劉鵬飛, 劉南希, 李祚華, 于洪濤, 滕 軍, 陳 杰

(1.深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，深圳 518031；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，深圳 518055)

鋼管混凝土利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過(guò)程中相互間的組合作用，充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)點(diǎn),一方面能改善混凝土的塑性和韌性，另一方面可避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲，使鋼管混凝土具有承載力高、塑性和韌性好、經(jīng)濟(jì)效果好和施工方便等優(yōu)點(diǎn)[1]。鋼管混凝土構(gòu)件一般作為柱子等關(guān)鍵受力構(gòu)件，一旦失效將會(huì)降低建筑結(jié)構(gòu)整體的安全性，造成損失[2]。因此，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，避免事故發(fā)生，對(duì)這種關(guān)鍵受力構(gòu)件進(jìn)行定期的檢測(cè)是十分重要的。基于導(dǎo)波的檢測(cè)方法成本較低、操作簡(jiǎn)單、效率高、具有針對(duì)性又可滿足全面性，受到了廣泛關(guān)注[3-4]。

為了研究在不產(chǎn)生明顯頻散的激勵(lì)頻率下，鋼管混凝土介質(zhì)多相性及軸向缺陷產(chǎn)生的導(dǎo)波回波信號(hào)的變化，筆者基于有限元軟件ABAQUS，分別創(chuàng)建鋼管砂漿骨料分層模型、基于Monte Carlo方法(一種統(tǒng)計(jì)模擬方法)的隨機(jī)圓形骨料模型和鋼管混凝土構(gòu)件含軸向缺陷的模型，模擬導(dǎo)波在鋼管混凝土中的傳播情況，以此來(lái)分析導(dǎo)波回波信號(hào)的變化。

1 介質(zhì)多相性引起的導(dǎo)波回波信號(hào)變化

鋼管混凝土構(gòu)件中，混凝土骨料的粒徑是隨機(jī)分布的，試驗(yàn)條件很難直接控制這一變量，但試驗(yàn)結(jié)果卻會(huì)受到這種隨機(jī)分布的影響。基于伍君勇[5]對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)細(xì)觀模型進(jìn)行的研究，筆者將混凝土看作一種復(fù)合材料，其由砂漿和骨料組成，具有多相性。由此，創(chuàng)建鋼管混凝土構(gòu)件的有限元分析模型。

1.1 骨料層密度對(duì)導(dǎo)波傳播的影響

選用solid單元(一種有限元單元類型)，外層為鋼材，內(nèi)層為混凝土材料，兩者間以tie(一種接觸方式)連接，模型全程處于彈性階段。鋼管混凝土模型長(zhǎng)為3 200 mm，直徑為100 mm，壁厚為5 mm。

混凝土構(gòu)件中骨料和缺陷的存在都會(huì)使導(dǎo)波的傳播路徑發(fā)生變化，引起導(dǎo)波散射和能量耗散。為研究骨料層密度的變化導(dǎo)致的導(dǎo)波回波信號(hào)的變化，在砂漿中按不同密度布置骨料層來(lái)進(jìn)行模擬。單一骨料層和骨料層整體分布如圖1所示。以構(gòu)件軸線與截面的交點(diǎn)為圓心，在直徑為90 mm的范圍內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)波激勵(lì)，激勵(lì)頻率為10 kHz，導(dǎo)波信號(hào)為漢寧窗調(diào)制信號(hào)，提取到的響應(yīng)信號(hào)如圖2所示。

圖1 單一骨科層和骨科層整體分布示意

圖2 不同骨料層的導(dǎo)波回波信號(hào)

由圖2可知，對(duì)于整體信號(hào)而言，骨料層的密度變化導(dǎo)致的信號(hào)變化非常小。為研究不同骨料層密度的影響，放大信號(hào)的平穩(wěn)段，得到如圖3所示的信號(hào)。

圖3 不同骨料層的導(dǎo)波回波信號(hào)(放大后)

由圖3可知，隨著骨料層密度增大，骨料反射回波幅值逐漸增大，提取信號(hào)中包含的骨料信息也增多。即便如此，相對(duì)于發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)的幅值骨料反射回波幅值極小。

1.2 骨料含量對(duì)導(dǎo)波傳播的影響

為研究骨料含量的變化導(dǎo)致的導(dǎo)波回波信號(hào)的變化，在ABAQUS軟件中創(chuàng)建混凝土構(gòu)件的二維模型，通過(guò)改變骨料面積占比來(lái)模擬骨料的含量。

基于Monte Carlo方法，以骨料面積占比為指標(biāo)，假定混凝土構(gòu)件中骨料的分布和粒徑均為隨機(jī)的[6]，生成骨料面積占比分別為0%，20%，25%，30%，35%，40%，45%和50%的混凝土構(gòu)件模型，在ABAQUS軟件中導(dǎo)入這些模型，創(chuàng)建隨機(jī)圓形骨料模型。圖4為骨料面積占比分別為0%，30%，40%和50%的混凝土構(gòu)件模型，圖5為模型加載的示意圖。

圖4 不同骨料面積占比的模型

圖5 模型加載示意

在不同骨料面積占比的隨機(jī)圓形骨料模型的頂部提取響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析。以骨料面積占比為30%的模型為例模擬導(dǎo)波傳播的過(guò)程，其在各時(shí)刻的響應(yīng)云圖如圖6所示。

從圖6可以看出，初始狀態(tài)下試件整體處于零響應(yīng)狀態(tài)。導(dǎo)波信號(hào)從試件的頂端出發(fā)，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，導(dǎo)波沿試件軸向傳播，并與試件邊界和內(nèi)部骨料相互作用，內(nèi)部響應(yīng)情況逐漸復(fù)雜。導(dǎo)波到達(dá)試件底端后，開(kāi)始反向傳播，并最終返回到試件頂端。

圖6 骨料面積占比為30%的模型在各個(gè)時(shí)刻的響應(yīng)云圖

圖7為不同激勵(lì)頻率下，不同骨料面積占比的模型的導(dǎo)波回波信號(hào)。

從圖7可以看出，在相同的激勵(lì)頻率下，首波出現(xiàn)時(shí)間不隨骨料面積占比的變化而發(fā)生變化，但信號(hào)的幅值和傳播速度有明顯的變化。圖8所示為首波波峰與回波波峰的特征(出現(xiàn)時(shí)間和幅值)隨骨料面積占比變化的趨勢(shì)。

圖8 首波波峰與回波波峰特征隨骨料面積占比的變化趨勢(shì)

通過(guò)分析各個(gè)參數(shù)的變化，可以得到以下結(jié)論。

(1) 在頻散特性不明顯的激勵(lì)頻段內(nèi)，激勵(lì)頻率不變而骨料面積占比增大時(shí)，首波波峰的出現(xiàn)時(shí)間并不隨之發(fā)生變化，但底端回波波峰的出現(xiàn)時(shí)間提前，且呈線性地提前了，這意味著導(dǎo)波傳播的速度呈線性地變快。

(2) 激勵(lì)頻率不變而骨料面積占比增大時(shí)，混凝土的彈性模量逐漸增大，導(dǎo)致首波波峰和回波波峰的幅值都逐漸減小。

(3) 首波波峰和底端回波波峰的出現(xiàn)時(shí)間隨著激勵(lì)頻率的升高而縮短，這意味著導(dǎo)波傳播的速度不僅與材料特性有關(guān)，也與激勵(lì)頻率有關(guān)。

(4) 首波波峰和底端回波波峰的幅值隨著激勵(lì)頻率的升高而降低，因?yàn)榧?lì)頻率越大，波長(zhǎng)越短，波的折射和反射現(xiàn)象越明顯，衰減越大；激勵(lì)頻率越小，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，波的折射和反射現(xiàn)象相對(duì)較弱，衰減越小。

以首波波峰出現(xiàn)時(shí)間和回波波峰出現(xiàn)時(shí)間之差作為傳播時(shí)間，得到在頻散現(xiàn)象較弱的激勵(lì)頻段內(nèi)，不同激勵(lì)頻率下，不同骨料面積占比的模型中導(dǎo)波傳播的速度變化曲線(見(jiàn)圖9)。

圖9 不同激勵(lì)頻率、不同骨料面積占比模型中導(dǎo)波傳播的速度變化曲線

由圖9可以得出以下結(jié)論。

(1) 在頻散特性不明顯的激勵(lì)頻段內(nèi)，激勵(lì)頻率不變而骨料面積占比增大時(shí)，導(dǎo)波傳播的速度呈線性變快的趨勢(shì)。這是因?yàn)楣橇虾康脑龃髸?huì)使混凝土強(qiáng)度逐漸增大，試件的剛度也隨之增大。

(2) 導(dǎo)波傳播的速度隨著激勵(lì)頻率的增大而減小。

為進(jìn)一步分析骨料面積占比導(dǎo)致的導(dǎo)波回波信號(hào)的變化，放大信號(hào)的平穩(wěn)段如圖10所示，其最大幅值如圖11所示。

圖10 不同激勵(lì)頻率下不同骨料面積占比的信號(hào)平穩(wěn)段

圖11 不同激勵(lì)頻率下不同骨料面積占比的信號(hào)幅值變化曲線

由圖11可見(jiàn)，對(duì)于同一激勵(lì)頻率，隨著骨料面積占比的增大，信號(hào)平穩(wěn)段的最大幅值先逐漸增大，后逐漸減小。這是因?yàn)楣橇虾康脑黾訒?huì)使得頻散特性逐漸明顯，而根據(jù)前文分析，骨料含量的增加會(huì)使得混凝土強(qiáng)度和剛度逐漸增大，回波信號(hào)的幅值會(huì)隨之降低，在兩者的共同作用下就出現(xiàn)了這樣的現(xiàn)象。

為了對(duì)不同激勵(lì)頻率的導(dǎo)波回波信號(hào)進(jìn)行分析，繪制如圖12所示的不同激勵(lì)頻率下不同骨料面積占比的信號(hào)幅值變化曲線。

圖12 不同激勵(lì)頻率、不同骨料面積占比的信號(hào)幅值變化曲線

由圖12可知，在相同骨料面積占比下，隨著導(dǎo)波信號(hào)激勵(lì)頻率的增大，頻散特性的作用逐漸明顯，表現(xiàn)為信號(hào)平穩(wěn)段的最大幅值逐漸增大。

綜上所述，激勵(lì)頻率不變而骨料面積占比增大時(shí)，首波波峰出現(xiàn)時(shí)間并不隨之發(fā)生變化，但幅值會(huì)逐漸減?。坏锥嘶夭úǚ宄霈F(xiàn)時(shí)間呈線性提前，幅值也會(huì)逐漸減小。激勵(lì)頻率發(fā)生變化時(shí)，首波波峰和底端回波波峰的幅值隨著激勵(lì)頻率的升高而降低，導(dǎo)波傳播的速度隨之減小。在頻散特性不明顯的激勵(lì)頻段內(nèi)，檢測(cè)混凝土構(gòu)件的導(dǎo)波回波信號(hào)在無(wú)缺陷情況下的信號(hào)平穩(wěn)段幅值遠(yuǎn)小于激勵(lì)信號(hào)段幅值和底端回波信號(hào)段幅值，可忽略不計(jì)。因此，缺陷檢測(cè)的關(guān)鍵就是確定頻散特性不明顯的激勵(lì)頻段。

2 鋼管混凝土構(gòu)件軸向缺陷引起的導(dǎo)波回波信號(hào)變化

材料、應(yīng)力和缺陷等均會(huì)對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件中導(dǎo)波的傳播產(chǎn)生影響，使導(dǎo)波發(fā)生折射和反射，導(dǎo)波的能量也隨之衰減[7]。利用導(dǎo)波的這種特性來(lái)對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件中的軸向缺陷進(jìn)行檢測(cè)。在ABAQUS軟件中創(chuàng)建直徑為100 mm的含軸向缺陷的鋼管混凝土構(gòu)件模型，并設(shè)置不同截面尺寸和軸向長(zhǎng)度的缺陷。該節(jié)僅探究缺陷截面尺寸和軸向長(zhǎng)度引起的導(dǎo)波回波信號(hào)的變化，缺陷位置固定在鋼管混凝土模型中部。

將截面損傷定義為截面環(huán)形面積的缺失，首先對(duì)缺陷直徑為10 mm的構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，不同長(zhǎng)度缺陷的響應(yīng)信號(hào)如圖13所示。

圖13 不同長(zhǎng)度缺陷的響應(yīng)信號(hào)(缺陷直徑為10 mm)

由圖13可知，信號(hào)平穩(wěn)段對(duì)缺陷十分敏感，即使是截面損傷率僅為0.99%的情況下也可以很容易地判斷出構(gòu)件是否存在缺陷。對(duì)直徑為10 mm的中心缺陷以及大徑為30 mm、小徑為20 mm的環(huán)形缺陷的信號(hào)平穩(wěn)段的最大幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制其隨缺陷長(zhǎng)度的變化曲線，結(jié)果分別如圖14，15所示。

圖14 中心缺陷信號(hào)幅值隨缺陷長(zhǎng)度的變化曲線

圖15 環(huán)形缺陷信號(hào)幅值隨缺陷長(zhǎng)度的變化曲線

由圖14,15可知，當(dāng)缺陷截面尺寸一定時(shí)，隨著缺陷軸向長(zhǎng)度的增大，缺陷響應(yīng)信號(hào)的平穩(wěn)段的最大幅值先增大后減小。這是因?yàn)楫?dāng)缺陷軸向長(zhǎng)度增大時(shí)，缺陷反射的信號(hào)幅值增大；隨著缺陷軸向長(zhǎng)度繼續(xù)增大，缺陷周圍界面反射波的相位差逐漸增大，當(dāng)相位差超過(guò)半個(gè)漢寧窗的信號(hào)周期時(shí)，信號(hào)幅值符號(hào)相反，相互抵消，所以信號(hào)幅值下降。此外，不同長(zhǎng)度的缺陷反射信號(hào)平穩(wěn)段最大幅值相同時(shí)，可通過(guò)波形進(jìn)行區(qū)分(見(jiàn)圖16)。

圖16 反射信號(hào)幅值相同但長(zhǎng)度不同的缺陷波形

缺陷長(zhǎng)度為10 mm的波形中間高兩邊低，而缺陷長(zhǎng)度為200 mm的波形中間低兩邊高，這是信號(hào)疊加導(dǎo)致的，因此可以對(duì)兩信號(hào)平穩(wěn)段最大幅值相同而缺陷長(zhǎng)度不同的情況進(jìn)行區(qū)分。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 激勵(lì)頻率不變而骨料面積占比增大時(shí)，首波波峰出現(xiàn)時(shí)間并不隨之發(fā)生變化，但幅值會(huì)逐漸減小；底端回波波峰出現(xiàn)時(shí)間呈線性提前，幅值也會(huì)逐漸減小。激勵(lì)頻率發(fā)生變化時(shí)，首波波峰和底端回波波峰的幅值隨著激勵(lì)頻率的升高而降低，導(dǎo)波傳播的速度隨之減慢。在頻散特性不明顯的激勵(lì)頻段內(nèi)，檢測(cè)混凝土構(gòu)件的導(dǎo)波回波信號(hào)中無(wú)缺陷情況下的信號(hào)平穩(wěn)段幅值遠(yuǎn)小于激勵(lì)信號(hào)段幅值和底端回波信號(hào)段幅值，可忽略不計(jì)。因此，缺陷檢測(cè)的關(guān)鍵就是確定頻散特性不明顯的激勵(lì)頻段。

(2) 當(dāng)缺陷截面尺寸一定時(shí)，隨著缺陷軸向長(zhǎng)度的增大，缺陷響應(yīng)信號(hào)平穩(wěn)段的最大幅值先增加后減小。