螺紋鋼聲彈性有限元分析

螺紋鋼聲彈性有限元分析

Summary：為了研究箱型橋梁腹板中螺紋鋼的剩余張拉力應(yīng)力情況，本文以工程中常用的螺紋鋼為研究對(duì)象，利用大型通用分析有限元軟件ABAQUS分析在不同張拉力，不同頻率下波速的變化，建立起應(yīng)力與波速的關(guān)系。結(jié)果表明螺紋鋼在相同頻率下，波速隨著張拉力的增大而減??；在張拉力相同的情況下在一定頻率范圍內(nèi)，波速隨著頻率的增大而減小。Keys：螺紋鋼；波速；張拉力；頻率1引言預(yù)應(yīng)力技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，螺紋鋼在橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。螺紋鋼作為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁等結(jié)構(gòu)中承受拉力的關(guān)鍵構(gòu)件，可以有效提高結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度及使用壽命。一方面，受張拉工藝及環(huán)境因素的影響，螺紋鋼在服役過(guò)程中存在不可避免的預(yù)應(yīng)力損失。另一方面，整體結(jié)構(gòu)的損傷、變形均會(huì)造成螺紋鋼中拉力的變化。無(wú)論螺紋鋼中拉力的增大或降低，均導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力下降，造成重大安全事故[1]。因此，開(kāi)展有效的無(wú)損檢測(cè)方法來(lái)識(shí)別螺紋鋼中拉力是保障結(jié)構(gòu)安全性及耐久性的關(guān)鍵問(wèn)題之一。利用超聲導(dǎo)波對(duì)鋼筋中的缺陷進(jìn)行檢測(cè)已取得了較多的成果，但利用導(dǎo)波對(duì)螺紋鋼剩余張拉力進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估的研究報(bào)道較少。賀玲鳳[2]等人給出了縱波波速與橫波波速與應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但對(duì)于導(dǎo)波群速度與相速度與應(yīng)力還未得出類(lèi)似關(guān)系。北京工業(yè)大學(xué)的劉飛[3]在博士論文中對(duì)桿中的聲彈性效應(yīng)進(jìn)行了研究，魯珊珊[4]對(duì)桿中的聲彈性效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明低階縱向?qū)РB(tài)適合于桿軸力的測(cè)量，彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)聲彈性效應(yīng)較弱，不適合軸力的檢測(cè)。盧小明[5]利用首波對(duì)絞線(xiàn)聲彈性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明首波波速隨張拉力的變化具有良好的一致性。以上學(xué)者的研究對(duì)聲彈性效應(yīng)發(fā)展都起了一定的推動(dòng)作用。但是由于螺紋鋼帶螺紋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在進(jìn)行建模時(shí)，為了計(jì)算方便和避免出現(xiàn)不收斂的問(wèn)題，都將螺紋鋼簡(jiǎn)化成高強(qiáng)鋼絲或者實(shí)體圓柱。本文使用ABAQUS分別建立螺紋與實(shí)體圓柱，利用ABAQUS/explicit模塊進(jìn)行顯示分析，得到螺紋鋼在不同張拉力下的受力分析情況。2螺紋鋼模型的建立建立螺紋鋼三維模型，有限元模型中采用長(zhǎng)度L為0.5m、直徑d為20mm的螺紋鋼。衰減是導(dǎo)波的一大特征，而阻尼主要影響導(dǎo)波的衰減特性，對(duì)聲彈性效應(yīng)的影響較小，因此模擬過(guò)程中忽略阻尼的影響。高強(qiáng)鋼絲幾何模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。表1-1螺紋鋼幾何模型參數(shù)圖

1螺紋鋼有限元模型3螺紋鋼結(jié)果分析利用等效聲彈性法，在螺紋鋼兩端施加不同的張拉力，荷載從大大小依次為0kn、40kn、80kn、120kn、160kn、200kn、240kn。超聲導(dǎo)波在圓桿波導(dǎo)介質(zhì)中主要存在三種傳播模態(tài)，即縱向?qū)РB(tài)、扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波模態(tài)和彎曲導(dǎo)波模態(tài)。波導(dǎo)介質(zhì)中存在何種模態(tài)導(dǎo)波取決于激勵(lì)的方式，如果只在一截面上的點(diǎn)施加軸向激勵(lì)，則鋼絲中超聲導(dǎo)波主要為縱波模態(tài)其它激勵(lì)情況，一般同時(shí)存在著縱波模態(tài)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)和彎曲波模態(tài)。為了激發(fā)多種模態(tài)的導(dǎo)波，本文選取經(jīng)漢寧窗調(diào)制的5周期正弦脈沖為激勵(lì)信號(hào)，荷載表達(dá)式為：（1.1）本文激勵(lì)荷載施加在螺紋鋼一端中心結(jié)點(diǎn)，單獨(dú)激發(fā)縱向?qū)Р?，激?lì)荷載合理設(shè)置積分步長(zhǎng)。螺紋鋼導(dǎo)波傳播結(jié)果如下圖2、3、4、5。圖4傳播1E-04圖2傳播1E-05圖3傳播5E-05圖5傳播2E-04在低頻端只激發(fā)縱向模態(tài)L(0,1)階模態(tài)。采用不同頻率首波波速法測(cè)量不同應(yīng)力下的波速，得到圖7、圖8、圖9所示結(jié)果。圖

750khz圖

875khz圖9100khz由圖7、8、9可知，在不同激勵(lì)頻率下，導(dǎo)波的首波波速產(chǎn)生了變化，在50-100khz時(shí)，導(dǎo)波首波波速隨著頻率的增大變化逐漸減小，與螺紋鋼理論頻散曲線(xiàn)結(jié)果是一致的。隨著張拉力的增大，導(dǎo)致首波波速呈現(xiàn)明顯的線(xiàn)性關(guān)系4結(jié)論針對(duì)螺紋鋼這種工程中常用的材料，運(yùn)用超聲導(dǎo)波這種無(wú)損檢測(cè)方法，采用不同頻率的激勵(lì)源，根據(jù)接收導(dǎo)波信號(hào)測(cè)定了不同張拉力下導(dǎo)波L(0,1)階模態(tài)的首波波速，所測(cè)導(dǎo)波群速度隨著張拉力的增大呈現(xiàn)出明顯的線(xiàn)形下降趨勢(shì)與聲彈性效應(yīng)相符，相對(duì)75khz和100khz而言，50khz頻率激勵(lì)源下，首波波速對(duì)張拉力的變化下降最大。通過(guò)聲彈性效應(yīng)來(lái)識(shí)別服役狀態(tài)下螺紋鋼的張拉力是可行的，根據(jù)首波波速的變化來(lái)識(shí)別張拉力是切實(shí)可行的，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。ReferenceBa?antZP,AsceHM,YuQ,etal.ExcessiveLong-TimeDeflectionsofPrestressedBoxGirders.I:Record-SpanBridgeinPalauandOtherParadigms[J].JournalofStructuralEngineering,2012,138(6):687-696.賀玲鳳,劉軍.聲彈性技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社,2002.劉飛.波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的特征頻率法及其超聲導(dǎo)波聲彈性效應(yīng)研究[D].北京工業(yè)大學(xué),2013.魯珊珊,吳英思,劉飛.