基于ANSYS的桥梁桩基无损检测方法研究

钟日坚

(东莞市交业工程质量检测有限公司,广东 东莞 523000)

1 桥梁桩基无损检测基本理论

桥梁桩基是由水泥、砂石、水等组成的一种多向材料。由《公路工程基桩检测技术规程》(JTGT 3512—2020)可知,基桩按桩身完整性划分为I类桩、II类桩、III类桩、IV类桩,对应的分类原则分别为桩身完整、桩身基本完整但有轻度缺陷、桩身有明显缺陷、桩身有严重缺陷。在桥梁桩基施工结束后,必须检查其完整性,且检测时常用声波透射法、低应变法等无损检测方法。为了提升桥梁桩基检测模拟质量,应对其检测原理进行分析[2]。

1.1 一维波动方程

桥梁桩基可视为均匀、连续、各向同性的线弹性杆件,其无损检测是基于一维波动方程,且应力波在桩体中传播的不受周围岩土体的干扰,其计算模型见图1[3]。

图1 桥梁桩基一维杆件模型

桥梁基桩桩体在受到瞬态激振作用时,桩截面不变,轴向应力沿截面均匀分布,应力波长>桩基横向尺寸,且桩体内各质点的应力、应变符合胡克定律,具体计算见公式(1)

(1)

式中:∂u/∂x为计算单元的应变,无量纲;A为桩体截面积,m2;E为桩体混凝土弹性模量,MPa;F为激振力,kN。

1.2 测试桩身质量原理

如果弹性波在传播过程中遇到桩体阻抗变化,波的传播规律也发生变化,此时反射波系数Rr和透射波系数Rt计算可按公式(2)和公式(3)

(2)

式中:Z1、Z2为分别为变截面上部和下部的阻抗;n为阻抗比。

当n=1,Rr=0,表示界面不存在阻抗不同或截面不同材料,无反射波;当n>1时,Rr>0,波从高阻抗材料向低阻抗材料或从大截面向小截面传播;当n<1时,Rr<0,波从低阻抗材料向高阻抗材料或从小截面向大截面传播。通过分析桥梁桩基检测波波形是否存在上述情况,来判定桩身缺陷类型[4]。

2 桥梁桩基无损检测模型建立

利用大型通用有限元软件ANSYS15.0来建立计算模型,模拟桥梁桩基的各种缺陷和最佳激振和检测位置,模拟的检测方法为低应变法。

2.1 ANSYS软件简介

ANSYS软件的核心思想是将桥梁桩基结构当做离散单元的组合,对各个离散单元展开分析。ANSYS软件由预处理(preference)、分析计算(preference)、后处理(postproc)三个模块组成,其中预处理模块的建模功能强大,且网格划分细致;分析计算模块能模拟各种物理介质的相互作用,开展结构分析、动力学分析等;后处理模块主要是以图表、曲线等形式展示或输出计算结果。

利用ANSYS软件模拟桥梁桩基检测需用到“瞬态动力学分析”,也叫“时间-历程分析”。ANSYS软件中内置的瞬态动力学分析法主要有完全法(FULL)、缩减法(REDUCED)、模态叠加法。结合相关研究成果,本文拟选用完全法来模拟桥梁桩基结构的某一点在任意载荷作用下的力学响应[5]。

2.2 桥梁桩基模型建立

(1)建模流程

由上可知,利用ANSYS软件建立桥梁桩基模型的过程可分为三步[6]:①预处理。结合设计图纸建立桥梁桩基实体模型(命令流与GUI相结合建模),将分析类型设置为structural,定义材料属性,划分单位网格,并输入检测项目名称、检测人员、检测时间等基本信息;②加载和求解。桥梁桩基实体模型建立好后,在适当位置定义荷载步和荷载子步(荷载增量要尽量小一些),使用求解器计算模型;③后处理。ANSYS软件中有通用后处理器和时间-历程后处理器两种,本文利用时间-历程后处理器,得到瞬态分析后模型中任意节点速度随时间的变化,以分析应力波在桥梁桩基中的传播规律。

(2)定义单元类型

桥梁桩基结构分析时常用的单元类型有solid45、shell63、targe170等,其中solid45单元可用于模拟桥梁主体结构,shel163用于模拟桥面铺装结构,targe170模拟桩基周围岩土体。同时,桩基与周围岩土体的接触面设置为面面接触,即桩基外表面网格与桩周土内表面网格相互接触,以提高计算准确性。

(3)计算参数

研究对象为单箱单室等截面箱形简支桥梁,桥梁长度90 m,跨径组合为(25+40+25)m,箱梁梁高1.6 m,悬臂长4.0 m,跨中顶板厚30 cm,底板厚20 cm,跨中腹板厚45 cm。下部结构包括盖梁、墩柱、承台、桩基础等,其中盖梁高1 m,墩柱为双柱墩,承台尺寸为3 m×8.6 m×1 m,桩基础为钻孔灌注桩,桩径2.4 m,桩长15 m。同时,低应变法检测桩基时,桩体积周围岩土体都是处于弹性状态。根据桥梁施工图设计参数,桩基混凝土材料密度取2 550 kg/m3、弹性模量取3.2×1010N/m2、泊松比取0.2;桩侧土密度取1 600 kg/m3、弹性模量取2.5×108N/m2、泊松比取0.35。

(4)网格划分

一般情况下,桥梁桩基网格尺寸越小、网格数量越多,计算结果越精确,但计算效率越低下。反之,桥梁桩基的计算结果不能满足工程需求。因此,在划分桥梁模型网格时要综合考虑计算结果的准确性和计算速度[7]。桥梁计算模型的网格类型取六面体单元,桩基网格尺寸适当加密,取0.5 m,其它部位网格尺寸取0.5 m。

ANSYS软件中的网格划分方法有自由网格划分和映射网格划分两种,本文选择自由网格划分法,共划分出9 896个单元、10 228个节点,如图2所示。需注意,为了保证模拟的准确性,在波传播方向上的每个波长至少要有20个单元。

图2 桥梁桩基无损检测有限元模型

3 桥梁桩基低应变检测模拟

3.1 模拟方法探讨

(1)激振位置

合理的激振位置及信号接收位置对桥梁桩基检测结果的准确性及波形分辨度至关重要。《公路工程基桩检测技术规程》(JTGT 3512—2020),新建桥梁的的桩基检测激振位置一般选在桩顶中心,传感器则安装在距桩心2/3处,以尽量减少应力波的衰减。然而对于运营中的桥梁,难以在桩顶直接施加激振力,需结合在役桥梁的实际情况来确定最佳激振及检测位置。

对于高承台桩基,承台底位于地面以上,可借鉴桩顶激振方法,将激振位置设置在承台顶端;对于低承台桩基,桩基全部埋入土中,可考虑在墩柱一侧施加激振力。

(2)激振力

利用低应变法检查桩基完整性时,是通过小锤敲击桩顶获得激振力。根据相关研究成果,升余弦脉冲(反余弦波曲线)能够较好地模拟小锤锤击桩顶的任意时刻的瞬态纵向激振力P(t),见公式(4)[8]

式中:T为激振力作用时间,s;I为激振力峰值,N。

在实际桥梁桩基检测项目中,瞬时激振力作用时间约1s,激振力峰值约1N,代入上式中可得到激振力时程曲线,其中横坐标为激振力时间、纵坐标为激振力大小,如图3所示。

图3 桥梁桩基激振力时程曲线

由图3可知:桥梁桩基上的激振力随着激振时间的增加先增加后减小。当激振时间达到0.000 85 s,激振力达到峰值1N。同时,当激振时间超过0.005 1 s,激振力无限趋近于0。这表明,此时小锤敲击对桥梁桩基的应力波传播基本无影响。

3.2 桥梁桩基低应变模拟

由桩的传播特性可知,桩身截面或材料发生变化后,截面的阻抗会发生变化,产生应力波反射现象。为了更好的分析缺陷桩基的波形分布,利用ANSYS软件模拟了缩径、扩径、端桩等缺陷。

(1)桩基缩径缺陷模拟

模拟工况为单点缩径缺陷,缩径位置在桩基底端,缩径截面大小取完整桩基的10%～20%,缩径长度取3 m,激振位置在桥墩一侧。相对于完整桩基的时程曲线而言,缩径桩基在X方向的首峰幅值差异不大,Y方向和Z方向的首峰幅值差异较大。这是因为应力波从大阻抗截面向小阻抗截面传播,且缩径处所产生的反射波和上部结构产生的反射波共同叠加。

(2)桩基扩径缺陷模拟

扩径也是桥梁桩基中常见的缺陷之一。模拟工况为单点扩径,扩径位置在距桩底8～12 m处,扩扩径桩基的长度取10 m。此外,激振力和激振位置与缩径试验相同。

由计算结果可知:桥梁扩径桩基存在首峰时间一致地反射波峰,且在首峰后产生了反向反射波。由于扩径截面以上的结构影响,在0.020 s处产生扩径反射,应力波波形呈“先波峰后波谷”趋势,与缩径反射波趋势恰好相反。从加速度来看,扩径桩基在Y方向的加速度时程曲线表现较好,而X方向和Z方向的加速度变化不明显。因此,在桥梁桩基实际检测项目中,为了提高检测结果的准确性,建议采用横波,不宜使用干扰较大、衰减速度快的纵波。

3.3 桥梁桩基缺陷信号分析

相对于新建桩基,在役桥梁桩基检测应力波受到的干扰较大,波形分析难度大。为了解决这一问题,可使用“波形信号分离”法,即采用一定的方法将上部结构和桩周岩土体所产生的干扰波从桩基检测波形中过滤掉,以准确判定桥梁桩基的完整性。

桥梁桩基检测信号分析的具体方法为:(1)获取无桩周岩土体和上部结构的完整桩基信号S1;(2)获取有桩周岩土体和上部结构的完整桩基信号S2;(3)获取有桩周岩土体和上部结构的缺陷桩基信号S3;(4)采用波形信号分析法,将信号S1从信号S2中分离,得到信号S4=S2-S1;(5)将信号S4从信号S3中分离,得到不受任何干扰的缺陷桩基检测信号S5=S3-S4。

ANSYS软件不能直接滤除多个计算模型的检测信号,但可通过利用其内置的变量列表功能(variable list)得到某一信号曲线在任意时刻的加速度值,并复制到新建txt文件中。随后MATLAB软件将数据导入,完成桥梁桩基检测信号的分离,作为桩基完整性检测的依据。

4 结 论

基于有限元软件ANSYS分析了桥梁桩基无损检测理论、检测模型建立方法、桩基缺陷模拟及检测信号分离方法,主要得到以下结论:(1)桥梁桩基无损检测是基于一维波动方程,应力波在桩体中传播过程中如阻抗变化,波的传播规律也随之改变;(2)桥梁桩基缺陷检测结果分析可利用反射波系数Rr和透射波系数Rt;(3)运营中的桥梁难以在桩顶直接施加激振力,一般激振位置选择在承台顶或墩柱一侧,激振力可用升余弦脉冲;(4)为了准确检测桥梁桩基完整性,可利用波形信号分离法滤除桥梁上部结构和桩周岩土体的对波形的干扰。