(湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 湖南 湘潭 411105)

引言

鋼管混凝土是指在空鋼管中填充混凝土從而組成的一種高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)[1]。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)不僅能夠充分發(fā)揮鋼材和混凝土各自的優(yōu)點(diǎn)，而且克服了鋼管結(jié)構(gòu)容易發(fā)生局部屈曲的缺點(diǎn)，所以在高層建筑結(jié)構(gòu)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[2]。近年來，鋼管混凝

土結(jié)構(gòu)被廣泛使用于道路橋梁、城市軌道交通、多層工業(yè)廠房及超高層建筑等許多大型工程領(lǐng)域。鋼管混凝土內(nèi)混凝土的灌注過程中由于操作工藝的復(fù)雜性，可能導(dǎo)致存在的問題有：由于排氣不順暢或其他設(shè)計(jì)原因?qū)е略诨炷羶?nèi)部形成的孔洞缺陷；由于混凝土硬化后收縮導(dǎo)致的混凝土與鋼管壁之間的脫空缺陷[3]。鋼管混凝土內(nèi)部缺陷的存在對(duì)其結(jié)構(gòu)、性能和穩(wěn)定性影響較大，所以，鋼管混凝土的缺陷檢測(cè)對(duì)提高鋼管混凝土質(zhì)量十分重要。

一、聲波透射試驗(yàn)研究

針對(duì)聲波在鋼管混凝土中的傳播特點(diǎn)，制作了密實(shí)和有缺陷的鋼管混凝土試件。尺寸為空鋼管外徑220mm，內(nèi)徑206mm，鋼管壁厚7mm，鋼管高度800mm。灌注鋼管混凝土?xí)r分別在上半部分預(yù)留中部孔洞和鋼管壁脫空的兩種缺陷。試驗(yàn)過程中使用超磁檢測(cè)和沖擊回波法(不同直徑錘子敲擊)獲得不同缺陷下接收點(diǎn)的時(shí)域圖，同時(shí)提取采集的數(shù)據(jù)通過Origin軟件得到對(duì)應(yīng)的頻域圖，然后經(jīng)過時(shí)域圖和頻域圖的對(duì)比分析找出異同點(diǎn)[4]。

收集并導(dǎo)出接收點(diǎn)的各組數(shù)據(jù)，提取原始數(shù)據(jù)，使用Origin軟件繪制鋼管混凝土不同缺陷下的時(shí)域圖，選取典型波形圖如下：

圖1 聲波時(shí)域圖

通過采集的時(shí)域圖發(fā)現(xiàn)，密實(shí)和有缺陷的鋼管混凝土存在一定的差異。鋼管混凝土試件密實(shí)時(shí)，時(shí)域圖幅值沿水平對(duì)稱軸呈對(duì)稱分布，波形無畸變，幅值隨時(shí)間正常衰減。當(dāng)鋼管混凝土內(nèi)部存在缺陷時(shí)，試驗(yàn)中混凝土中存在孔洞，則在一定的范圍內(nèi)幅值變化比較集中(圖中200～400μs和500～700μs)，波形圖衰減較快，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是孔洞處周圍聲波在此疊加，而較遠(yuǎn)位置則表現(xiàn)正常，這也與實(shí)際的情況比較相符。當(dāng)鋼管壁與內(nèi)部混凝土膠結(jié)不良，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中設(shè)置一定的脫空的時(shí)候，從圖中可以看出波形圖畸形比較嚴(yán)重，幅值衰減較慢，有多處位置的幅值與實(shí)際情況不符，產(chǎn)生部分缺失。

將聲波儀采集到的由4000個(gè)數(shù)據(jù)構(gòu)成的波形圖進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，按照時(shí)間的順序從下到上依次組成的頻譜波列圖如圖所示。從圖中可以看出正常密實(shí)的鋼管混凝土主頻只有一個(gè)，約為11000Hz，當(dāng)鋼管混凝土中存在缺陷時(shí)，其主頻個(gè)數(shù)和大小均有所變化。例如混凝土中存在內(nèi)部孔洞時(shí)，其主頻偏大，約為13000Hz，而當(dāng)鋼管壁與混凝土膠結(jié)不良時(shí)，頻域圖顯示有兩個(gè)主頻，其值分別為6000Hz和12000Hz。

圖2 聲波頻域圖

二、數(shù)值模擬仿真計(jì)算

有限元分析方法在工程建設(shè)各領(lǐng)域得到了廣泛地推廣和應(yīng)用，其也由原來地求解線性結(jié)構(gòu)問題發(fā)展到求解非線性，由原來的僅能求解單一場(chǎng)問題快速發(fā)展到多場(chǎng)和多場(chǎng)之間的耦合問題[5]。針對(duì)實(shí)際大型工程中的單物理場(chǎng)及多物理場(chǎng)的耦合問題，都可以用COMSOL軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析[6]。

本文的模擬對(duì)象為鋼管混凝土，現(xiàn)實(shí)中是以空間三維形式存在的，考慮多方面的影響，本章在模擬時(shí)候選取了鋼管壁外徑220mm，內(nèi)徑206mm，鋼管壁厚度7mm的同心圓形截面。

圖3 二維模型圖

經(jīng)過計(jì)算，在本次模擬中超聲波的信號(hào)是直接穿透鋼管混凝土內(nèi)部到達(dá)接收端的，能反映出其內(nèi)部的缺陷，符合超聲波檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部缺陷的前提條件[7]。

圖4 超聲波在不同時(shí)刻的傳播云圖

對(duì)比密實(shí)和不同缺陷下的鋼管混凝土接收點(diǎn)的時(shí)域圖，可以發(fā)現(xiàn)接收點(diǎn)位置的不同對(duì)聲時(shí)的影響遠(yuǎn)小于缺陷對(duì)聲時(shí)的影響，不同缺陷下接收點(diǎn)時(shí)間差異較大。在此次模擬中，聲時(shí)分別為：密實(shí)90μs、孔洞115μs和脫空135μs，三種狀態(tài)下的聲時(shí)依次變長(zhǎng)，這也符合實(shí)際情況。

在鋼管壁測(cè)點(diǎn)間距的選擇上，根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)選擇測(cè)點(diǎn)間距為4cm～6cm時(shí)，無論是鋼管混凝土密實(shí)還是存在缺陷，其波形圖才相對(duì)比較平滑，能更好的識(shí)別和反映實(shí)際的情況。

三、結(jié)語

1.通過聲波透射法和沖擊回波法就聲波在鋼管混凝土中的傳播進(jìn)行了試驗(yàn)探究，分析比較了密實(shí)和不同缺陷下聲波接收點(diǎn)時(shí)域圖和頻域圖的不同，找到相對(duì)應(yīng)的一般規(guī)律，在此基礎(chǔ)上可以根據(jù)波形圖直觀地判斷鋼管混凝土內(nèi)部缺陷的種類。

2.通過COMSOL Multiphysics軟件仿真了聲波在密實(shí)和不同缺陷下的鋼管混凝土中的傳播情況，結(jié)果表明不同情況下接收點(diǎn)的聲時(shí)差異較大，同時(shí)同側(cè)法中最佳的測(cè)點(diǎn)間距為4cm～6cm。

3.同一接收點(diǎn)的波形圖整體走勢(shì)大體相同，但由于缺陷的不同，波形圖局部存在明顯的差異；不同接收點(diǎn)的波形圖由于測(cè)點(diǎn)間距的不同，首波聲時(shí)的差異顯著。

4.文中主要是對(duì)圓柱形鋼管混凝土進(jìn)行研究的，預(yù)先設(shè)置了缺陷的大小和位置，在聲波的實(shí)際傳播過程中也并未考慮邊界的影響。這些理想狀態(tài)簡(jiǎn)化了運(yùn)算，給我們的分析提供了便利，但仍與實(shí)際情況有細(xì)微的區(qū)別，今后要力求保持與工程現(xiàn)場(chǎng)情況的吻合。