 ， 高级工程师， 从事混凝土相 关性能研究。 江苏省南京市江宁区醴泉路 1 1 8 号( 2 1 1 1 0 3 ) 1 5 8 51 83 53 1 3 = 一 乏 埋 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m