基于有限元模型的钢管混凝土密实度评定标准方法技术

本发明专利技术公开一种基于有限元模型的钢管混凝土密实度评定标准方法，该方法包括下述步骤：步骤S1.有限元模型建立，在建立有限元模型进行数值模拟前应赋予材料与实际相对应的材料属性；步骤S2.有限元提取数据，提取超声波在模型中的传播状况；步骤S3.有限元模拟CT测试；步骤S4.找出声速分界线：取截面声速分界线与对应截面声速平均值96.0％为声速分界线统一标准，即以低于声速平均值96.0％所围成的面积即可判定为缺陷面积。本发明专利技术克服了传统超声波检测结果精度低、不直观的问题，解决了对缺陷位置及大小的识别问题。对缺陷位置及大小的准确判断，有利于后期对不密实构件的灌浆不强，提高了构件的安全性，减少了建筑材料的浪费，其经济效益和结构安全有明显的提高。其经济效益和结构安全有明显的提高。其经济效益和结构安全有明显的提高。

【技术实现步骤摘要】
基于有限元模型的钢管混凝土密实度评定标准方法


[0001]本专利技术公开一种基于有限元模型的钢管混凝土密实度评定标准方法，属于缺陷范围声速分界线的判别在工业与民用建筑结构的无损检测领域中的应用。

技术介绍

[0002]《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS21
‑
2000)中对异常数据的判定主要依据是数理统计法，混凝土缺陷的判定应结合其实际物理情况，单纯依靠概率统计是不全面的；只能确定异常值的范围，但无法确定缺陷的大小及位置。
[0003]目前最常使用的检测方法是无损检测法，主要包括红外热成像法、冲击回波法、探地雷达法、射线检测法、超声波法等。超声波法通常是测量混凝土在确定厚度情况下其内部相对波速的变化，它可以用来标定混凝土的异常情况。一般情况下用于检测混凝土的频率不易太高，一般宜50000赫兹。传统的钢管混凝土密实度无损检测技术，主要是利用超声波法，在检测结果分析上，主要集中在对波速、幅值、波形等的对比上，存在数据单一、不直观、缺陷面积无法定量等问题。层析成像技术，起源于医学领域，目前在医疗检测领域得到了广泛应用，今年来逐步应用于工程检测领域，主要集中在地质勘探领域，尚无在钢管混凝土密实度检测种应用。

技术实现思路

[0004]针对上述提到的现有技术中的超声法检测混凝土缺陷只能确定异常值的范围，但无法确定缺陷的大小及位置的缺点，本专利技术提供一种基于有限元模型的钢管混凝土密实度评定标准方法，其通过超声波检测对钢管混凝土密实度进行评定。
[0005]本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于有限元模型的钢管混凝土密实度评定标准方法，该方法包括下述步骤：
[0006]步骤S1.有限元模型建立，在建立有限元模型进行数值模拟前应赋予材料与实际相对应的材料属性；
[0007]步骤S2.有限元提取数据，提取超声波在模型中的传播状况；
[0008]步骤S3.有限元模拟CT测试；
[0009]步骤S4.找出声速分界线：取截面声速分界线与对应截面声速平均值96.0％为声速分界线统一标准，即以低于声速平均值96.0％所围成的面积即可判定为缺陷面积。
[0010]本专利技术解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：
[0011]所述的方法步骤S1中采用的有限元模型是二维模型，采用平面四边形应力单元，单元类型选择为CPS4R，单元长度小于波长的八分之一。
[0012]所述的步骤S3包括下述子步骤：
[0013]步骤S31.使用非金属超声检测仪，测得构件的首波声时值；
[0014]步骤S32.将所有首波声时数据输入到层析成像(CT)软件，即可得到构件的声速分布图；
[0015]步骤S33.将声速分布图导入sufer软件，进一步描绘图像，得到更加直观的声速分布图，声速分布图中颜色较深的部分，即是识别到的缺陷位置。
[0016]所述的步骤S31中测量时，设置有一个以上的发射点S和一个以上的接收点R，发射点S和接收点R统称为测点，相邻测点之间的间距距离为5cm～10cm。
[0017]所述的发射点S和接收点R位于被测量对象两个相对的面处。
[0018]所述的测点距离被测对象的边沿大于或等于1/5的测试距离。
[0019]所述的步骤S31中测量时，将发射探头置于某个发射点S上，依次将接收探头置于各个接收点R上，待全部接收点接收完毕后，以相同的方式换至下一个发射点再次发射与接收，记录每次测量的首波声时值，直至所有的发射点和接收点都测量完成。
[0020]本专利技术的有益效果是：本专利技术克服了传统超声波检测结果精度低、不直观的问题，解决了对缺陷位置及大小的识别问题。对缺陷位置及大小的准确判断，有利于后期对不密实构件的灌浆不强，提高了构件的安全性，减少了建筑材料的浪费，其经济效益和结构安全有明显的提高。
[0021]下面将结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。
附图说明
[0022]图1为本专利技术中超声波激励信号图。
[0023]图2为模拟超声波在混凝土缺陷情况下的传播路径示意图。
[0024]图3为本专利技术中测试关系结构示意图。
[0025]图4为本专利技术中层析成像检测缺陷原理示意图。
[0026]图5为本专利技术中有限元各截面声速分布图。
[0027]图6为本专利技术声速变化规律表图。
[0028]图7为各截面缺陷预设面积所对应的声速分界线示意图。
具体实施方式
[0029]本实施例为本专利技术优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本专利技术保护范围之内。
[0030]有限元法(Finite Element Method，简称FEM)是一种十分可靠的模拟实际工程问题的数值求解方法，ABAQUS可有效模拟超声波在构件中的传播。
[0031]本专利技术提供一种基于有限元模型的钢管混凝土密实度评定标准方法，该方法包括下述步骤：
[0032]步骤S1.有限元模型建立，在建立有限元模型进行数值模拟前应赋予材料与实际相对应的材料属性，本专利技术中模拟涉及两种材料：混凝土和钢材，两种材料的属性见表1：
[0033]表1材料的性能参数表
[0034]材料密度/kg
·
m
‑3弹性模量/GPa泊松比混凝土2400300.2钢材79002060.3
[0035]本专利技术中采用的激励信号为经Hanning窗调制的5周期正弦信号，其中心频率为50kHz，如图1所示。本专利技术中采用的是二维模型，故采用平面四边形应力单元，单元类型选
择为CPS4R，单元长度应小于波长的八分之一。
[0036]建立二维有限元模型，观察在钢管混凝土中超声波的传播途径。
[0037]步骤S2.有限元提取数据，提取超声波在模型中的传播状况，以此直观了解在完整构件及有缺陷构件截面的传播情况，超声波在构件中会从激发点以类似水波之状向外传播，在遇到空洞的情况时，超声波无法直接穿过空洞区域，而是会发生绕射，沿着空洞区域边缘继续向前传播。
[0038]理论情况下的声速值见公式(1)，根据此公式和测距可求得理论声时值。
[0039][0040]式中：E为材料弹性模量，单位：GPa；ρ为材料密度，单位：kg/m3；μ为材料泊松比。
[0041]在有缺陷情况下，首波波谷会相较无缺陷情况下向时间较大方向偏移，且缺陷越大偏移量越大，致使首波声时增大；模拟值与理论值首波声时误差在2.9％以内，说明有限元二维截面可以很好的模拟超声波传播。
[0042]步骤S3.有限元模拟CT测试，包括下述子步骤：
[0043]步骤S31.模拟非金属超声检测仪，测得构件的首波声时值。
[0044]由于超声波在遇到缺陷情况下会使传播路径发生改变，会致使首波声时与正常情况下发生改变，并且声波总是按照时间最短的路径来传播，首波声时法又称最短路径方法，其可用于分析钢管内部存在混凝土空洞时的传播路径本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元模型的钢管混凝土密实度评定标准方法，其特征是：所述的方法包括下述步骤：步骤S1.有限元模型建立，在建立有限元模型进行数值模拟前应赋予材料与实际相对应的材料属性；步骤S2.有限元提取数据，提取超声波在模型中的传播状况；步骤S3.有限元模拟CT测试；步骤S4.找出声速分界线：取截面声速分界线与对应截面声速平均值96.0％为声速分界线统一标准，即以低于声速平均值96.0％所围成的面积即可判定为缺陷面积。2.根据权利要求1所述的基于有限元模型的钢管混凝土密实度评定标准方法，其特征是：所述的方法步骤S1中采用的有限元模型是二维模型，采用平面四边形应力单元，单元类型选择为CPS4R，单元长度小于波长的八分之一。3.根据权利要求1所述的基于有限元模型的钢管混凝土密实度评定标准方法，其特征是：所述的步骤S3包括下述子步骤：步骤S31.使用非金属超声检测仪，测得构件的首波声时值；步骤S32.将所有首波声时数据输入到层析成像(CT)软件，即可得到构件的声速分布图；步骤S33.将声速分布图导入suf...

【专利技术属性】
技术研发人员：查晓雄，张雷，邵志伟，张慧杰，李翠玲，赵伟涛，李小月，陈雅，
申请(专利权)人：深圳市建工集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：