基于ANSYS的橋梁樁基無損檢測方法研究

鐘日堅(jiān)

(東莞市交業(yè)工程質(zhì)量檢測有限公司,廣東 東莞 523000)

1 橋梁樁基無損檢測基本理論

橋梁樁基是由水泥、砂石、水等組成的一種多向材料。由《公路工程基樁檢測技術(shù)規(guī)程》(JTGT 3512—2020)可知,基樁按樁身完整性劃分為I類樁、II類樁、III類樁、IV類樁,對應(yīng)的分類原則分別為樁身完整、樁身基本完整但有輕度缺陷、樁身有明顯缺陷、樁身有嚴(yán)重缺陷。在橋梁樁基施工結(jié)束后,必須檢查其完整性,且檢測時(shí)常用聲波透射法、低應(yīng)變法等無損檢測方法。為了提升橋梁樁基檢測模擬質(zhì)量,應(yīng)對其檢測原理進(jìn)行分析[2]。

1.1 一維波動方程

橋梁樁基可視為均勻、連續(xù)、各向同性的線彈性桿件,其無損檢測是基于一維波動方程,且應(yīng)力波在樁體中傳播的不受周圍巖土體的干擾,其計(jì)算模型見圖1[3]。

圖1 橋梁樁基一維桿件模型

橋梁基樁樁體在受到瞬態(tài)激振作用時(shí),樁截面不變,軸向應(yīng)力沿截面均勻分布,應(yīng)力波長>樁基橫向尺寸,且樁體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變符合胡克定律,具體計(jì)算見公式(1)

(1)

式中:?u/?x為計(jì)算單元的應(yīng)變,無量綱;A為樁體截面積,m2;E為樁體混凝土彈性模量,MPa;F為激振力,kN。

1.2 測試樁身質(zhì)量原理

如果彈性波在傳播過程中遇到樁體阻抗變化,波的傳播規(guī)律也發(fā)生變化,此時(shí)反射波系數(shù)Rr和透射波系數(shù)Rt計(jì)算可按公式(2)和公式(3)

(2)

式中:Z1、Z2為分別為變截面上部和下部的阻抗;n為阻抗比。

當(dāng)n=1,Rr=0,表示界面不存在阻抗不同或截面不同材料,無反射波;當(dāng)n>1時(shí),Rr>0,波從高阻抗材料向低阻抗材料或從大截面向小截面?zhèn)鞑?當(dāng)n<1時(shí),Rr<0,波從低阻抗材料向高阻抗材料或從小截面向大截面?zhèn)鞑ァＭㄟ^分析橋梁樁基檢測波波形是否存在上述情況,來判定樁身缺陷類型[4]。

2 橋梁樁基無損檢測模型建立

利用大型通用有限元軟件ANSYS15.0來建立計(jì)算模型,模擬橋梁樁基的各種缺陷和最佳激振和檢測位置,模擬的檢測方法為低應(yīng)變法。

2.1 ANSYS軟件簡介

ANSYS軟件的核心思想是將橋梁樁基結(jié)構(gòu)當(dāng)做離散單元的組合,對各個(gè)離散單元展開分析。ANSYS軟件由預(yù)處理(preference)、分析計(jì)算(preference)、后處理(postproc)三個(gè)模塊組成,其中預(yù)處理模塊的建模功能強(qiáng)大,且網(wǎng)格劃分細(xì)致;分析計(jì)算模塊能模擬各種物理介質(zhì)的相互作用,開展結(jié)構(gòu)分析、動力學(xué)分析等;后處理模塊主要是以圖表、曲線等形式展示或輸出計(jì)算結(jié)果。

利用ANSYS軟件模擬橋梁樁基檢測需用到“瞬態(tài)動力學(xué)分析”,也叫“時(shí)間-歷程分析”。ANSYS軟件中內(nèi)置的瞬態(tài)動力學(xué)分析法主要有完全法(FULL)、縮減法(REDUCED)、模態(tài)疊加法。結(jié)合相關(guān)研究成果,本文擬選用完全法來模擬橋梁樁基結(jié)構(gòu)的某一點(diǎn)在任意載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)[5]。

2.2 橋梁樁基模型建立

(1)建模流程

由上可知,利用ANSYS軟件建立橋梁樁基模型的過程可分為三步[6]:①預(yù)處理。結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙建立橋梁樁基實(shí)體模型(命令流與GUI相結(jié)合建模),將分析類型設(shè)置為structural,定義材料屬性,劃分單位網(wǎng)格,并輸入檢測項(xiàng)目名稱、檢測人員、檢測時(shí)間等基本信息;②加載和求解。橋梁樁基實(shí)體模型建立好后,在適當(dāng)位置定義荷載步和荷載子步(荷載增量要盡量小一些),使用求解器計(jì)算模型;③后處理。ANSYS軟件中有通用后處理器和時(shí)間-歷程后處理器兩種,本文利用時(shí)間-歷程后處理器,得到瞬態(tài)分析后模型中任意節(jié)點(diǎn)速度隨時(shí)間的變化,以分析應(yīng)力波在橋梁樁基中的傳播規(guī)律。

(2)定義單元類型

橋梁樁基結(jié)構(gòu)分析時(shí)常用的單元類型有solid45、shell63、targe170等,其中solid45單元可用于模擬橋梁主體結(jié)構(gòu),shel163用于模擬橋面鋪裝結(jié)構(gòu),targe170模擬樁基周圍巖土體。同時(shí),樁基與周圍巖土體的接觸面設(shè)置為面面接觸,即樁基外表面網(wǎng)格與樁周土內(nèi)表面網(wǎng)格相互接觸,以提高計(jì)算準(zhǔn)確性。

(3)計(jì)算參數(shù)

研究對象為單箱單室等截面箱形簡支橋梁,橋梁長度90 m,跨徑組合為(25+40+25)m,箱梁梁高1.6 m,懸臂長4.0 m,跨中頂板厚30 cm,底板厚20 cm,跨中腹板厚45 cm。下部結(jié)構(gòu)包括蓋梁、墩柱、承臺、樁基礎(chǔ)等,其中蓋梁高1 m,墩柱為雙柱墩,承臺尺寸為3 m×8.6 m×1 m,樁基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁,樁徑2.4 m,樁長15 m。同時(shí),低應(yīng)變法檢測樁基時(shí),樁體積周圍巖土體都是處于彈性狀態(tài)。根據(jù)橋梁施工圖設(shè)計(jì)參數(shù),樁基混凝土材料密度取2 550 kg/m3、彈性模量取3.2×1010N/m2、泊松比取0.2;樁側(cè)土密度取1 600 kg/m3、彈性模量取2.5×108N/m2、泊松比取0.35。

(4)網(wǎng)格劃分

一般情況下,橋梁樁基網(wǎng)格尺寸越小、網(wǎng)格數(shù)量越多,計(jì)算結(jié)果越精確,但計(jì)算效率越低下。反之,橋梁樁基的計(jì)算結(jié)果不能滿足工程需求。因此,在劃分橋梁模型網(wǎng)格時(shí)要綜合考慮計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算速度[7]。橋梁計(jì)算模型的網(wǎng)格類型取六面體單元,樁基網(wǎng)格尺寸適當(dāng)加密,取0.5 m,其它部位網(wǎng)格尺寸取0.5 m。

ANSYS軟件中的網(wǎng)格劃分方法有自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分兩種,本文選擇自由網(wǎng)格劃分法,共劃分出9 896個(gè)單元、10 228個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖2所示。需注意,為了保證模擬的準(zhǔn)確性,在波傳播方向上的每個(gè)波長至少要有20個(gè)單元。

圖2 橋梁樁基無損檢測有限元模型

3 橋梁樁基低應(yīng)變檢測模擬

3.1 模擬方法探討

(1)激振位置

合理的激振位置及信號接收位置對橋梁樁基檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性及波形分辨度至關(guān)重要?！豆饭こ袒鶚稒z測技術(shù)規(guī)程》(JTGT 3512—2020),新建橋梁的的樁基檢測激振位置一般選在樁頂中心,傳感器則安裝在距樁心2/3處,以盡量減少應(yīng)力波的衰減。然而對于運(yùn)營中的橋梁,難以在樁頂直接施加激振力,需結(jié)合在役橋梁的實(shí)際情況來確定最佳激振及檢測位置。

對于高承臺樁基,承臺底位于地面以上,可借鑒樁頂激振方法,將激振位置設(shè)置在承臺頂端;對于低承臺樁基,樁基全部埋入土中,可考慮在墩柱一側(cè)施加激振力。

(2)激振力

利用低應(yīng)變法檢查樁基完整性時(shí),是通過小錘敲擊樁頂獲得激振力。根據(jù)相關(guān)研究成果,升余弦脈沖(反余弦波曲線)能夠較好地模擬小錘錘擊樁頂?shù)娜我鈺r(shí)刻的瞬態(tài)縱向激振力P(t),見公式(4)[8]

式中:T為激振力作用時(shí)間,s;I為激振力峰值,N。

在實(shí)際橋梁樁基檢測項(xiàng)目中,瞬時(shí)激振力作用時(shí)間約1s,激振力峰值約1N,代入上式中可得到激振力時(shí)程曲線,其中橫坐標(biāo)為激振力時(shí)間、縱坐標(biāo)為激振力大小,如圖3所示。

圖3 橋梁樁基激振力時(shí)程曲線

由圖3可知:橋梁樁基上的激振力隨著激振時(shí)間的增加先增加后減小。當(dāng)激振時(shí)間達(dá)到0.000 85 s,激振力達(dá)到峰值1N。同時(shí),當(dāng)激振時(shí)間超過0.005 1 s,激振力無限趨近于0。這表明,此時(shí)小錘敲擊對橋梁樁基的應(yīng)力波傳播基本無影響。

3.2 橋梁樁基低應(yīng)變模擬

由樁的傳播特性可知,樁身截面或材料發(fā)生變化后,截面的阻抗會發(fā)生變化,產(chǎn)生應(yīng)力波反射現(xiàn)象。為了更好的分析缺陷樁基的波形分布,利用ANSYS軟件模擬了縮徑、擴(kuò)徑、端樁等缺陷。

(1)樁基縮徑缺陷模擬

模擬工況為單點(diǎn)縮徑缺陷,縮徑位置在樁基底端,縮徑截面大小取完整樁基的10%～20%,縮徑長度取3 m,激振位置在橋墩一側(cè)。相對于完整樁基的時(shí)程曲線而言,縮徑樁基在X方向的首峰幅值差異不大,Y方向和Z方向的首峰幅值差異較大。這是因?yàn)閼?yīng)力波從大阻抗截面向小阻抗截面?zhèn)鞑?且縮徑處所產(chǎn)生的反射波和上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反射波共同疊加。

(2)樁基擴(kuò)徑缺陷模擬

擴(kuò)徑也是橋梁樁基中常見的缺陷之一。模擬工況為單點(diǎn)擴(kuò)徑,擴(kuò)徑位置在距樁底8～12 m處,擴(kuò)擴(kuò)徑樁基的長度取10 m。此外,激振力和激振位置與縮徑試驗(yàn)相同。

由計(jì)算結(jié)果可知:橋梁擴(kuò)徑樁基存在首峰時(shí)間一致地反射波峰,且在首峰后產(chǎn)生了反向反射波。由于擴(kuò)徑截面以上的結(jié)構(gòu)影響,在0.020 s處產(chǎn)生擴(kuò)徑反射,應(yīng)力波波形呈“先波峰后波谷”趨勢,與縮徑反射波趨勢恰好相反。從加速度來看,擴(kuò)徑樁基在Y方向的加速度時(shí)程曲線表現(xiàn)較好,而X方向和Z方向的加速度變化不明顯。因此,在橋梁樁基實(shí)際檢測項(xiàng)目中,為了提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性,建議采用橫波,不宜使用干擾較大、衰減速度快的縱波。

3.3 橋梁樁基缺陷信號分析

相對于新建樁基,在役橋梁樁基檢測應(yīng)力波受到的干擾較大,波形分析難度大。為了解決這一問題,可使用“波形信號分離”法,即采用一定的方法將上部結(jié)構(gòu)和樁周巖土體所產(chǎn)生的干擾波從樁基檢測波形中過濾掉,以準(zhǔn)確判定橋梁樁基的完整性。

橋梁樁基檢測信號分析的具體方法為:(1)獲取無樁周巖土體和上部結(jié)構(gòu)的完整樁基信號S1;(2)獲取有樁周巖土體和上部結(jié)構(gòu)的完整樁基信號S2;(3)獲取有樁周巖土體和上部結(jié)構(gòu)的缺陷樁基信號S3;(4)采用波形信號分析法,將信號S1從信號S2中分離,得到信號S4=S2-S1;(5)將信號S4從信號S3中分離,得到不受任何干擾的缺陷樁基檢測信號S5=S3-S4。

ANSYS軟件不能直接濾除多個(gè)計(jì)算模型的檢測信號,但可通過利用其內(nèi)置的變量列表功能(variable list)得到某一信號曲線在任意時(shí)刻的加速度值,并復(fù)制到新建txt文件中。隨后MATLAB軟件將數(shù)據(jù)導(dǎo)入,完成橋梁樁基檢測信號的分離,作為樁基完整性檢測的依據(jù)。

4 結(jié) 論

基于有限元軟件ANSYS分析了橋梁樁基無損檢測理論、檢測模型建立方法、樁基缺陷模擬及檢測信號分離方法,主要得到以下結(jié)論:(1)橋梁樁基無損檢測是基于一維波動方程,應(yīng)力波在樁體中傳播過程中如阻抗變化,波的傳播規(guī)律也隨之改變;(2)橋梁樁基缺陷檢測結(jié)果分析可利用反射波系數(shù)Rr和透射波系數(shù)Rt;(3)運(yùn)營中的橋梁難以在樁頂直接施加激振力,一般激振位置選擇在承臺頂或墩柱一側(cè),激振力可用升余弦脈沖;(4)為了準(zhǔn)確檢測橋梁樁基完整性,可利用波形信號分離法濾除橋梁上部結(jié)構(gòu)和樁周巖土體的對波形的干擾。