肖金軍，羅國民，吳 迪，孔海望，韓亞芳

（1、佛山市廣佛肇高速公路有限公司 廣東佛山 528000；2、廣東建科交通工程質(zhì)量檢測中心有限公司 廣州 510500）

1 研究背景

目前，我國交通壓力越來越大，對交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)要求也逐年增加，尤其是道路、橋梁的建設(shè)既要滿足百年工程需求又要加快緩解交通壓力。預應力混凝土結(jié)構(gòu)因其顯著的技術(shù)優(yōu)勢在實際橋梁工程中得到大量的推廣，該技術(shù)也逐漸成熟。目前，在預應力孔道注漿質(zhì)量檢測方向仍有一些不足，如密實度檢測技術(shù)，預應力孔道注漿效果的好壞將直接影響到預應力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性［1］。根據(jù)相關(guān)部門的調(diào)查顯示，已建成的部分大跨度預應力混凝土橋梁經(jīng)過多年的運營后，已出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)開裂的現(xiàn)象，少數(shù)預應力橋梁已相繼出現(xiàn)了可能影響結(jié)構(gòu)正常使用的病害。相關(guān)文獻指出通過對實際梁體預應力孔道注漿質(zhì)量進行檢測，預應力橋梁脫空長度約占檢測長度的10%至20%，少數(shù)病害達到30%［2］。

因此，為保證橋梁的使用性能，需要定期對預應力混凝土結(jié)構(gòu)灌漿密實度進行質(zhì)量評價。目前常用的檢測方法包括：探地雷達法、沖擊回波法、超聲波法、紅外熱成像法等［3］。本文主要針對沖擊回波法進行了分析研究及應用驗證。

2 沖擊回波法原理

沖擊回波法是利用瞬時機械沖擊（一般選用一個小鋼球或小錘輕敲固體表面）產(chǎn)生的低頻應力波來進行結(jié)構(gòu)內(nèi)部探測，小鋼球敲擊北側(cè)結(jié)構(gòu)表面，沖擊會產(chǎn)生P波（縱波）和S波（橫波），P波的傳播方向與質(zhì)點振動方向一致，S 波與質(zhì)點振動方向垂直［4］。這些波遇到波阻抗會發(fā)生反射、折射或繞射，不同界面之間的會產(chǎn)生瞬態(tài)共振，沖擊點附近的P 波振幅是最大的，沖擊點附近的傳感器接收的主要是由P 波引起的［5］。當應力P波傳播過程中遇到阻抗不同的介質(zhì)界面時就會發(fā)生反射，在預應力管道的混凝土板中，應力波直接傳播至板底后反射回測試面，由接收器接收響應信號，應力波所經(jīng)過的路程即為2倍板厚［6］。

式中：αs為構(gòu)件的截面形狀系數(shù)；T為材料厚度；Cp為構(gòu)件中沿沖擊方向傳播的P波速度［7］。

3 沖擊回波法檢測的有限元仿真分析

3.1 有限元建模分析及模型設(shè)計［8-11］

通過動力有限單元軟件ANSYS/LS-DYNA 來分析不同預應力孔道壓漿質(zhì)量的沖擊回波響應，為了能使模型計算得到簡單化，現(xiàn)引入以下基本假定：

⑴每個單元的近似函數(shù)是連續(xù)的，單元之間的邊界是連續(xù)的；

⑵動力學基本計算方程中不考慮重力因素的影響；

⑶在沖擊荷載作用下，模型始終處于線彈性狀態(tài)，服從胡克定律；

⑷材料性質(zhì)均為線彈性各項同性。

實驗研究所需分析的波紋管管道內(nèi)情況可分為以下3類：全缺陷、部分缺陷和無缺陷。為了避免在模擬計算過程中建立過于復雜的有限單元模型，且能兼顧工程實際情況，在建模時進行了以下簡化處理：波紋管等效為圓柱，將波紋管內(nèi)外混凝土材料一致；建立有缺陷模型時假定波紋管上方半圓全空，下方灌漿混凝土密實包裹鋼絞線。簡化后所使用的材料參數(shù)如表1所示，有限元模型的波紋管管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)由3部分組成：鋼絞線、孔道壓漿的混凝土以及缺陷部分空洞區(qū)域［8］。

表1 模型材料參數(shù)Tab.1 Material Parameters of the Model

3.2 信號接收點與沖擊點的距離對回波結(jié)果的影響

本實驗研究主要探究的有缺陷模型為波紋管正上方一半全空的模型。建立一塊長為50 cm、寬為25 cm、高為25 cm 的方形板，內(nèi)有半徑為2.5 cm 的半圓柱體貫穿空洞，其直線邊與板的長邊平行，圓心位于板的高度方向正中，預設(shè)到?jīng)_擊面的距離分別為9 cm，即波紋管埋深（保護層厚度）6.5 cm。側(cè)面敲擊的敲擊點位于半圓形空洞底邊延長線上方1 cm 處，如圖1 所示。由缺陷頻率計算公式知，若應力波的往返總路程按13 cm 計算，則該模型中缺陷所對應的理論峰值頻率為28.918 kHz。

圖1 半空缺陷模型（保護層厚度6.5 cm）Fig.1 Half-air Defect Model（Protective Layer Thickness：6.5 cm）

首先研究信號接收點與沖擊點的距離變化對回波解析結(jié)果的影響。由于半圓柱體缺陷的存在，模型呈非對稱結(jié)構(gòu)，即使是距離沖擊點相同距離的信號接收點，其所接收到的應力波的反射情況也不盡相同。因此對采樣點的選取分為沿波紋管方向和垂直波紋管方向2種狀況來進行探討。

⑴沿波紋管方向設(shè)定不同采集距離

沿波紋管方向上且與沖擊點有相同距離信號接收點的具有對稱性，因此只需提取單側(cè)的信號進行分析，提取距離沖擊點分別為1 cm、2 cm、3 cm和4 cm處節(jié)點的位移-時程數(shù)據(jù)（見圖2），并進行FFT變換，如圖3所示。

圖2 不同采集間距的示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Different Collection Spacing

圖3 沿波紋管方向不同采集間距的解析頻譜Fig.3 Analytical Spectra of Different Acqui?sition Spacing along the Direction of Bellows

根據(jù)圖3分析可知，在沿波紋管方向上，當測點距離沖擊點為1 cm時，其解析頻譜圖存在明顯波峰對應板厚頻率，但對應缺陷深度頻率的波峰顯示不夠突出；當距離沖擊點遠于2 cm時，板厚頻率和缺陷深度頻率對應的波峰顯示效果都不夠明顯，且缺陷深度頻率還會向高頻處偏移。而距離沖擊點為2 cm處節(jié)點的頻率-振幅曲線既能反映板厚頻率5 kHz，又能在29 kHz處顯示較為明顯的波峰對應缺陷深度頻率，綜合響應情況較為良好。

⑵垂直波紋管方向

垂直波紋管方向上且與沖擊點具有相同距離信號接收點，由于缺陷為半圓柱體空洞，因此沖擊點兩側(cè)的信號接收點不具有對稱性，需要分別提取敲擊點上下兩側(cè)的信號進行分析，首先提取在沖擊點上方距離沖擊點分別為1 cm、2 cm、3 cm 和4 cm 處節(jié)點的位移-時程數(shù)據(jù)（見圖4），并進行FFT變換，如圖5所示。

圖4 測試點上方不同間距的采樣示意圖Fig.4 Sampling Diagram of Different Spacing above the Test Point

根據(jù)圖5 分析可知，在垂直波紋管方向的上方測點數(shù)據(jù)中，當測點距離沖擊點為1 cm 時，其解析頻譜圖存在明顯波峰對應板厚頻率，但對應缺陷深度頻率的波峰顯示不夠突出；當距離沖擊點遠于2 cm 時，板厚頻率和缺陷頻率對應的波峰顯示效果都不夠明顯，且缺陷深度頻率還會向高頻處偏移。而距離沖擊點為2 cm 處節(jié)點的頻率-振幅曲線既能反映板厚頻率5 kHz，又能在29 kHz 處顯示較為明顯的波峰對應缺陷深度頻率，綜合響應較為良好。

圖5 垂直波紋管（上方）不同測距解析頻譜Fig.5 Analytical Spectrum of Different Ranging of Vertical Bellows（above）

然后提取在沖擊點下方距離沖擊點分別為1 cm、2 cm、3 cm 和4 cm 處節(jié)點位移-時程數(shù)據(jù)（見圖6），并進行FFT變換，如圖7所示。

圖6 缺陷下方不同間距的采樣示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Sampling with Different Spacing below the Defect

圖7 垂直波紋管（下方）不同測點的解析頻譜Fig.7 Analytical Spectra of Different Measuring Points of the Vertical Bellows（Bottom）

根據(jù)圖6分析可知，在垂直波紋管方向的下方中，距離沖擊點為1 cm處的節(jié)點的綜合響應相對較好，其頻譜圖依然能反映板厚頻率，但仍存在缺陷深度頻率的波峰不夠明顯的問題；當距離沖擊點遠于1 cm 時，缺陷頻率的波峰都不能得到顯示。對比可知，下方信號接收點的整體表現(xiàn)不如上方的原因它們距離缺陷區(qū)域更遠以及缺陷形狀的非對稱性，所接收的反射缺陷區(qū)域的應力波不如上方集中。

最后，對比沿波紋管方向距離沖擊點2 cm的節(jié)點和垂直波紋管方向的上方中距離沖擊點2 cm的節(jié)點，如圖8所示。

由圖8可知，兩處節(jié)點在板厚頻率和缺陷深度頻率的響應上基本一致，因此推薦沖擊點與接收點的間距為2 cm，該測點能較好反映缺陷反應及板底反應。

圖8 垂直波紋管和沿波紋管水平方向采樣點的頻譜（距沖擊點2 cm）Fig.8 Spectrum of Sampling Points in the Vertical and Horizontal Direction of the Bellows（2 cm from the Impact Point）

4 結(jié)論

本文通過有限元建模分析及模型設(shè)計，主要研究了信號接收點與沖擊點的距離對回波結(jié)果的影響。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于信號接收點的選擇，當它與沖擊點的距離過近（＜2 cm）時會受到表面波的干擾導致解析異常，當距離過遠（＞3 cm）時應力波的傳播能量會衰減過多，推薦沖擊點與接收點的間距為2 cm，該測點能較好反映缺陷反應及板底反應。