预应力高强度混凝土管桩钢筋断裂远场涡流法数值分析

杨天凯，商 峰，刘 毅

(中国水利水电科学研究院，水电可持续发展研究中心，北京 100038)

预应力高强度混凝土管桩(pre-stressed high-strength concrete pile，PHC)是采用先张预应力离心成型工艺，经高温高压蒸汽养护而成的一种空心圆筒型混疑土预制构件，1970年在日本发明使用，1987年引进中国逐渐推广[1]。PHC管桩具有单桩承载力高、沉桩质量可靠、地质条件适应性强、工程造价低等特点，被广泛应用于房屋建筑、道路桥梁、机场码头、堤坝水闸等工程中。随着管桩的推广使用，其耐久性问题也越来越引起重视。2019年8月28日上午，深圳市罗湖区南湖街道渔邨社区和平新居单身公寓楼发生沉降倾斜，经专家组现场研判，初步认为该建筑物基础属于灌注摩擦桩型，基底土层较差且下方有暗渠，在常年暗渠水流作用下发生桩身腐蚀和桩周水土流失，最终导致桩基脆性破坏和楼体倾斜沉降。常年处在腐蚀性环境中的管桩，随时间推移侵蚀性介质会侵入桩内，造成桩身和预应力筋腐蚀，降低管桩承载能力[2]。预应力筋的腐蚀不仅会造成截面损失，而且会导致钢筋发生应力腐蚀、断裂，严重威胁上部结构。

目前，对在役管桩的安全检测主要是桩身完整性检测，陈凡等[3]研究了低应变法检测时尺寸效应的影响；卢志堂等[4]分析了低应变检测中的三维效应；李正印等[5-6]研究了低应变法对管桩接头质量的检测及对裂缝的检测效果。低应变法只能检测首条较大裂缝的反射信号[7]。此外，王永涛等[8]基于声纳回波成像技术提出了管桩缺陷检测系统；黄阳等[9]利用孔内摄像仪定量化检测管桩缺陷，但无法适应浑水环境。管桩处于水位变动区和水下易受腐蚀的部分经常检测不到，因此开展桩内预应力筋的检测是十分必要的。远场涡流法是用于检测铁磁性管道的重要方法，本文尝试研究采用远场涡流法检测管桩预应力筋的完整性，为下一步研发管桩缺陷检测设备奠定基础。

1 远场涡流检测基本原理

远场涡流最早由美国Maclean发表专利提出，随后Schmidt研制出首款远场涡流检测仪[10]。直至20世纪80年代，数值仿真的应用推动了远场涡流技术的发展，Schmidt等[11]结合能量扩散流的概念，通过数值仿真研究了远场涡流的机理。1987年，Lord等[12]通过数值仿真发现了“相位节点”和“磁位峡谷”现象。随着研究深入，远场涡流检测技术被广泛应用于铁磁性管道的缺陷检测。

如图1所示为远场涡流检测的原理图，激励线圈激发磁场信号，在管内传播至检测线圈的称直接耦合分量，穿过管壁在管外传播，随后激发涡流穿回管内的称间接耦合分量。一般2～3倍管径以内称为近场区，以外称为远场区，两者间为过渡区[13]。间接耦合信号两次穿过管壁携带管壁信息，若管壁存在缺陷，检测线圈接收的磁场信号会有变化，此即远场涡流检测技术的依据。所研究管桩与典型铁磁性管道相比，钢筋结构稀疏，涡流效应较弱，通过对比不同线圈布置方式和钢筋断裂工况来探究磁场信号变化。

2 有限元计算模型

2.1 模型简介

使用ANSYS软件进行有限元仿真计算。以PHC450(95)管桩为例，结构尺寸参考规范[14]，如图2所示。模型长取1 600 mm，管端钢板与各纵筋接触。为优化模型网格，钢筋截面用等面积正方向近似，管桩截面用正八边形近似。如图3所示为管桩的有限元模型网格，总网格数约130万。

图2 管桩截面及配筋图Fig.2 Pipe pile section and reinforcement diagram

图3 管桩模型网格Fig.3 Pipe pile model grid

2.2 模型参数

模型底部设置对称边界，外域5倍管径d设置辐射边界，钢筋及钢板设置涡流效应。激励源为电流10 A，频率71 Hz的正弦波。钢筋断裂取20 mm设置为混凝土材料来模拟，相关材料参数取值如表1所示。

表1 模型电磁学参数Table 1 Model electromagnetic parameters

3 工况说明及结果分析

管桩内主筋是纵向预应力钢筋，同等条件下比较容易发生锈蚀，且断裂时对管桩危害极大。因此，数值计算工作主要围绕纵筋，对比不同断裂位置及取值线之间的差别，同时也对比了纵筋箍筋断裂的不同工况。远场涡流的基本现象，磁感应强度在近场区迅速衰减，到远场后逐渐平稳，相位在近场区很平稳，在远场缺陷部位有明显波动。

图4 管内激励不同断筋工况计算结果Fig.4 Calculation results of different broken bars in the pipe

3.1 管内激励源，对比纵筋箍筋断裂

激励线圈位于管内与管同轴布置，对比四组工况：工况1，完好管桩；工况2，纵筋距线圈顶部2d处断1根；工况3，箍筋在靠近纵筋断开处断3根；工况4，纵筋、箍筋都断，同工况2、3。记磁感应强度沿管径方向的分量为Br，管长方向为Bz，分析管内靠近断筋处的磁感应强度沿管长方向的变化，结果如图4所示，其中相位差指各工况与工况1的相位差值。

分析图4得到：①Br幅值和Bz幅值在近场随轴向距离的增加迅速衰减，在远场逐渐趋于平稳。有纵筋断裂时在断筋位置二者幅值有微弱变化，箍筋断裂则几乎没有影响；②钢筋的断裂会引起相位分布曲线的变化。纵筋断裂引起的Br相位从1.5d处发生波动，峰谷差值约10°，Bz相位变化较小，峰谷差值约2°；箍筋断裂引起的Br相位从2d处发生波动，并始终保持在完好管桩曲线之上，相位差峰谷差值约4°，Bz相位则几乎不变；对于工况4，Br相位和Bz相位曲线变化近场区靠近工况2，远场区靠近工况3。不难看出钢筋断裂时Br相位变化显著大于Bz相位，近远场分界大致在1.5d；③结合图4(e)、图4(f)分析，在3.5d内纵筋和箍筋同时断裂时与纵筋和箍筋分别断裂时叠加的相位差值曲线基本吻合，说明纵筋和箍筋断裂对相位差的影响是可以叠加的，对比图4(g)、图4(h)管端无钢板的计算结果，可见3.5d以外两者分散是受到管端钢板的影响。

计算结果显示，钢筋断裂时引起的磁场信号变化较小，这是由于管桩钢筋结构稀疏，钢筋表面涡流效应较弱，不过传感器技术的发展使得微弱的变化量也能被检测到。故Br相位对于检测纵筋和箍筋来说，变化量都足够大，能被检测到，且其变化趋势有明显的区别。Bz相位对于检测箍筋几乎无效，对于纵筋检测来说，变化量小，实际检测可能测不到。Br幅值和Bz幅值变化较大时可考虑用于检测纵筋断裂。

3.2 管内激励源，对比不同环向角度取值

激励线圈位于管内与管同轴布置，纵筋距线圈顶部2d处断一根，定义环向角度为取值线与钢筋断裂处所在半径的夹角。对比靠近管内壁不同环向角度取值线对应的磁感应强度变化，结果如图5所示。

图5 管内激励不同环向角度取值线Fig.5 Value line of different toroidal angles in pipe

分析图5得到：①仅0°取值线对应的Br幅值、Bz幅值和Bz相位曲线在断筋位置有微小波动，各取值线的Bz幅值、Bz相位曲线基本重合，对称位置0°和180°、45°和135°取值线的Br幅值曲线重合；②随环向角度增大，Br相位曲线在断筋处的波动迅速减小，45°取值线显示的信号波动在实际中就很难检测到，说明钢筋断裂引起磁场变化的影响范围很小。分析结果表明，在实际检测中需要检测线圈靠近断筋处才能检测到比较明显的信号变化。

3.3 管外激励源，对比纵筋箍筋断裂

考虑到管桩在役阶段检测设备多半不能进入到管桩内部，只能在桩外检测，因此分析激励线圈位于管外的情况。激励线圈与纵筋1同直径沿管轴向布置，取值线与激励线圈同轴。对比同3.1节四组工况，断筋位置由2d变为3d，结果如图6所示。

图6 管外激励不同断筋工况计算结果Fig.6 Calculation results of different breaking conditions of steel bars under external excitation

分析图6得到：①Br幅值在1.5d内的近场区信号杂乱，整体迅速下降，在1.5d处略微上升后缓慢下降，不同工况间差异极小，各工况Bz幅值曲线则完全重合，均不适合用作检测指标；②Br相位在断筋位置的波动变化显著大于Bz相位，且不同工况差异明显，峰谷差值分别约为纵筋断时5°、箍筋断时6°、纵筋箍筋都断时12°，能够检测到；③分析相位差曲线，管外检测时纵筋和箍筋断裂对相位差的影响同样具有叠加效应。分析结果表明，激励源位于管外时，仅Br相位比较适合作为检测指标。

3.4 管外激励源，对比不同环向角度断纵筋

激励线圈与取值线布置同3.3节，纵筋在3d处断裂，定义环向角度为钢筋断裂处与激励线圈所在半径的夹角。对比不同环向角度处纵筋断裂导致的磁场变化，结果如图7所示。图7中纵筋1对应0°，纵筋2对应45°，依此类推。

图7 管外激励不同环向角度断纵筋Fig.7 External excitation of longitudinal bar breaking at different circumferential angles

图8 管外激励断不同根数纵筋Fig.8 External excitation of breaking different number of longitudinal bars

分析图7得到：不同环向位置断纵筋，Br幅值和Bz幅值几乎无差别，Bz相位变化也很小。Br相位曲线虽有差别但不大，仅0°断筋波动较明显。分析结果表明，在管外加激励源检测时，仅能检测到距离较近的钢筋断裂引起的磁场信号变化。

3.5 管外激励源，对比断不同根数纵筋

激励线圈与取值线布置同3.3节，纵筋在3d处断裂。对比从纵筋1开始依次断不同根数时磁场信号变化，结果如图8所示。图8中断1根指断纵筋1，断2根指断纵筋1、2，以此类推。

分析图8得到：断不同根数纵筋时，Br幅值和Bz幅值曲线几乎一致，Bz相位变化也很小。Br相位则表现为断开纵筋根数越多，曲线整体越靠下，但峰谷差值均在4°～5°范围内，难以区分断裂根数。分析结果表明，远离激励源的钢筋断裂对检测信号的波动影响不大。

4 结论

应用三维电磁场有限元方法尝试将远场涡流检测应用于PHC管桩钢筋完整性检测。研究了不同工况下PHC管桩的远场涡流效应，得出以下结论。

(1)管内激励源，Br相位可用作钢筋断裂的检测指标，Br幅值和Bz幅值可用于判断是否有纵筋断裂，且检测线圈靠近断裂处才能获取相对明显的信号变化。

(2)管外激励源，仅Br相位适合用作检测指标，环向位置越靠近激励源的纵筋断裂引起的信号变化越明显，远离激励源的钢筋断裂对检测结果影响不大。

(3)与典型铁磁性管道相比，管桩钢筋结构稀疏，利用远场涡流技术得到的信号变化虽小，但也能被获取。对于目前管桩钢筋完整性检测方面的欠缺，该方法值得深入研究。

研究结果表明，检测设备靠近钢筋断裂环向位置才能检测到相对明显的磁场变化，下一步研究将探索钢筋断裂环向位置的检测方法。