冲击弹性波检测灌浆缺陷过程的仿真分析

■宋恒扬 李海涛＊ 彭浪鸣 秦健淇 钟 杰

（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都 610041）

进行桥梁建设时，广泛采用的是预应力孔道灌浆混凝土技术，这套技术的安全性与经济性都极为良好。 在建设时，预先对结构施加预压应力，能减弱甚至抵消桥梁在使用过程中出现的拉应力，从而保护桥梁的整体结构不被破坏， 提升耐久性和承载力，延长使用寿命[1]。 此外，对孔道灌浆进行密实度检测也极为重要， 若是孔道灌浆的密实程度不够，就会出现空气和水进入孔道导致钢绞线受到腐蚀的现象，极大地影响桥梁的安全性和耐久性；若是灌浆时质量缺陷，就会导致应力分布不均，直接影响到桥梁的使用寿命，严重的还会造成桥梁崩塌等后果。 基于此，本文采用ABAQUS 建立冲击应力波的检测模型，分析应力波在不同缺陷设置模型中的云图及应力传播过程的规律，论证冲击回波法检测孔道灌浆的可靠性，分析相关影响因素，旨在为工程检测提供参考依据[2]。

1 冲击回波检测的原理

冲击回波定位检测法的原理：利用小钢球或者小锤轻敲梁体外表，从而产生的低频应力波；应力波进入梁体内部之后，就会被存在的结构缺陷（空段部分）或构件的边界面（与外空气的接触界面）反射回来；应力波在多重界面之间来回反射，产生频谱图中识别出来的共振频率，从而推断出的内部缺陷的深度和混凝土厚度。

在无预应力混凝土梁、灌浆混凝土梁以及未灌满浆混凝土梁的3 种状态下冲击回波信号所表现出不同的特征，具体如下（图1）[6]：（1）无预应力管道部分。 这与采用冲击回波法测试混凝土的板厚原理完全一样，如图1（a）所示，公式为FT=As×Vp/（2T），其中As是截面形状系数；（2）孔道灌浆完满、填充密实。 如图1（b）所示，板的厚度响应与无预应力管道的厚度响应相同， 但由于后张预应力筋的存在，板的频率幅值较大，公式为F钢=AsVp/(4d）；（3）孔道灌浆填充不密实。 如图1（c）所示，管道反射频率和板厚频率的变化会随着管道内空洞位置的变化而变化，管道未灌浆情况下的板厚频率比部分灌浆情况下的板厚频率小，波纹管反射峰的频率约为波纹管的2 倍，公式为F钢移=AsVp/(2d）。

图1 不同灌浆状况下冲击回波响应

2 工程概况

本文ABAQUS 所采用的模型结构尺寸为160 cm×18 cm×30 cm，模拟装配式简支小箱梁的模型梁，波纹管规格为Ф55 mm，缺陷类型为长条形。模型未设置钢绞线（和实体模型一致）。 上下波纹管竖向对齐是为探讨检测时相邻波纹管对彼此的影响。缺陷分为100%空段、60%空段、30%空段共3 种缺陷（图2）。模型为混凝土梁，图3 为网格划分和模型剖面示意图。 冲击点建立在每种空段的中间位置，通过应力传播的动态过程，了解不同缺陷状况下应力波的传播路径。 由图4 可知，应力波从模型顶面中心点以圆形的形式向周边匀速传播。

图2 模型结构和缺陷布置

图3 模型网格划分和剖面示意图

图4 模型表面应力冲击示意图

3 有限元仿真计算

3.1 荷载及边界条件

ABAQUS 模型冲击荷载模拟采用的是sinx 形式的函数。 其中，F 的大小随t 的变化如图5 所示。图5 中： 荷载的最大值是1 N；t 是时间从0 变到3e-5s （分析步时间为0.005 s）；F 为某一时刻t 作用力的大小[5]。

图5 半正弦波形式力-时间图

结构在边界上受到的约束称为边界条件。 对模型四周施加无反射边界条件。 钢球敲击产生的半正弦波分别作用于8 个位置（图2），作用点设置如表1所示。

表1 工况1～8 荷载作用点

3.2 模型材料参数取值

有限元模型的构件的材料参数取值如表2所示。

表2 模型材料参数

4 结果分析

4.1 工况1 应力分析

工况1 为金属波纹100%空段中间所对应侧表面设立冲击点，通过观察模型应力等值线图随时间变化的传播情况，了解应力波的传播特征。 图6 可清晰看出应力波绕过缺陷传播的状态[6]。 在离冲击点d=10 cm 的位置得到该点的v-t 函数图（图7）。

图6 工况1 缺陷设置P 波应力云图

图7 工况1 距离冲击点10 cm 波形图

4.2 傅里叶变换处理结果

采用Excel 2010 做出相关傅里叶转换，具体步骤如下：（1）导入数据并处理。将ABAQUS 中模型数据导进Excel，按照2N（N=1，2，3）补全傅里叶变换数据序列，求相应频率值。 （2）调用Excel 模数计算IMABS，然后用模数的2 次方除以数据长度得全部频率谱密度。 （3）绘制频率强度图，主频即为频率强度的最大值。

部分傅里叶变换计算结果如表3 所示，快速傅里叶变换频谱分析图如图8 所示。 从频谱图（图8）可看出有2 个明显的波峰， 模型的厚度频率约为8.3 kHz：金属波纹管孔洞响应频率约为36 kHz。

图8 工况1 快速傅里叶变换频谱分析图

表3 模型工况1 计算结果

FT-move=as·Vp/2Tmove

Fsteel=as·Vp/2d

as=0.96 为截面系数

Vp=3916 m/s 为混凝土传播波速d 为缺陷的深度。

4.3 计算结果分析

综上所述，FFT 频谱分析如图9 所示。 采用上文的计算方法得到缺陷位置， 计算结果如表4 所示。 由表4 知，孔道灌浆填充不密实、孔道未灌浆。当应力波经过含有空段的孔道时，频谱响应图将会产生2 个波峰：一个是弹性波缺陷反射产生的波峰；另一个是应力波绕射到梁底再反射回到测试面产生的频率波峰[7]。

表4 8 种工况计算结果汇总

图9 FFT 频谱分析图

5 结论

本文通过数值仿真的手段建立了3 种灌浆缺陷的模型， 验证冲击回波法检测预应力混凝土梁孔道灌浆的可靠性， 得到以下几点主要结论：（1）对于同一根波纹管，随着空段体积的增加f1增高，距离T 变大；原因在于孔洞变大后，P 波传播绕射的距离变长， 经底面反射回来所测得的距离因此变长。 （2）工况4 和工况8 完全密实，空段为0，板厚计算情况T 接近真实板厚。 （3）缺陷距离约为5.1 cm，接近实际缺陷位置为6 cm；模型中孔洞大小对于测量精度影响不大。（4）对比分析孔洞大小相同， 塑料波纹和金属波纹管测得的距离差别不大，可见波纹管材质对于结果影响较小。 （5）为了规避模型梁侧边界反射波对产生过大的影响，梁体的横向长度一般大于5d（d 为梁厚）。 但建模过程按照实际尺寸建模，势必无法满此条要求，会有横向反射波的干扰； 因此频谱图部分出现了除板厚、缺陷处以外的波峰[8]。