冲击回波法混凝土缺陷检测的数值模拟.pdf
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1、江苏建筑 2 0 1 6年第 1 期 ( 总第 1 7 4期 ) 冲击回波法混凝土缺陷检测的数值漠拟 焦严令 , 韩晓健 , 何文俊 ( 南京工业大学土木工程学院, 江苏南京 2 1 1 8 1 6 ; z 中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司, 陕西西安 7 1 2 0 0 0 ) 摘 要 运用A B A Q U S有限元软件对带有不同尺寸孔洞的混凝土模型的瞬态冲击过程进行瞬态响应模拟,得到各尺寸 孔洞下模型表面的冲击响应 时程 曲线 计算混凝土模型的波速, 通过 F I T 变换 , 分析孔洞的横向尺寸及其与深度 比值对模型 厚度及其孔洞深度检测精度 的影 响。最后 , 文
2、章给 出了最 小可检孔洞应满足 的条件 , 以及孔洞对构件厚度检测的影 响程度 。 【 关键词 仿真分析; 冲击回波法; 混凝土结构; 缺陷模拟 【 中图分类号】 T U 3 7 5 【 文献标识码】 A 【 文章 - 1 1 0 0 5 6 2 7 0 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 4 4 - 0 3 Nu me r i c a l S i mu l a t i n g o f I mp a c t - Ec h o M e t h o d o n t h e De f e c t s o f Co n c r e t e S t r u c t u r e J I A O Y a
3、 n l i n g H A N X i a o - j i a n H E We n - j u n ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g , N a n j i n g T E C H U n i v e r s i t y , N a n j i n g J i a n g s u 2 1 1 8 1 6 C h i n a ; 2 C h a n g q i n g D o w n h o l e T e c h n o l o g y S e r v i c e C o mp a n y o f CNP C C h u
4、a n q i n g Dri l l i n g E n g i n e e rin g Co , L t d , Xi a n S h a a n x i 7 1 2 0 0 0 C h i n a ) A b s t r a c t : F i n i t e e l e m e n t s o f t w a r e A B A Q U S i s u s e d t o s i m u l a t e t h e t r a n s i e n t r e s p o n s e o f t h e c o n c r e t e s t r u c t u r e mo d e l
5、 wi t h d i f f e r e n t s i z e h o l e s t r a n s i e n t p r o c e s s o f i mp a c t I mp u l s e r e s p o n s e t i me h i s t o r y c u r v e s a r e o b t a i n e d i n t h e s u r f a c e o f t h e c o n c r e t e s t r u c t u r e mo d e l w i t h d i f f e r e n t s i z e h o l e s T h
6、e n , t h e P - v e l o c i t y c a n b e c a l c u l a t e d B y t h e F f T r t r a n s f o r ma t i o n a n a l y z i n g t h e d e t e c t i o n p r e c i s i o n i n t h e t h i c k n e s s o f t h e mo d e l a n d t h e d e p t h o f h o l e s h a s b e e n i n f l u e n c e d b y t h e l a t
7、e r a l d i me n s i o n o f t h e h o l e s a n d t h e d e p t h r a t i o F i n a l l y ,t h e p a p e r p u t f o r w a r d t h e c o r r e s p o n d i n g c o n d i t i o n o n t h e mi n i mu m d e t e c t a b l e h o l e s a n d t h e e f f e c t o f h o l e s o n t h e d e t e c t i o n p r
8、e c i s i o n o f t h e t h i c k n e s s o f t h e mo d e 1 Ke y wo r d s :s i mu l i n g a n a l y s i s ; i mp a c t - e c h o me t h o d ; c o n c r e t e s t ruc t u r e ; d e f e c t s i mu l a t i o n 0前 言 随着我 国社会 的高速发展 混凝土材料大量 的应用 于 基 础设施建设 中 由于设计缺 陷和施工质量控制不严 导致 混凝 土结构 在养护 阶段 和正常使 用阶段不可避免 的产
9、生 了 裂缝 、 蜂窝 、 孔洞 、 磨损和侵蚀等各种缺陷 。 这些缺陷严重的 危害了整个结构的可靠性 、 使用性和耐久性 , 已经成 为全世 界关注的问题 混凝土结构内部缺陷的无损检测方法 目前主要运用超 声法 、 冲击回波法【 1 和探地雷达法 。其 中冲击 回波法是2 0 世 纪8 0 年代发展起来 的无损检测技术 。它是基于弹性波与混 凝土结构边界 和内部缺 陷部位相互作用产生共振 由共振 频率得到混凝 土结构厚 度 、缺陷位置 和表面开 口裂纹深 度 的无 损检测方 法 目前 冲击 回波法 的研究 主要集 中在 以下4 个领 域 ( 1 ) 运用有 限元分析手段 模 拟弹性波在不 同
10、形状和尺 寸的混凝土结构 中的传播 了解应力波在混凝土结构 中的 传播规律和缺陷处 的回波特征 为实验研 究提供理论依 据 比较典 型的案例就是对 陈栅子大桥T 梁梁肋裂缝 的有限元 数值模拟4 1 ( 2 ) 对冲击源的选择及研究 , 选择小钢球作为冲击源 因 小钢球产生的应力波波形轮廓清晰 便于后期对信号的处理 并且可以通过调整钢球的直径产生不同频率范围的应力波 ( 3 ) 从时域波形的分析到频 域图谱的分析 , 在频谱 图上 可 以清晰 的分辨 出结构底 部 和内部 缺陷处 产生 的共 振频 率 通过不 同的共振频率可 以得到不 同缺陷的位置 和深 度 为冲击 回波检测仪器的实用化提供理
11、论依据。 ( 4 ) 使用 高灵 敏度 的传感器 。 准确的测定结构层表 面的 垂直振动 。 其 中 运用有限元软件对弹性波在混凝土结构 中的传 播 规律进行模 拟 是 目前研究 冲击 回波法工作原理 的主要 手段 目前 主要运 用A B A O U S tz l 、 L S D Y N A 和MS C MA R C t 【 收稿日 $ 1 1 2 0 1 5 0 9 2 5 作者简介】 焦 严 令 ,( 1 9 8 9 一 ) , 南 京 工 业 大 学 土 木 工 程 学 院 , 硕 士 研 究 生 主 要 从 事 无 损 检 测 技 术 应 用 研 究 。 学兔兔 w w w .x u
12、e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 6年第 1 期 ( 总第 1 7 4期 ) 4 S 等软件 。而A B A Q U S 是一款功能强大 的有限元分析软件 可 以对各种类型线性 和非线性 问题进行模拟 分析。A B A Q U E x p l i c i t 嗣 是其2 个核心求解 器之一 , 采用显示 动力学有 限元 格式 , 非常适合 用于模拟 短暂 、 瞬时的动态事件 。冲击回波 实验 的核心就是锤击实验 , 是一个 瞬态响应的问题 。因此 J E x p l i c i t 分析步可以很好的模拟这一过程 本 文针对 冲击 回波 法最小 可探 测 缺陷 的问题 开展
13、 研 究 。 设计不 同横 向尺寸和深度 的孔 洞 运用A B A Q U S 有限元 软件模拟 弹性 波在该混凝土构件 中的传播规律 通 过频谱 分析识别混凝 土构件 中的缺 陷位 置 1 冲击回波法基本原理 用小 锤或冲击器 作为激振 源敲击混凝 土构件 表面 产 生应力波 。 该应力波分为压缩波( P 波 ) 、 剪切波 ( S 波 ) 和表面 波 ( R 波 ) 。如图1 所示 。 应力波 在混凝土构 件内和表 面传 播 时 。 当遇 到声阻抗有 明显差异的分界 面 将发生反射 、 绕 射 和折射现象 返回构件表面引起表面振 动 这样应力 波在混 凝土表面 和声阻抗分界 面来 回传播
14、。置于 冲击点 附近的传 感器接收 到结构表 面的来 回振动 , 得到时间一位移波形 图 通过 快速傅里叶变换( r r I 9 得到频谱 图 从 频谱 图上 可以得 到结构厚度 和缺 陷的频率信息 鲁 量 基 图 1 冲击 回波测试原理 在激发的应力 波中纵波传播 速度 最快 引起结构表面 的振幅最大 , 因此 , 冲击 回波法利用的主要 是纵波 。则频谱 图上的峰值频率与构件厚度或缺陷的关系如下 : = 式中的D为构件厚度或内部孔 洞深度 ; C 为构件 中纵波 传播的速度; 肭 频谱图中与构件厚度或内部孔洞相对应的 峰值频率 ; 为声 速修 正系数 , 通常为0 9 6 【 】 主要 考
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