含缺陷平板冲击回波响应的数值模拟和实验研究

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后张法预应力结构在现代工程中得到了大量的应用,箱梁是其中应用最广泛的一类结构。该结构制作过程中需要预留孔道,并在张拉后压注水泥浆。但这种类型的结构的耐久性近年来引发了人们的质疑。国内外大量的工程实践和事故表明,孔道注浆不密实、浆体强度过低是后张法结构中较为普遍的问题,长久将导致预应力钢绞线锈蚀、断面锐减、断丝等,最终造成结构预应力的损失,严重影响结构可靠性,甚至引起结构失效或垮塌。   冲击回波法作为新型的弹性波检测手段,被应用到预应力孔道注浆饱满度的无损评价上。该法首先将一个瞬时的应力冲击混凝土结构的表面。在冲击点的附近设置一个宽频的位移传感器用来记录首波、反射波和震荡波产生的竖向位移。冲击回波方法产生的瞬时应力波包括P波、S波、R波(表面波),R波在物体表面传播,P波和S波在物体内部传播,遇到缺陷或分界面时发生反射,当反射波返回到物体表面时,就产生了位移,并被传感器接收到,形成时间-位移信号曲线,即时域信号。时域信号需经过快速傅里叶变换(FFT)转换成频域信号,最后对频域信号主频进行分析,判断混凝土结构的健康状况。   本文主要通过数值模拟和现场实验两种手段,阐述了冲击回波的原理,分析了冲击回波频谱的各种影响因素,对冲击回波在含不同缺陷的平板中传播的现象和规律进行了研究,总结了一系列规律和结论。   在数值模拟实验中,设置了多种不同类型的模型,用二维有限元法研究了尺寸效应、板厚、孔道深度、相邻孔道、不同注浆密实度等因素对冲击回波主频的影响,同时还研究了孔道的影响范围。数值模拟的结果包括弹性波在各种模型中的传播动态过程、模拟传感器的时域信号、频域信号、主频特征、自振频率。   在现场实验中,利用工程中应用较多的后张法预应力结构--箱梁进行实验,共测试了100多片各式箱梁,计200多个测区,得到了大量丰富的实验数据。实验结果分析时,不但考虑了板厚、孔道深度、孔道/板厚、注浆缺陷等对主频的影响,同时实测了平板表面上,主频受孔道影响的范围;而且特别地考虑了不同注浆龄期对主频的影响,为以后的应用指明了注浆后的最佳测试时间。然后根据测区中各测点的主频进行成像,图像中可清楚分辨出管道的位置,通过本研究总结的规律,判断孔道的注浆质量。实验中一些箱梁判定为缺陷,凿开后验证为空洞,并给出了相应的照片。   数值模拟和现场实验的结果非常一致,说明数值模拟实验应用于冲击回波法研究中是可行的,并且结果可信。   本文的研究成果已经基本满足了后张法预应力结构注浆质量评价的要求,但实际应用还处在定性评价的阶段,还有一些有待解决的问题.
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