基于ANSYS的在役橋梁樁基無損檢測方法及檢測波形分析

黃種發(fā)

(健研檢測集團(tuán)有限公司,福建 廈門 361000)

ANSYS是一款廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域的有限元分析軟件平臺(tái),可提供全面的仿真解決方案,核心是有限元分析技術(shù),可模擬分析各種復(fù)雜的物理現(xiàn)象及工程問題。ANSYS平臺(tái)具有友好的界面及豐富的求解器庫,可進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分、加載設(shè)定及結(jié)果處理,支持多種仿真方法及耦合分析,可用于結(jié)構(gòu)分析、流體力學(xué)、電磁場分析、熱分析中。

1 在役橋梁樁無損檢測方法

1.1 低應(yīng)變反射波法(小應(yīng)變)

低應(yīng)變反射波法(小應(yīng)變)是基于彈性理論和應(yīng)變條件下的楊氏模量線性關(guān)系(如圖1)。在橋梁樁基無損檢測中[1],需施加一個(gè)較小的應(yīng)變荷載,如使用動(dòng)力壓實(shí)裝置施加振動(dòng)或沖擊荷載,在樁基中布設(shè)合理的傳感器,捕獲反射波信號,這些反射波信號包括橋梁樁基內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息,根據(jù)反射波信號特征[2]對其進(jìn)行處理分析[3],推斷出橋梁樁基的力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征,如分析波形的振幅、頻率及相位等參數(shù),獲取樁基的楊氏模量、剪切模量及泊松比等力學(xué)參數(shù)。對這些參數(shù)進(jìn)行分析評估,判斷樁基的穩(wěn)定性及承載能力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。低應(yīng)變反射波法具有操作簡便[4]、響應(yīng)靈敏、非破壞性等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于橋梁樁基的無損檢測中。實(shí)際應(yīng)用中,需綜合考慮多種因素,以提高該方法的精度及可靠性。

圖1 橋梁樁基低應(yīng)變反射波法Fig.1 Low strain reflection wave method forbridge pile foundation

1.2 超聲波檢測

橋梁樁基超聲波檢測是一種非破壞性檢測方法[5],主要用于評估橋梁樁基的結(jié)構(gòu)及損傷情況,利用超聲波在材料中的傳播及反射特性,測量超聲波的傳播時(shí)間及幅值變化,獲得樁基內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息(如圖2)。橋梁樁基超聲波檢測法能夠覆蓋樁基的各個(gè)部位,檢測潛在的內(nèi)部缺陷。該方法操作簡便,無需對橋梁進(jìn)行拆卸,可在橋梁正常使用狀態(tài)下進(jìn)行,檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠,能夠提供詳細(xì)的結(jié)構(gòu)評估結(jié)果并定位損傷,為橋梁工程評估、維護(hù)及改進(jìn)提供重要的技術(shù)支持。

圖2 橋梁樁基超聲波檢測法Fig.2 Ultrasonic testing method of bridge pile foundation

1.3 高應(yīng)變檢測

高應(yīng)變檢測的基本原理是在樁頂滯后軸向上施加一種沖擊力,使樁體具有一定的貫入度,從而對樁體的顆粒應(yīng)力、加速度等進(jìn)行測量,利用波動(dòng)理論對單樁豎向抗承載力、樁體完整性進(jìn)行判斷(如圖3)。在樁身設(shè)計(jì)中采用重錘錘擊樁頂部,使樁與土有一定的相對位移量,達(dá)到充分激發(fā)樁周土阻抗、提高其承載能力的目的。

圖3 橋梁樁基高應(yīng)變檢測Fig.3 High strain detection of bridge pile foundation

從樁的移動(dòng)方向來看,有向下移動(dòng)和向上移動(dòng)。人們習(xí)慣于將樁身的受壓(不管是內(nèi)力、應(yīng)力還是應(yīng)變)視為正面,將樁身的受拉視為負(fù)面,視向下移動(dòng)為正值(位移、速度或加速度),視向上移動(dòng)為負(fù)值(負(fù)值)。由于應(yīng)力波沿樁身傳播時(shí)會(huì)發(fā)生非常復(fù)雜的透射與反射現(xiàn)象,故必須將不同類型的應(yīng)力波分為上、下兩類。因?yàn)橄滦胁ǖ膫鞑シ较蚺c預(yù)定的前進(jìn)方向相吻合,所以在下行波的影響下,正向的力(壓力)會(huì)發(fā)生正的移動(dòng),負(fù)向的力(牽引力)會(huì)發(fā)生負(fù)的移動(dòng)。上行波則截然相反,上行波的壓力波(力的正號)會(huì)引起樁身的反向移動(dòng),而上行波的拉力(力的負(fù)號)會(huì)引起樁身的正向移動(dòng)。當(dāng)有樁側(cè)摩阻力或樁身斷面急劇變大時(shí),錘擊引起的壓力波會(huì)向下傳遞,從而形成一種壓力同波,這種壓力會(huì)返回到樁頂,導(dǎo)致樁頂受力增大或減小。在樁身斷面急劇減小或存在負(fù)摩擦力的地方,向下的壓力波會(huì)在樁身中形成一條拉回波,當(dāng)拉應(yīng)力波反沖到樁頂后,會(huì)引起樁頂應(yīng)力的降低或增大,只要掌握了這個(gè)基本原理,就能依據(jù)測量得到的壓力波形與流速曲線之間的變化關(guān)系對樁的各種狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷。

2 ANSYS在橋梁樁基無損檢測中的應(yīng)用

2.1 樁基結(jié)構(gòu)模擬與分析

ANSYS可用于建立樁基有限元模型,進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。通過模擬樁基在不同荷載條件下的響應(yīng),評估其結(jié)構(gòu)的受力性能、變形特征及可能存在的缺陷。ANSYS還可進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的后處理及驗(yàn)證。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對,評估模型的準(zhǔn)確性及可靠性。如果模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,說明模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測材料的破壞行為。如果存在較大差異,則需進(jìn)一步調(diào)整模型參數(shù)或改進(jìn)模型以提高預(yù)測精度。通過改變材料參數(shù)、試驗(yàn)條件或結(jié)構(gòu)形式等,評估這些因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響,確定最佳的材料組合、結(jié)構(gòu)形式及加載條件,提高材料及結(jié)構(gòu)性能。

圖4為橋梁平面布局,橋面寬度為 8000 mm,主要結(jié)構(gòu)由梁和板材料(橋面材料厚度為 12 mm)組成。梁截面分為 5 種,其中主拱及副梁的截面為300 mm×650 mm,橋面主梁回的截面為850 mm×300 mm,主拱拉梁及橫梁圖的截面90 mm×50 mm,副拱立柱圖的截面為280 mm×280 mm,橋面橫梁的截面為600 mm×300 mm。橋面材料的彈性模量為8=1.6×10 MPa,泊松比為 0.35,其他梁材料的彈性模量為E=2.06×10 Mpa,泊松比為 0.3。

圖4 橋梁結(jié)構(gòu)(單位:mm)Fig.4 Bridge structure(mm)

分析橋梁在橋面均布荷0.005 MPa吸自重作用下的變形及應(yīng)力分布特點(diǎn),如圖5所示。

2.2 樁基振動(dòng)分析

ANSYS可模擬樁基在受到外界激勵(lì)(如交通載荷、地震等)時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)。通過比較實(shí)測振動(dòng)數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果,可判斷樁基的健康狀況。使用ANSYS進(jìn)行振動(dòng)分析,可評估橋梁樁基結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,為橋梁設(shè)計(jì)、評估及維護(hù)提供重要的工程支持。ANSYS可模擬橋梁樁基在不同荷載條件下的自由振動(dòng)及強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)。通過建立準(zhǔn)確的有限元模型,考慮材料的物理特性、邊界條件及加載情況,獲得樁基的模態(tài)頻率、振型及振幅等信息。這對于確定橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率、分析橋梁的振動(dòng)特性及共振問題非常重要。

ANSYS可模擬樁基在外部激勵(lì)下的響應(yīng),如交通載荷、地震波等。將實(shí)際加載條件引入模型可預(yù)測橋梁樁基的動(dòng)態(tài)響應(yīng),包括位移、加速度及應(yīng)力等。這些分析結(jié)果可用于評估橋梁的結(jié)構(gòu)安全性,確定可能的疲勞損傷及共振問題。通過識別及分析橋梁的主要振動(dòng)模態(tài),確定可能存在的問題區(qū)域及薄弱部位。響應(yīng)分析可幫助人們了解樁基在不同頻率下的振動(dòng)響應(yīng),為后續(xù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

2.3 載荷測試數(shù)據(jù)解釋

ANSYS可用來解釋測試數(shù)據(jù),通過與模擬結(jié)果的對比,確定樁基材料性質(zhì)、剛度狀況及可能存在的缺陷。還可用于解釋實(shí)測載荷測試數(shù)據(jù)中的位移、應(yīng)力及變形等參數(shù),通過建立準(zhǔn)確的有限元模型,根據(jù)實(shí)際荷載條件進(jìn)行加載,模擬橋梁樁基在測試期間的響應(yīng)。將模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比,驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,確定測試數(shù)據(jù)的可靠性。ANSYS有助于理解及評估載荷測試數(shù)據(jù)中的異?，F(xiàn)象及行為。如果實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果存在較大差異或不符合預(yù)期,說明可能存在樁基結(jié)構(gòu)缺陷、損傷或異常情況。通過進(jìn)一步分析模擬結(jié)果,可推斷樁基的健康狀況,如定位可能的缺陷區(qū)域,評估損傷程度,提出修復(fù)或加固建議。

ANSYS可用于反演分析,即利用實(shí)測載荷測試數(shù)據(jù)來推導(dǎo)樁基結(jié)構(gòu)的材料特性及剛度狀況。與模擬結(jié)果進(jìn)行對比,確定樁基材料參數(shù),如彈性模量、剪切模量等,進(jìn)而評估橋梁樁基結(jié)構(gòu)的整體性能。ANSYS在橋梁樁基載荷測試數(shù)據(jù)解釋方面發(fā)揮著重要作用,可解讀實(shí)測數(shù)據(jù),分析橋梁樁基的響應(yīng)及行為,保障橋梁的結(jié)構(gòu)安全。

2.4 缺陷檢測與評估

ANSYS可結(jié)合樁基實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析,評估樁基結(jié)構(gòu)中存在的缺陷或損傷。通過比較實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果,定位樁基中的缺陷位置、類型及程度,提供修復(fù)建議?？赡M橋梁樁基中常見的缺陷類型,如裂縫、腐蝕、局部損傷等,將這些缺陷引入有限元模型,分析樁基的響應(yīng),確定缺陷對結(jié)構(gòu)的影響。例如,模擬裂縫在加載下的開啟及擴(kuò)展過程,評估其對樁基剛度及強(qiáng)度的影響。

ANSYS可以進(jìn)行缺陷評估,即分析缺陷對樁基應(yīng)力集中情況及疲勞壽命的影響。通過模擬不同荷載條件下的加載響應(yīng),推斷缺陷處的應(yīng)力集中區(qū)域,評估這些區(qū)域的疲勞壽命,以確定缺陷的危害程度,優(yōu)化維修方案,制定合理的檢測及監(jiān)測策略。將實(shí)測數(shù)據(jù)輸入模型,與模擬結(jié)果進(jìn)行匹配,推斷橋梁樁基中可能存在的缺陷位置及類型,為后續(xù)維修及修復(fù)提供參考。

2.5 破壞性試驗(yàn)預(yù)測

ANSYS可模擬橋梁樁基破壞性試驗(yàn),預(yù)測樁基在不同加載條件下的破壞形態(tài)及承載能力,評估樁基設(shè)計(jì)的合理性。破壞性試驗(yàn)是評估材料與結(jié)構(gòu)性能的常用方法之一,ANSYS可通過建立準(zhǔn)確的有限元模型模擬試驗(yàn)過程并預(yù)測試樣的破壞行為。通過輸入材料特性及加載條件,如荷載、應(yīng)變速率等,分析材料在試驗(yàn)中的力學(xué)行為。模擬結(jié)果可提供應(yīng)力、應(yīng)變、變形等參數(shù)的分布情況。