基于ANSYS的橋梁樁基無損檢測方法研究

鐘日堅

(東莞市交業(yè)工程質量檢測有限公司,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、樁身有嚴重缺陷。在橋梁樁基施工結束后,必須檢查其完整性,且檢測時常用聲波透射法、低應變法等無損檢測方法。為了提升橋梁樁基檢測模擬質量,應對其檢測原理進行分析[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,且應力波在樁體中傳播的不受周圍巖土體的干擾,其計算模型見圖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,樁截面不變,軸向應力沿截面均勻分布,應力波長>樁基橫向尺寸,且樁體內各質點的應力、應變符合胡克定律,具體計算見公式(1)

(1)

式中:?u/?x為計算單元的應變,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,此時反射波系數Rr和透射波系數Rt計算可按公式(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n>1時,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n<1時,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變法。

2.1 ANSYS軟件簡介

ANSYS軟件的核心思想是將橋梁樁基結構當做離散單元的組合,對各個離散單元展開分析。ANSYS軟件由預處理(preference)、分析計算(preference)、后處理(postproc)三個模塊組成,其中預處理模塊的建模功能強大,且網格劃分細致;分析計算模塊能模擬各種物理介質的相互作用,開展結構分析、動力學分析等;后處理模塊主要是以圖表、曲線等形式展示或輸出計算結果。

利用ANSYS軟件模擬橋梁樁基檢測需用到“瞬態(tài)動力學分析”,也叫“時間-歷程分析”。ANSYS軟件中內置的瞬態(tài)動力學分析法主要有完全法(FULL)、縮減法(REDUCED)、模態(tài)疊加法。結合相關研究成果,本文擬選用完全法來模擬橋梁樁基結構的某一點在任意載荷作用下的力學響應[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預處理。結合設計圖紙建立橋梁樁基實體模型(命令流與GUI相結合建模),將分析類型設置為structural,定義材料屬性,劃分單位網格,并輸入檢測項目名稱、檢測人員、檢測時間等基本信息;②加載和求解。橋梁樁基實體模型建立好后,在適當位置定義荷載步和荷載子步(荷載增量要盡量小一些),使用求解器計算模型;③后處理。ANSYS軟件中有通用后處理器和時間-歷程后處理器兩種,本文利用時間-歷程后處理器,得到瞬態(tài)分析后模型中任意節(jié)點速度隨時間的變化,以分析應力波在橋梁樁基中的傳播規(guī)律。

(2)定義單元類型

橋梁樁基結構分析時常用的單元類型有solid45、shell63、targe170等,其中solid45單元可用于模擬橋梁主體結構,shel163用于模擬橋面鋪裝結構,targe170模擬樁基周圍巖土體。同時,樁基與周圍巖土體的接觸面設置為面面接觸,即樁基外表面網格與樁周土內表面網格相互接觸,以提高計算準確性。

(3)計算參數

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。下部結構包括蓋梁、墩柱、承臺、樁基礎等,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,樁基礎為鉆孔灌注樁,樁徑2.4 m,樁長15 m。同時,低應變法檢測樁基時,樁體積周圍巖土體都是處于彈性狀態(tài)。根據橋梁施工圖設計參數,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)網格劃分

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

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

圖2 橋梁樁基無損檢測有限元模型

3 橋梁樁基低應變檢測模擬

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果的準確性及波形分辨度至關重要。《公路工程基樁檢測技術規(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,以盡量減少應力波的衰減。然而對于運營中的橋梁,難以在樁頂直接施加激振力,需結合在役橋梁的實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,可考慮在墩柱一側施加激振力。

(2)激振力

利用低應變法檢查樁基完整性時,是通過小錘敲擊樁頂獲得激振力。根據相關研究成果,升余弦脈沖(反余弦波曲線)能夠較好地模擬小錘錘擊樁頂的任意時刻的瞬態(tài)縱向激振力P(t),見公式(4)[8]

式中:T為激振力作用時間,s;I為激振力峰值,N。

在實際橋梁樁基檢測項目中,瞬時激振力作用時間約1s,激振力峰值約1N,代入上式中可得到激振力時程曲線,其中橫坐標為激振力時間、縱坐標為激振力大小,如圖3所示。

圖3 橋梁樁基激振力時程曲線

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

3.2 橋梁樁基低應變模擬

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,產生應力波反射現象。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、擴徑、端樁等缺陷。

(1)樁基縮徑缺陷模擬

模擬工況為單點縮徑缺陷,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。相對于完整樁基的時程曲線而言,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。這是因為應力波從大阻抗截面向小阻抗截面?zhèn)鞑?且縮徑處所產生的反射波和上部結構產生的反射波共同疊加。

(2)樁基擴徑缺陷模擬

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

由計算結果可知:橋梁擴徑樁基存在首峰時間一致地反射波峰,且在首峰后產生了反向反射波。由于擴徑截面以上的結構影響,在0.020 s處產生擴徑反射,應力波波形呈“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,擴徑樁基在Y方向的加速度時程曲線表現較好,而X方向和Z方向的加速度變化不明顯。因此,在橋梁樁基實際檢測項目中,為了提高檢測結果的準確性,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構和樁周巖土體所產生的干擾波從樁基檢測波形中過濾掉,以準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構的完整樁基信號S1;(2)獲取有樁周巖土體和上部結構的完整樁基信號S2;(3)獲取有樁周巖土體和上部結構的缺陷樁基信號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計算模型的檢測信號,但可通過利用其內置的變量列表功能(variable list)得到某一信號曲線在任意時刻的加速度值,并復制到新建txt文件中。隨后MATLAB軟件將數據導入,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。

4 結 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,主要得到以下結論:(1)橋梁樁基無損檢測是基于一維波動方程,應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果分析可利用反射波系數Rr和透射波系數Rt;(3)運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,激振力可用升余弦脈沖;(4)為了準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構和樁周巖土體的對波形的干擾。