Page 86 - 无损检测2021年第五期

刘鹏飞, 等:

钢管混凝土构件的介质多相性及导波检测

1 介质多相性引起的导波回波信号变化

钢管混凝土构件中, 混凝土骨料的粒径是随机
分布的, 试验条件很难直接控制这一变量, 但试验结
果却会受到这种随机分布的影响。基于伍君勇 [ 5 ] 对
混凝土结构细观模型进行的研究, 笔者将混凝土看
作一种复合材料, 其由砂浆和骨料组成, 具 有多相
性。由此, 创建钢管混凝土构件的有限元分析模型。
1.1 骨料层密度对导波传播的影响 图 3 不同骨料层的导波回波信号( 放大后)
选用solid单元( 一种有限元单元类型), 外层为 多。即便如此, 相对于发射信号和回波信号的幅值
钢材, 内层为混凝土材料, 两者间以tie ( 一种接触方 骨料反射回波幅值极小。
式) 连接, 模型全程处于弹性阶段。钢管混凝土模型 1.2 骨料含量对导波传播的影响
为研究骨料含量的变化导致的导波回波信号的
长为 3200mm , 直径为 100mm , 壁厚为 5mm 。
混凝土构件中骨料和缺陷的存在都会使导波的 变化, 在 ABAQUS 软件中创建混凝土构件的二维
传播路径发生变化, 引起导波散射和能量耗散。为 模型, 通过改变骨料面积占比来模拟骨料的含量。

研究骨料层密度的变化导致的导波回波信 号的变 基于 MonteCarlo 方法, 以骨料面积占比为指
标, 假定混凝土构件中骨料的分布和粒径均为随机
化, 在砂浆中按不同密度布置骨 料层来进行模拟。
单一骨料层和骨料层整体分布如图 1 所示。以构件 的 [ 6 ] , 生 成 骨 料 面 积 占 比 分 别 为 0% , 20% , 25% ,
轴线与截面的交点为圆心, 在直径为 90mm 的范围 30% , 35% , 40% , 45% 和 50% 的混凝土构件模型,

在 ABAQUS 软件中导入这些模型, 创建随机圆形
内进行导波激励, 激励频率为 10kHz , 导波信号为
骨料模型。图 4 为骨料面积占比分别为 0% , 30% ,
汉宁窗调制信号, 提取到的响应信号如图 2 所示。
40% 和 50% 的混凝土构件模型, 图 5 为模型加载的
示意图。

图 1 单一骨科层和骨科层整体分布示意

图 4 不同骨料面积占比的模型

图 5 模型加载示意
在不同骨料面积占比的随机圆形骨料模型的顶
部提取 响 应 信 号 进 行 分 析。 以 骨 料 面 积 占 比 为
30% 的模型为例模拟导波传播的过程, 其在各时刻
图 2 不同骨料层的导波回波信号
由图 2 可知, 对于整体信号而言, 骨料层的密 的响应云图如图 6 所示。
度变化导致的信号变化非常小。为研究不同骨料 从图 6 可以看出, 初始状态下试件整体处于零
层密度的影响, 放大信号的平稳段, 得到如图 3 所 响应状态。导波信号从试件的顶端出发, 随着时间
增长, 导波沿试件轴向传播, 并与试件边界和内部骨
示的信号。
由图 3 可知, 随着骨料层密度增大, 骨料反射回 料相互作用, 内部响应情况逐渐复杂。导波到达试
波幅值逐渐增大, 提取信号中包含的骨料信息也增 件底端后, 开始反向传播, 并最终返回到试件顶端。
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2021 年 第 43 卷 第 5 期

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