建筑幕墻龍骨缺陷壓電超聲導波檢測的仿真與試驗

周宇軒 高崇亮 程 超 王 波 曹亞軍 高勇勇

中建深圳裝飾有限公司 廣東 深圳 518023

隨著建筑領域的高速發展，國內建筑幕墻行業從20世紀80年代發展至今，已經超過30 a。外圍護結構和支撐結構設計使用年限為25 a，最早一批的建筑幕墻服役已經超過設計使用年限[1]。另外，早期的結構設計已經不完全滿足現行標準，施工工藝落后，矩形鋼管等支撐材料防銹處理不到位，導致發生銹蝕，結構性退化嚴重影響幕墻結構的安全[2]。

矩形鋼管與其他斷面形式的鋼管相比，在同等抗彎強度[3]、抗扭強度[4]時，具有質量較輕的特點，被廣泛應用于建筑、機械等土木工程中。

作為幕墻結構主要受力材料之一，矩形鋼管主要是起承擔外圍面板連接土建主體的作用，為確保幕墻主體結構的安全，對矩形鋼管進行定期結構檢測是十分必要的。常規的檢測方式有超聲檢測技術[5]、內窺鏡檢測技術[6]和電阻法檢測技術[7]手段，其中超聲檢測技術具有靈敏度高、操作方便和長距離檢測等優點，且幕墻龍骨架可以隱藏在面板后。

本文采用超聲導波檢測方法對矩形管進行檢測分析。首先，利用有限元仿真分析矩形鋼管導波傳播特性和頻散曲線；然后，通過試驗分析，比對不同模態的導波，在矩形鋼管的傳播特點以及損傷對傳播的影響，并確定PZT壓電片的位置。試驗結果表明，采用A0模態的導波更適用于矩形管中面損傷的檢測。

1 超聲導波的基本原理

1.1導波的特性

頻散是超聲導波的固有特性，主要表現為相速度和群速度的不一致性。在單一頻率下，導波的傳播速度稱為導波的相速度，而群速度即波群傳播能量的速度。其分別如式（1）、式（2）、式（3）所示：

1.2檢測原理

探頭發出一束超聲能量脈沖在管道中傳播時，導波傳輸過程中遇到缺陷會發生反射、透射和模態轉換，缺陷在徑向截面上有一定的面積，產生攜帶結構缺陷信息的反射波，對接收的信號待定指標進行分析，即可判斷缺陷大小及位置。缺陷檢測原理如圖1所示。

圖1 管道的長距離超聲導波檢測原理示意

2 矩形管仿真

2.1矩形管結構有限元仿真建模

本文采用Ansys商業軟件進行建模，設置矩形管尺寸為60 mm×80 mm×1 000 mm，壁厚為4 mm；邊界條件采用一端固定，一端自由的形式，模型劃分單元采用Solid185單元。矩形管的4個角采用的是1/4的圓環，內徑為2 mm，外徑為4 mm。矩形管材料的密度為7 850 kg/m3，彈性模量為205 GPa，泊松比為0.28。同時，建立尺寸為6 mm×6 mm× 2 mm的模擬壓電片，激勵信號采用中心頻率為120 kHz，經漢寧窗調制的5周期信號，表達式如式（5）所示：

縱波L（0，2）在頻率為120 kHz時可看作非頻散。同時，若取連續信號作為激勵，由于其在管道中傳播的復雜性，多次疊加、反射、折射后，會使接收信號十分復雜，不能提供有效的分析。因此，選用漢寧窗調制的5周期120 kHz正弦信號激勵縱向模態導波，矩形管的頻散曲線如圖2所示。

圖2 矩形管的頻散曲線

2.2導波在矩形管結構中傳播的仿真

如圖3所示，矩形管模型的4個面分別為S1、S2、S3、S4。在尺寸為60 mm×80 mm×1 000 mm的矩形管模型S1面上，分別在端部（自由端）、距自由端0.25、0.50、0.75m和固定端處布置壓電片，依次對應圖4中的0、1、2、3、4號壓電片。其中端部（自由端）的壓電片作為激勵壓電片，其余作為接收壓電片。

圖3 矩形管各面標記示意

圖4 0—4號壓電片布置示意

對激勵壓電片施加電壓信號，模擬對PZT晶片的激勵，并在不同位置處壓電片接收到的信號（圖5）。

如圖5（a）所示，在距自由端0.25 m處信號中，可發現2個模態波包。經計算，第1個波包的傳播速度為4 630 m/s，第2個波包的傳播速度為3 027m/s。

如圖5（b）所示，在距自由端0.50 m處信號中，第1個模態波包幅值較低，傳播速度為5 208 m/s；第2個波包的傳播速度經計算為3 019 m/s。

如圖5（c）所示，在距自由端0.75 m處信號中，第1個模態波包幅值較低，傳播速度為4 808 m/s，而第2個模態波包則是與其他模態的波包產生信號重疊，不能區分。在固定端壓電片接收的信號如圖5（d）所示，發現不同模態波包之間的重疊，難以對每個波包進行識別。

圖5 不同位置處接收壓電片的接收信號

從不同位置的壓電片接收到的信號中，可以發現透射的模態導波和由于邊界反射的模態導波均存在不同程度的重疊。由于復雜的邊界反射使得接收信號變得復雜，難以從中有效識別不同模態的波包。

2.3矩形管結構中面損傷的模擬

在原有模型的矩形管S1面中線上設置損傷，損傷為長10 mm、寬2 mm、深4 mm的損傷通孔，該損傷距自由端0.40 m。矩形管4個面中間距自由端10 mm處各布置1個壓電片（接收壓電片），壓電片布置如圖6所示，面損傷如圖7所示。

圖6 壓電片布置示意

圖7 面損傷示意

此外，共設計4種激勵方式，接收方式不變，具體方案如下。

1）A方案：在S1面的自由端中間處布置激勵壓電片；

2）B方案：在S2面的自由端中間處布置激勵壓電片；

3）C方案：在S1面的自由端中間處內外兩側中間布置激勵壓電片，激勵反向信號；

4）D方案：在S2面的自由端中間處內外兩側中間布置激勵壓電片，激勵反向信號。

首先，分別采用A、B方案，在激勵壓電片上施加電壓信號，4個接收壓電片接收到的信號分別如圖8（a）、圖8（b）所示。

圖8 A、B方案中各壓電片接收的信號

根據矩形管的對稱性，分別對S1a和S2b、S1b和S2a、S3a和S3b、S4a和S4b進行做差處理，得到的差信號如圖9所示。

圖9 A、B方案所得的差信號圖

從差信號中可以看出，只有S1a和S2b的差信號能夠明顯識別出缺陷反射的波包。其中第一個波包幅值較低，難以識別。將該差信號進行放大如圖10所示。經計算，第1個波包的傳播速度為4 324 m/s，第2個波包的傳播速度為3 046 m/s。

圖10 放大后的S1a和S2b差信號

接著，采用C、D方案對帶有損傷的矩形管進行研究。C、D方案均激勵反對稱的信號如圖11（a）、(b)所示，其接收信號S1c、S2d的差信號如圖11（c）所示。

圖11 S1c、S2接收的信號以及差信號

從差信號中可以看出，S1c和S2d的差信號能夠明顯識別出缺陷反射的波包。經計算，第1個波包的傳播速度為3 014m/s。信號結果得出，在反對稱激勵情況下得到的缺陷波包傳播速度與單發單收條件下接收信號的第2個模態波包的傳播速度相近，從而也驗證了后者即為板中A0模態的波包。

通過對損傷對矩形管導波的影響的數值模擬研究，發現S0模態的缺陷波包的幅值始終小于A0模態的缺陷波包，從而說明A0模態的導波更適用于矩形管中面損傷的檢測。因復雜邊界條件的影響，在導波在矩形管中傳播產生的多個波包中，由于不同模態的波包之間存在速度差，所以在本研究中損傷距離自由端越遠，通過該方法檢測出來的A0模態的波包就越容易識別出來。

3 試驗結果與分析

試件為長度1.5 m，截面80 mm×60 mm×4 mm矩形管，端頭放置壓電片，在中間750 mm處有長50 mm、深5 mm的刻槽缺陷。

先用60、70 kHz作為激勵信號檢測無缺陷面，檢測信號如圖12所示，后分別采用50、55、60、70 kHz作為激勵信號，檢測缺陷面，信號如圖13所示。

圖12 在無損面的檢測信號

圖13 在刻槽缺陷面的檢測信號

試驗結果表明：

1）根據60 kHz和70 kHz的端部回波峰值計算出的波包的傳播速度，分別為2 462 m/s和2 486 m/s，這與4 mm鋼板中A0模態的傳播速度接近。因此，可說明單片壓電片激發的矩形管中A0模態幅值更為明顯，而S0模態不容易識別出來。

2）嘗試不同頻率激勵，在低頻激勵（50～60 kHz）時，損傷回波幅值明顯，而隨著頻率的增加損傷回波并不明顯。同時，也根據損傷波包峰值計算了損傷的位置，與實際位置相比，僅差3～4 cm。

4 結語

1）在采取單發單收的情況下，傳感器之間的距離在0.50 m范圍內能夠識別出接收信號前2個模態波包，并計算其傳播速度。而隨著距離的增加，不同模態波包之間的重疊也越來越嚴重。

2）對矩形管可采用50～70 kHz頻率激勵作為激勵源，檢測結果產生有效的回波和缺陷信號，并隨著頻率的增加，缺陷信號越明顯。

3）本文的結果為利用超聲導波技術進行矩形管的無損檢測提供新的思路。