預應力高強度混凝土管樁鋼筋斷裂遠場渦流法數值分析

楊天凱，商 峰，劉 毅

(中國水利水電科學研究院，水電可持續發展研究中心，北京 100038)

預應力高強度混凝土管樁(pre-stressed high-strength concrete pile，PHC)是采用先張預應力離心成型工藝，經高溫高壓蒸汽養護而成的一種空心圓筒型混疑土預制構件，1970年在日本發明使用，1987年引進中國逐漸推廣[1]。PHC管樁具有單樁承載力高、沉樁質量可靠、地質條件適應性強、工程造價低等特點，被廣泛應用于房屋建筑、道路橋梁、機場碼頭、堤壩水閘等工程中。隨著管樁的推廣使用，其耐久性問題也越來越引起重視。2019年8月28日上午，深圳市羅湖區南湖街道漁邨社區和平新居單身公寓樓發生沉降傾斜，經專家組現場研判，初步認為該建筑物基礎屬于灌注摩擦樁型，基底土層較差且下方有暗渠，在常年暗渠水流作用下發生樁身腐蝕和樁周水土流失，最終導致樁基脆性破壞和樓體傾斜沉降。常年處在腐蝕性環境中的管樁，隨時間推移侵蝕性介質會侵入樁內，造成樁身和預應力筋腐蝕，降低管樁承載能力[2]。預應力筋的腐蝕不僅會造成截面損失，而且會導致鋼筋發生應力腐蝕、斷裂，嚴重威脅上部結構。

目前，對在役管樁的安全檢測主要是樁身完整性檢測，陳凡等[3]研究了低應變法檢測時尺寸效應的影響；盧志堂等[4]分析了低應變檢測中的三維效應；李正印等[5-6]研究了低應變法對管樁接頭質量的檢測及對裂縫的檢測效果。低應變法只能檢測首條較大裂縫的反射信號[7]。此外，王永濤等[8]基于聲納回波成像技術提出了管樁缺陷檢測系統；黃陽等[9]利用孔內攝像儀定量化檢測管樁缺陷，但無法適應渾水環境。管樁處于水位變動區和水下易受腐蝕的部分經常檢測不到，因此開展樁內預應力筋的檢測是十分必要的。遠場渦流法是用于檢測鐵磁性管道的重要方法，本文嘗試研究采用遠場渦流法檢測管樁預應力筋的完整性，為下一步研發管樁缺陷檢測設備奠定基礎。

1 遠場渦流檢測基本原理

遠場渦流最早由美國Maclean發表專利提出，隨后Schmidt研制出首款遠場渦流檢測儀[10]。直至20世紀80年代，數值仿真的應用推動了遠場渦流技術的發展，Schmidt等[11]結合能量擴散流的概念，通過數值仿真研究了遠場渦流的機理。1987年，Lord等[12]通過數值仿真發現了“相位節點”和“磁位峽谷”現象。隨著研究深入，遠場渦流檢測技術被廣泛應用于鐵磁性管道的缺陷檢測。

如圖1所示為遠場渦流檢測的原理圖，激勵線圈激發磁場信號，在管內傳播至檢測線圈的稱直接耦合分量，穿過管壁在管外傳播，隨后激發渦流穿回管內的稱間接耦合分量。一般2～3倍管徑以內稱為近場區，以外稱為遠場區，兩者間為過渡區[13]。間接耦合信號兩次穿過管壁攜帶管壁信息，若管壁存在缺陷，檢測線圈接收的磁場信號會有變化，此即遠場渦流檢測技術的依據。所研究管樁與典型鐵磁性管道相比，鋼筋結構稀疏，渦流效應較弱，通過對比不同線圈布置方式和鋼筋斷裂工況來探究磁場信號變化。

2 有限元計算模型

2.1 模型簡介

使用ANSYS軟件進行有限元仿真計算。以PHC450(95)管樁為例，結構尺寸參考規范[14]，如圖2所示。模型長取1 600 mm，管端鋼板與各縱筋接觸。為優化模型網格，鋼筋截面用等面積正方向近似，管樁截面用正八邊形近似。如圖3所示為管樁的有限元模型網格，總網格數約130萬。

圖2 管樁截面及配筋圖Fig.2 Pipe pile section and reinforcement diagram

圖3 管樁模型網格Fig.3 Pipe pile model grid

2.2 模型參數

模型底部設置對稱邊界，外域5倍管徑d設置輻射邊界，鋼筋及鋼板設置渦流效應。激勵源為電流10 A，頻率71 Hz的正弦波。鋼筋斷裂取20 mm設置為混凝土材料來模擬，相關材料參數取值如表1所示。

表1 模型電磁學參數Table 1 Model electromagnetic parameters

3 工況說明及結果分析

管樁內主筋是縱向預應力鋼筋，同等條件下比較容易發生銹蝕，且斷裂時對管樁危害極大。因此，數值計算工作主要圍繞縱筋，對比不同斷裂位置及取值線之間的差別，同時也對比了縱筋箍筋斷裂的不同工況。遠場渦流的基本現象，磁感應強度在近場區迅速衰減，到遠場后逐漸平穩，相位在近場區很平穩，在遠場缺陷部位有明顯波動。

圖4 管內激勵不同斷筋工況計算結果Fig.4 Calculation results of different broken bars in the pipe

3.1 管內激勵源，對比縱筋箍筋斷裂

激勵線圈位于管內與管同軸布置，對比四組工況：工況1，完好管樁；工況2，縱筋距線圈頂部2d處斷1根；工況3，箍筋在靠近縱筋斷開處斷3根；工況4，縱筋、箍筋都斷，同工況2、3。記磁感應強度沿管徑方向的分量為Br，管長方向為Bz，分析管內靠近斷筋處的磁感應強度沿管長方向的變化，結果如圖4所示，其中相位差指各工況與工況1的相位差值。

分析圖4得到：①Br幅值和Bz幅值在近場隨軸向距離的增加迅速衰減，在遠場逐漸趨于平穩。有縱筋斷裂時在斷筋位置二者幅值有微弱變化，箍筋斷裂則幾乎沒有影響；②鋼筋的斷裂會引起相位分布曲線的變化。縱筋斷裂引起的Br相位從1.5d處發生波動，峰谷差值約10°，Bz相位變化較小，峰谷差值約2°；箍筋斷裂引起的Br相位從2d處發生波動，并始終保持在完好管樁曲線之上，相位差峰谷差值約4°，Bz相位則幾乎不變；對于工況4，Br相位和Bz相位曲線變化近場區靠近工況2，遠場區靠近工況3。不難看出鋼筋斷裂時Br相位變化顯著大于Bz相位，近遠場分界大致在1.5d；③結合圖4(e)、圖4(f)分析，在3.5d內縱筋和箍筋同時斷裂時與縱筋和箍筋分別斷裂時疊加的相位差值曲線基本吻合，說明縱筋和箍筋斷裂對相位差的影響是可以疊加的，對比圖4(g)、圖4(h)管端無鋼板的計算結果，可見3.5d以外兩者分散是受到管端鋼板的影響。

計算結果顯示，鋼筋斷裂時引起的磁場信號變化較小，這是由于管樁鋼筋結構稀疏，鋼筋表面渦流效應較弱，不過傳感器技術的發展使得微弱的變化量也能被檢測到。故Br相位對于檢測縱筋和箍筋來說，變化量都足夠大，能被檢測到，且其變化趨勢有明顯的區別。Bz相位對于檢測箍筋幾乎無效，對于縱筋檢測來說，變化量小，實際檢測可能測不到。Br幅值和Bz幅值變化較大時可考慮用于檢測縱筋斷裂。

3.2 管內激勵源，對比不同環向角度取值

激勵線圈位于管內與管同軸布置，縱筋距線圈頂部2d處斷一根，定義環向角度為取值線與鋼筋斷裂處所在半徑的夾角。對比靠近管內壁不同環向角度取值線對應的磁感應強度變化，結果如圖5所示。

圖5 管內激勵不同環向角度取值線Fig.5 Value line of different toroidal angles in pipe

分析圖5得到：①僅0°取值線對應的Br幅值、Bz幅值和Bz相位曲線在斷筋位置有微小波動，各取值線的Bz幅值、Bz相位曲線基本重合，對稱位置0°和180°、45°和135°取值線的Br幅值曲線重合；②隨環向角度增大，Br相位曲線在斷筋處的波動迅速減小，45°取值線顯示的信號波動在實際中就很難檢測到，說明鋼筋斷裂引起磁場變化的影響范圍很小。分析結果表明，在實際檢測中需要檢測線圈靠近斷筋處才能檢測到比較明顯的信號變化。

3.3 管外激勵源，對比縱筋箍筋斷裂

考慮到管樁在役階段檢測設備多半不能進入到管樁內部，只能在樁外檢測，因此分析激勵線圈位于管外的情況。激勵線圈與縱筋1同直徑沿管軸向布置，取值線與激勵線圈同軸。對比同3.1節四組工況，斷筋位置由2d變為3d，結果如圖6所示。

圖6 管外激勵不同斷筋工況計算結果Fig.6 Calculation results of different breaking conditions of steel bars under external excitation

分析圖6得到：①Br幅值在1.5d內的近場區信號雜亂，整體迅速下降，在1.5d處略微上升后緩慢下降，不同工況間差異極小，各工況Bz幅值曲線則完全重合，均不適合用作檢測指標；②Br相位在斷筋位置的波動變化顯著大于Bz相位，且不同工況差異明顯，峰谷差值分別約為縱筋斷時5°、箍筋斷時6°、縱筋箍筋都斷時12°，能夠檢測到；③分析相位差曲線，管外檢測時縱筋和箍筋斷裂對相位差的影響同樣具有疊加效應。分析結果表明，激勵源位于管外時，僅Br相位比較適合作為檢測指標。

3.4 管外激勵源，對比不同環向角度斷縱筋

激勵線圈與取值線布置同3.3節，縱筋在3d處斷裂，定義環向角度為鋼筋斷裂處與激勵線圈所在半徑的夾角。對比不同環向角度處縱筋斷裂導致的磁場變化，結果如圖7所示。圖7中縱筋1對應0°，縱筋2對應45°，依此類推。

圖7 管外激勵不同環向角度斷縱筋Fig.7 External excitation of longitudinal bar breaking at different circumferential angles

圖8 管外激勵斷不同根數縱筋Fig.8 External excitation of breaking different number of longitudinal bars

分析圖7得到：不同環向位置斷縱筋，Br幅值和Bz幅值幾乎無差別，Bz相位變化也很小。Br相位曲線雖有差別但不大，僅0°斷筋波動較明顯。分析結果表明，在管外加激勵源檢測時，僅能檢測到距離較近的鋼筋斷裂引起的磁場信號變化。

3.5 管外激勵源，對比斷不同根數縱筋

激勵線圈與取值線布置同3.3節，縱筋在3d處斷裂。對比從縱筋1開始依次斷不同根數時磁場信號變化，結果如圖8所示。圖8中斷1根指斷縱筋1，斷2根指斷縱筋1、2，以此類推。

分析圖8得到：斷不同根數縱筋時，Br幅值和Bz幅值曲線幾乎一致，Bz相位變化也很小。Br相位則表現為斷開縱筋根數越多，曲線整體越靠下，但峰谷差值均在4°～5°范圍內，難以區分斷裂根數。分析結果表明，遠離激勵源的鋼筋斷裂對檢測信號的波動影響不大。

4 結論

應用三維電磁場有限元方法嘗試將遠場渦流檢測應用于PHC管樁鋼筋完整性檢測。研究了不同工況下PHC管樁的遠場渦流效應，得出以下結論。

(1)管內激勵源，Br相位可用作鋼筋斷裂的檢測指標，Br幅值和Bz幅值可用于判斷是否有縱筋斷裂，且檢測線圈靠近斷裂處才能獲取相對明顯的信號變化。

(2)管外激勵源，僅Br相位適合用作檢測指標，環向位置越靠近激勵源的縱筋斷裂引起的信號變化越明顯，遠離激勵源的鋼筋斷裂對檢測結果影響不大。

(3)與典型鐵磁性管道相比，管樁鋼筋結構稀疏，利用遠場渦流技術得到的信號變化雖小，但也能被獲取。對于目前管樁鋼筋完整性檢測方面的欠缺，該方法值得深入研究。

研究結果表明，檢測設備靠近鋼筋斷裂環向位置才能檢測到相對明顯的磁場變化，下一步研究將探索鋼筋斷裂環向位置的檢測方法。