钢筋混凝土包护结构应力波传播特性研究.pdf

2 0 1 4 年 第 4 期 (总 第 2 9 4 期 ) Nu mb e r 4 i n 2 0 1 4 ( To t a 1 No2 9 4) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RETI CAL R ES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 4 0 4 0 0 4 钢筋混凝土包护结构应力波传播特性研究 瞿立夏 ，龙士国 ( 湘潭大学 材料与光电物理学院 ，湖南 湘潭 4 1 1 1 0 5 ) 摘要 ： 采用数值计算法， 研究了应力波在钢筋混凝土包护结构中传播特性 。 针对两种注浆特性的混凝土钢筋包护结构 ： 混凝 土注浆脱空 5 0 和混凝土注浆完全脱空 ， 建立 了两组对应的钢筋混凝土包护结构数值模型。 通过 A N S Y S L S D Y N A有限元软件 计算得到应力波在两组模型中传播的时域信号 ， 根据所得的时域信号分析得 出应力波在两类模型 中传播的固结波速和平均振幅 比。 结果表明： 在注浆脱空 5 0 情况下固结波速处于 3 2 0 0 - - 4 3 0 0 r n s 范围内 ， 并 随着注浆脱空尺寸的增加而增大 ， 平均振幅比处 于 O 1 5 0 8 5 范围内， 并随着注浆脱空尺寸的增加而减小 ； 在注浆完全脱空情况下固结波速处于 3 4 0 0 - 4 4 0 0m s 范围内， 并随着 注浆脱空尺寸的增加而增大 ， 平均振幅 比处于 O 1 0 7 5 范围内， 并随着注浆脱空尺寸的增加而减小。 关键词 ： 应力波 ；钢筋混凝土包护结构；有 限元 ；固结波速 ；平均振幅比 中图分类号： T u5 2 8 5 7 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 0 1 3 0 4 E ffe c t o f m i s s i n g gr o u t o n t h e p r o p a g a t i o n o f s t r e s s w a v e i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e QuL i x i a ， LO NGS h i g u o ( F a c u l t y o f Ma t e ri a l s ， O p t o e l e c t r o n i c s a n dP h y s i c s ， X i a n g t a n U n i v e r s i ty， X i ang t a n 4 1 1 1 0 5 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： S t ud i e d t h e e ffe c t o f p r o pa g a t i o n c ha r a c t e ris t i c o n s t r e s s wa v e i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e b y u s i ng n u me r i c a l s i mu l a t i o n me t ho dThe c o n c r e t e s t r u c t u r e c a l l b e c l a s s i fie d i nt o t wo c a t e g o r i e s wi t h r e s pe c t t o t h e mi s s i n g g r o u t ： r e i nf o r c e d c o n c r e t e s t r u c t ur e wi t h mi s s i ng g r o u t 5 0 an d r e i n f o r c e d c o nc r e t e s t r u c t ur e wi t h c o mp l e t e mi s s i n g gro ut ， i n l i g ht o ft he s e mi s s i n g gr o u t ， n u me r i c a l mo d e l f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e wa s b ui l t Th e t i me d o ma i n s i g n a l o f s t r e s s wa v e p r o pa g a t i o n i n t he t wo mo d e s we r e c a l c ul a t e d b y f e m s o ft wa r e ANSYS LS DYNA ， a c c o r d i ngt ot h e r e s ul t s of t i medo ma i n s i g na l ， we c a n g e tt he c o ns o l i d a t i n gwa ve s pe e d a n d a v e r a g e a mpl i tud e r a t i o a t whi c h s t r e s s wa v e p r o pa g a t e s i n the tw o mod e l s Th e r e s u l t s de mo n s tra t e t h a t the c o n s o l i d a t i n g wa v e s p e e d i n t h e r an g e o f 3 2 00 m s t o 4 3 0 0 r n s i n c a s e o fmi s s i n g g r o ut 5 0 。 an d i n c r e a s e s wi t h t he i n c r e a s e mi s s i n g gro u t s i z e， i n a d d i t i o n， a ve r a g e am p l i tud e r a t i o a t O 1 5 t o O 8 5 a nd i n c r e ase s wi t h t he i nc r e a s e s o f s i z e of mi s s i n g gro ut ； t h e c o ns o l i d a t i n g wa v e s pe e d i n t he r an g e o f 3 4 00 m s t o 4 4 0 0 r r g s i n c a s e o fc o mp l e t e mi s s i ng gro u t ， a n d i n c r e a s e s wi t h t h e i nc r e a s e mi s s i n g g r o u t s i z e， i n a d d i t i o n， a v e r a g e a mp l i tud e r a t i o a t O 1 t o 075 a n d i nc r e a s e s wi t h the i n c r e a s e s o fs i z e o fmi s s i n g gro u t Ke y w o r d s ： s t r e s s wa v e ； r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e ； fi n i t e e l e me n t ； c o n s o l i d a t i n g wa v e s p e e d ； a v e r a g e a mp l i tud e r a t i o 0 引 言 钢筋混凝土包护结构广泛存在于道桥工程、 岩土锚杆 工程 中， 如预应力混凝 土桥梁注浆波纹管 中的混凝土包 护 钢绞线结构 ， 房屋建筑 中钢筋混凝土梁结构 ， 锚杆锚 固体 系 中混凝土包护钢筋结构 1 。 该结构在施工过程 中往往会 因为某些原 因导致混凝 土注浆在一定程度上 的脱空情况 ， 从而对整个工程体系的质量产生严重影 响。 然而该结构属 于隐蔽工程 ， 埋藏 于岩土之 中， 所 以寻求一种可靠 、 快速 、 经济的质量检测方法的需求 日益迫切。 针对该结构工程 中 常用的质量检测方法有拔拉测试法和钻孔取芯法 ， 这两种 方法均是破坏性检测方法 ， 检测完成后结构损坏失去作用 ， 而且仅 限于抽样检测 ， 无法对工程进行全 面的检测2 。 应力 收稿 日期 ：2 0 1 3 1 0 - 2 2 基金项目：国家 自然科学基金项 目( 1 1 1 7 2 2 5 8 ) 波检测法作为一种用于岩土工程领域里新 的无损检测法 ， 因为其穿透能力强 、 设备简单 、 使用条件和安全性好等优 点 ， 在 近些年引起广泛关 注 3 1 。 固结波速和平均振幅 比是应力波法检测钢筋 混凝 土 包护结构质量 的两个 重要评 判参数 。 所谓固结波速 ， 就是 从钢筋杆顶端传来 的的应力 波经过钢筋杆体 与混凝 土注 浆段的波速 。 理论推导及试验表明 固结波速和应力波单纯 在钢筋杆中的传播波速与应力波单纯在混凝土中的传播 波速均不相 同 ， 其大小是介于两者之间的一个数值 ， 固结 波速反应 了钢筋与混凝土注浆之间 的黏结情况 。 平均振 幅比指的是应力波回波振幅对首波振幅的比值， 其比值大 小反应的是应力波在传播过程中能量衰减的情况， 而能量 衰减 与混凝土注浆段注浆质量密切相关 ， 是评价钢筋混凝 1 3 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 O 3 0 2 E O 1 i 蠢 0 一0 2 -0 1 0 3 0 3 0 2 g O 1 i 0 一O 2 -0 1 -0 3 O 3 0 2 E O 1 i 0 一 O 2 - 0 1 - 0 3 0 0 5 1 O 1 5 2 0 2 5 30 时 间 ms f a ) 注浆脱空5 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 时 间 ms ( b 1 注浆完全脱空 3 0 k H z 缺浆尺寸 0 4 m时域波形 0 05 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 时间 ms ( a ) 注浆脱空5 0 U U 5 1 U 1 5 2 U 2 j U 时间 ms ( b ) 注浆 完全 脱空 图 4 3 0 k H z缺浆尺寸 1 6 m时域波形 2 3 固结波速 在钢筋混凝土包护结构中应力波 固结波通过式 ( 2 ) 计 算得 出： 1 r =兰 ( 2 ) At 式中： 固结波速 ； ， J 模型长度( 图 1 所示 ) ； 首波波峰与回波波峰之间的时间差( 图 4 ( a ) 所 示 ) ， 计算结果如图 5 所示。 从图 5 可以看出 ， 应力波固结波速随着缺浆尺寸的增大 而增大。 在同样长度的注浆缺陷及同一入射频率下， 注浆脱 空组模型的固结波速 比注浆不密实组模型的固结波速大。 在 吕 圈 吕 嘏 囤 注浆缺 陷尺寸 m ( a ) 注浆脱空5 0 注浆 缺 陷尺寸 m f b ) 注浆 完全 脱空 图 5固结波速 同一种注浆缺陷类型及同一入射频率下， 应力波固结波速 随着注浆缺 陷尺寸的增大而增大。 单独在一特定频率下如 1 0 0 k H z ， 从图 6 ( a ) 可看出， 注浆不密实组模型的固结波速随 着注浆缺陷尺寸的增大逐渐从 3 2 0 0 m s 增) mN3 4 0 0 m s ， 而从图 6 ( b ) 可看 出， 在注浆脱空组模型中固结波速是 随着 注浆缺陷尺寸增大逐渐从 3 4 0 0 m s 增加到 3 6 0 0 m s 。 2 4平均振 幅比 应力波的平均振幅比与混凝土注浆段注浆质量密切相 关 ， 笔者利用 Z o u 提出的平均振幅和振幅比的计算方法 ， 研究钢筋混凝土包护结构 中应力波衰减特征。 在 圆柱状波 导 中传播 的应力波存在 3 种模态 ， 即纵向轴对称模态 ( L 模 态 ) 、 扭转模态( T模态 ) 和弯 曲模态 ( F 模 态 ) 。 纵向轴 对称 L ( 0 ， 1 ) 模态在低频段衰 减最小 ， 能量速 度最快 ， 位移模 式 简单 ， 便 于激发 ， 很容易与其他模态 区分出来。 这一点非常 有利于信号 的接 收和识别 。 根据 Z o u的研究结果 ， 导 波纵 向轴对称 L ( 0 ， 1 ) 模态 振幅的绝对值受诸 多因素的影 响 ， 无法直接用来表征锚 固质量 。 为此 ， 他提出了利用振 幅 比 R( 式 ( 3 ) ) 来表征导波衰减 的方法 ： R- 一A 2 ( 3 ) A 1 式中： A 接收信号中第二个波包的振幅； A 接收信号中第一个波包的振 幅。 越多的能量衰减， 那么所得到的信号振幅比 数值越小。 通过之前的描述 ， 由于频散作用和各种噪声的影响 ， 所 得 到接收信号很微弱或者不 同反射所得波包并不是能够 很清晰的分离开来 ， 因此接收信号 的中波包的边界很模糊 。 在这种情况下， 如果使用不同反射波包中振幅最大值来代 表传播能量的大小， 所得到的结果并不准确， 所以Z o u又 1 5 3 3 2 0 2 3 图 0 0 0 g毒 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 提出波包平均振幅计算方法 啦 ： A I k v ? ( t ) d t l ， ， 、 爿 川4 式 中： 计算所选取的时间间隔 ， f t 。 ； U i ( ) 信号强度； i = 1 首波波包 ； i - 2 反射波波包 ； k 常数 。 在上述公式 中， 参数 v i ( t ) ， A t 。 ， A t 定义如图 4 ( a ) 所示 。 由于上述方法在计算振幅的时候使用了接收信号中 第一个波包和第二波包中相同时间间隔内信号的平均振 幅 ， 这样便可 以有效的消除频散和噪声带来 的影 响， 使得 超声波信号衰减比的测量更为简便准确。 计算结果如图 6 所示 注浆缺陷尺寸 m ( a ) 注 浆脱空5 0 注浆缺 陷尺寸 m ( b ) 注浆完全脱空 图 6 平均振幅比 从图 6 可知 ， 总体来 看应力波的平均振幅比随着注浆 缺陷尺寸的增 大而减 小。 比较图 6 ( a ) 和图 6 ( b ) 又可 以发 现 ， 应力波的平均振幅比在注浆脱空的情况下 比在注浆不 密实的情况下小 ， 说明应力波的传播在注浆脱空组模型里 衰减比在注浆不密实组衰减大。 还可从图6中发现， 两组模 型中的应力波平均振幅比随着人射波频率的增加而减小 ， 平均振幅 比反应的是波传播能量 的变化情况 ， 说 明应力波 传播过程中能量的衰减随着入射波频率的增减而增大。 3结论 笔者用数值计算方法，在前人研究结果的基础上， 研 究了混凝土注浆缺陷对应力波在钢筋混凝土包护结构中 传播特性的影响， 可得如下结论： 1 6 ( 1 ) 在相 同频率 的入射波激励下 ， 应力波传播在 缺陷 界面处所产生的反射干扰信号在脱空组模型 中更强 ， 且随 缺陷尺寸增大而增大。 ( 2 ) 在注浆脱空 5 0 情况下的钢筋混凝土包护结构 ， 应力波传播的固结波速处于 3 2 0 0 - 4 3 0 0 r r d s 范围内， 并随 着注浆脱空尺寸的增加而增大 ， 平均振幅比处于 0 1 5 0 8 5 范围内 ， 并随着注浆脱空尺寸的增加而减小 。 ( 3 ) 在注浆完全脱空情况下的钢筋混凝土包护结构 ， 应力波传播的固结波速处于 3 4 0 0 4 4 0 0 m s 范 围内， 并 随 着注浆脱空尺寸的增加而增大 ， 平均振幅比处于 0 1 0 7 5 范 围内， 并随着注浆脱空尺寸的增加而减小 。 参考文献： 1 C UI Y， Z O U D HAs s e s s i n g t h e e f f e c t s o f i n s u ffic i e n t r e b a r a n d mi s - s i n g g r o u t i n gro u t e d r o c k b o l t s u s i n g g u i d e d u l t r a s o n i c wa v e s j J o u r n a l o f A p p l i e d G e o p h y s i c s ， 2 0 1 2 ( 7 9 ) ： 6 4 - 7 0 【 2 】王猛应力波锚杆锚固质量无损检测技术试验研究 D 太原 ： 太 原理工大学 ， 2 0 1 2 【 3 】WU R， XU J ， L I C， e t a1S t r e s s w a v e p r o p a g a t i o n i n s u p p o r t i n g b o l t s ： a t e s t f o r b o l t s u p p o q u a l i t y J I n t e rna t i o n a l J o u r n a l o f Mi n i n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 1 2 ( 2 2 ) ： 5 6 7 5 7 1 4 】 李义 锚杆锚固质量无损检测与巷道围岩稳定性预测机理研 究 D 太原 ： 太原理工大学 ， 2 0 0 9 【 5 】Z O U D H， C UI YA n e w a p p r o a c h for fi e l d i n s t r u me n t a t i o n i n gro u t e d r o c k b o h mo n i t o r i n g u s i n g gui d e d u l t r a s o n i c w a v e s J o u r n al o f Ap - p l i e d G e o p h y s i c s ， 2 0 1 1 ， 7 5 ( 3 ) ： 5 0 6 5 1 2 6 】张昌锁， 李义， 赵阳升， 等 锚杆锚固质量无损检测中的激发波 研究 J 】 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 6 ) ： 1 2 4 0 1 2 4 5 7 BE A RD M D， L O WE M J S No n d e s t r u c t i v e t e s t i n g of r o c k b o l t s u s i n g gui d e d u l t r a s o n i c wa v e s J I n t e r n a t i o n a l j o u r n a l o f r o c k fi l e t h a n i c s a n d m i n i n g s c i e n c e s ， 2 0 0 3 ， 4 0 ( 4 ) ： 5 2 7 5 3 6 【 8 】Z H ANG C S ， Z O U D H， MA DE NG A V N u me r i c al s i mu l a t i o n o f wa v e p r o p a g a t i o n i n gro u t e d r o c k b o l t s a n d t h e e f f e c t s of me s h d e n s i t y a n d w a v e f r e q u e n c y J I n t e r n a t i o n al j o u r n al o f r o c k me c h a n i c s a n d mi n i n g s c i e n c e s ， 2 0 0 6， 4 3 ( 4 ) ： 6 3 4 6 3 9 9 】 Z O U D H， C H E N G J ， Y U E R ， e t a1 G r o u t q u a l i t y a n d i t s i m p a c t o n g u i d e d u l t r a s o n i c w a v e s i n gro u t e d r o c k b o l t s J J o u r n a l o f Ap p l i e d G e o p h y s i c s ， 2 0 1 0 ， 7 2 ( 2 ) ： 1 0 2 - 1 0 6 【 I O C UI Y， Z O U D HNu me r i c a l s i mu l a t i o n o f a t t e n u a t i o n a n d gro u p v e l o c i t y o f g u i d e d u l t r a s o n i c wa v e i n gro u t e d r o c k b o l t s J J o u r n a l o f A p p l i e d G e o p h y s i c s ， 2 0 0 6 ， 5 9 ( 4 ) ： 3 3 7 3 4 4 作者简介 ： 瞿立夏( 1 9 8 8 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 ， 研究方向 ： 材料的无 损检测技术。 联系地址： 湖南省湘潭市湘潭大学材料与光电物理学院9 0 1 0 信 箱( 4 1 1 1 0 5 ) 联系电话 ： 1 8 7 1 1 3 3 7 2 1 7 0 0 0 O O 0 O O O 彗 蜷 露 0 O 0 0 O 0 0 0 丑 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m