基于ANSYS的在役桥梁桩基无损检测方法及检测波形分析

黄种发

(健研检测集团有限公司,福建 厦门 361000)

ANSYS是一款广泛应用于工程领域的有限元分析软件平台,可提供全面的仿真解决方案,核心是有限元分析技术,可模拟分析各种复杂的物理现象及工程问题。ANSYS平台具有友好的界面及丰富的求解器库,可进行建模、网格划分、加载设定及结果处理,支持多种仿真方法及耦合分析,可用于结构分析、流体力学、电磁场分析、热分析中。

1 在役桥梁桩无损检测方法

1.1 低应变反射波法(小应变)

低应变反射波法(小应变)是基于弹性理论和应变条件下的杨氏模量线性关系(如图1)。在桥梁桩基无损检测中[1],需施加一个较小的应变荷载,如使用动力压实装置施加振动或冲击荷载,在桩基中布设合理的传感器,捕获反射波信号,这些反射波信号包括桥梁桩基内部的结构信息,根据反射波信号特征[2]对其进行处理分析[3],推断出桥梁桩基的力学性质及结构特征,如分析波形的振幅、频率及相位等参数,获取桩基的杨氏模量、剪切模量及泊松比等力学参数。对这些参数进行分析评估,判断桩基的稳定性及承载能力是否达到设计要求。低应变反射波法具有操作简便[4]、响应灵敏、非破坏性等特点,广泛应用于桥梁桩基的无损检测中。实际应用中,需综合考虑多种因素,以提高该方法的精度及可靠性。

图1 桥梁桩基低应变反射波法Fig.1 Low strain reflection wave method forbridge pile foundation

1.2 超声波检测

桥梁桩基超声波检测是一种非破坏性检测方法[5],主要用于评估桥梁桩基的结构及损伤情况,利用超声波在材料中的传播及反射特性,测量超声波的传播时间及幅值变化,获得桩基内部的结构信息(如图2)。桥梁桩基超声波检测法能够覆盖桩基的各个部位,检测潜在的内部缺陷。该方法操作简便,无需对桥梁进行拆卸,可在桥梁正常使用状态下进行,检测结果准确可靠,能够提供详细的结构评估结果并定位损伤,为桥梁工程评估、维护及改进提供重要的技术支持。

图2 桥梁桩基超声波检测法Fig.2 Ultrasonic testing method of bridge pile foundation

1.3 高应变检测

高应变检测的基本原理是在桩顶滞后轴向上施加一种冲击力,使桩体具有一定的贯入度,从而对桩体的颗粒应力、加速度等进行测量,利用波动理论对单桩竖向抗承载力、桩体完整性进行判断(如图3)。在桩身设计中采用重锤锤击桩顶部,使桩与土有一定的相对位移量,达到充分激发桩周土阻抗、提高其承载能力的目的。

图3 桥梁桩基高应变检测Fig.3 High strain detection of bridge pile foundation

从桩的移动方向来看,有向下移动和向上移动。人们习惯于将桩身的受压(不管是内力、应力还是应变)视为正面,将桩身的受拉视为负面,视向下移动为正值(位移、速度或加速度),视向上移动为负值(负值)。由于应力波沿桩身传播时会发生非常复杂的透射与反射现象,故必须将不同类型的应力波分为上、下两类。因为下行波的传播方向与预定的前进方向相吻合,所以在下行波的影响下,正向的力(压力)会发生正的移动,负向的力(牵引力)会发生负的移动。上行波则截然相反,上行波的压力波(力的正号)会引起桩身的反向移动,而上行波的拉力(力的负号)会引起桩身的正向移动。当有桩侧摩阻力或桩身断面急剧变大时,锤击引起的压力波会向下传递,从而形成一种压力同波,这种压力会返回到桩顶,导致桩顶受力增大或减小。在桩身断面急剧减小或存在负摩擦力的地方,向下的压力波会在桩身中形成一条拉回波,当拉应力波反冲到桩顶后,会引起桩顶应力的降低或增大,只要掌握了这个基本原理,就能依据测量得到的压力波形与流速曲线之间的变化关系对桩的各种状态做出准确判断。

2 ANSYS在桥梁桩基无损检测中的应用

2.1 桩基结构模拟与分析

ANSYS可用于建立桩基有限元模型,进行结构分析。通过模拟桩基在不同荷载条件下的响应,评估其结构的受力性能、变形特征及可能存在的缺陷。ANSYS还可进行试验结果的后处理及验证。将模拟结果与实验数据进行比对,评估模型的准确性及可靠性。如果模拟结果与实验数据吻合较好,说明模型能够准确预测材料的破坏行为。如果存在较大差异,则需进一步调整模型参数或改进模型以提高预测精度。通过改变材料参数、试验条件或结构形式等,评估这些因素对试验结果的影响,确定最佳的材料组合、结构形式及加载条件,提高材料及结构性能。

图4为桥梁平面布局,桥面宽度为 8000 mm,主要结构由梁和板材料(桥面材料厚度为 12 mm)组成。梁截面分为 5 种,其中主拱及副梁的截面为300 mm×650 mm,桥面主梁回的截面为850 mm×300 mm,主拱拉梁及横梁图的截面90 mm×50 mm,副拱立柱图的截面为280 mm×280 mm,桥面横梁的截面为600 mm×300 mm。桥面材料的弹性模量为8=1.6×10 MPa,泊松比为 0.35,其他梁材料的弹性模量为E=2.06×10 Mpa,泊松比为 0.3。

图4 桥梁结构(单位:mm)Fig.4 Bridge structure(mm)

分析桥梁在桥面均布荷0.005 MPa吸自重作用下的变形及应力分布特点,如图5所示。

2.2 桩基振动分析

ANSYS可模拟桩基在受到外界激励(如交通载荷、地震等)时的振动响应。通过比较实测振动数据及模拟结果,可判断桩基的健康状况。使用ANSYS进行振动分析,可评估桥梁桩基结构的动态响应性能,为桥梁设计、评估及维护提供重要的工程支持。ANSYS可模拟桥梁桩基在不同荷载条件下的自由振动及强迫振动响应。通过建立准确的有限元模型,考虑材料的物理特性、边界条件及加载情况,获得桩基的模态频率、振型及振幅等信息。这对于确定桥梁结构的固有频率、分析桥梁的振动特性及共振问题非常重要。

ANSYS可模拟桩基在外部激励下的响应,如交通载荷、地震波等。将实际加载条件引入模型可预测桥梁桩基的动态响应,包括位移、加速度及应力等。这些分析结果可用于评估桥梁的结构安全性,确定可能的疲劳损伤及共振问题。通过识别及分析桥梁的主要振动模态,确定可能存在的问题区域及薄弱部位。响应分析可帮助人们了解桩基在不同频率下的振动响应,为后续的设计改进及结构优化提供参考。

2.3 载荷测试数据解释

ANSYS可用来解释测试数据,通过与模拟结果的对比,确定桩基材料性质、刚度状况及可能存在的缺陷。还可用于解释实测载荷测试数据中的位移、应力及变形等参数,通过建立准确的有限元模型,根据实际荷载条件进行加载,模拟桥梁桩基在测试期间的响应。将模拟结果与实测数据对比,验证模型的准确性,确定测试数据的可靠性。ANSYS有助于理解及评估载荷测试数据中的异常现象及行为。如果实测数据与模拟结果存在较大差异或不符合预期,说明可能存在桩基结构缺陷、损伤或异常情况。通过进一步分析模拟结果,可推断桩基的健康状况,如定位可能的缺陷区域,评估损伤程度,提出修复或加固建议。

ANSYS可用于反演分析,即利用实测载荷测试数据来推导桩基结构的材料特性及刚度状况。与模拟结果进行对比,确定桩基材料参数,如弹性模量、剪切模量等,进而评估桥梁桩基结构的整体性能。ANSYS在桥梁桩基载荷测试数据解释方面发挥着重要作用,可解读实测数据,分析桥梁桩基的响应及行为,保障桥梁的结构安全。

2.4 缺陷检测与评估

ANSYS可结合桩基实测数据进行反演分析,评估桩基结构中存在的缺陷或损伤。通过比较实测数据与模拟结果,定位桩基中的缺陷位置、类型及程度,提供修复建议。可模拟桥梁桩基中常见的缺陷类型,如裂缝、腐蚀、局部损伤等,将这些缺陷引入有限元模型,分析桩基的响应,确定缺陷对结构的影响。例如,模拟裂缝在加载下的开启及扩展过程,评估其对桩基刚度及强度的影响。

ANSYS可以进行缺陷评估,即分析缺陷对桩基应力集中情况及疲劳寿命的影响。通过模拟不同荷载条件下的加载响应,推断缺陷处的应力集中区域,评估这些区域的疲劳寿命,以确定缺陷的危害程度,优化维修方案,制定合理的检测及监测策略。将实测数据输入模型,与模拟结果进行匹配,推断桥梁桩基中可能存在的缺陷位置及类型,为后续维修及修复提供参考。

2.5 破坏性试验预测

ANSYS可模拟桥梁桩基破坏性试验,预测桩基在不同加载条件下的破坏形态及承载能力,评估桩基设计的合理性。破坏性试验是评估材料与结构性能的常用方法之一,ANSYS可通过建立准确的有限元模型模拟试验过程并预测试样的破坏行为。通过输入材料特性及加载条件,如荷载、应变速率等,分析材料在试验中的力学行为。模拟结果可提供应力、应变、变形等参数的分布情况。