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超声导波在锚杆锚固体系中的传播的数值模拟

赵宇亮  
【摘要】:近年来,锚杆锚固技术在国内外工程实践中得到了广泛的应用。有效的锚杆检测方法是工程中迫切需要解决的问题,传统拉拔法和取芯法具有破坏性,限制了其在工程中的使用。为了克服传统方法的缺点,研究人员使用各种不同的办法进行了测试研究,无损检测方法达到了最好的效果。超声导波法是无损检测领域中的一个新方法,由于体波检测距离极短,人们把视线重新移向了导波,现在认为导波的频散特征非常敏感,恰恰可以作为分析工程质量的参数。导波的特性是多模态和频散,由于其复杂性条件的稍稍改变都可能引起结果的不同,实验时就有很大的盲目性,耗时长、工作量大。数值模拟恰恰可以克服上述缺点,是导波研究中必不可少的重要工具。本文以导波理论为基础,探索导波在锚杆中的传播的数值模拟方法,掌握了模拟导波的核心技术,并对模拟结果的可靠性、准确性做了大量的探索,同时也对程序的命令流进行了优化,使之简单、高效,省去了人工调试环节。在正确模型的基础上,本文分别对自由锚杆和锚固锚杆做了模拟,进行了大量的工作。自由锚杆结构从以下三方面进行了探索:其一是自由锚杆时的频散曲线特征,这在理论中已经非常的清楚,模拟结果与之对应的非常准确。其二是导波频率不同时的模拟分析,对于一定的锚杆结构,存在最佳的激发波。第三是频率相同但锚杆结构变化时的模拟。锚固锚杆结构中也从三方面进行了研究:首先是锚固锚杆的频散特征,这在理论中不明确,本文通过模拟作了适当的探索。其次是锚杆模型锚固的混凝土厚度对实验的影响,其出发点是研究实验室模型尺寸的合理大小。最后是模拟了不同锚固质量的锚杆。 重要结论如下: 一、三维实体模型虽然更符合实际,但是导波模拟对单元的要求,使之计算量太大,轴对称模型则可以很好的解决这个问题。在实际中,在很多情况下只使用纵向模态,此时轴对称模型无疑是最佳的选择。 二、数值模拟体波时一个波长内有8个单元可使体波传播速度的误差在1%以内。通过对导波的大量模拟,发现模拟导波时一个波长内有8个单元远远难以满足要求,而在一个波长内有30个单元左右时模拟结果比较精准,可以作为参考值。 三、在以往的研究中,研究者通常都忽略加载曲线周期数的影响,其实其对结果影响非常大。在高频时,因波长较短,所以应大大地增加周期数。 四、导波在自由锚杆中传播时,锚杆的半径不同,速度变化很大。在一个具体的条件下探索最佳激发波,用理论求解频散曲线加数值模拟的方法是较为简单的方法。 五、波传播的速度是波频率同波导半径的乘积(Pa)的函数。在自由锚杆模型中波导半径就是锚杆的半径a,但在锚杆锚固体系中,理论上波导半径不明确,有人会认为是a,本文通过研究得出锚杆锚固结构中混凝土和锚杆共同形成波导体,锚固的混凝土厚度在一定的范围内时,比较薄的时候,它们作为一个整体,此时波导半径就是整体的半径。锚固厚度超出这个范围的时候,由于导波集中在钢筋的中心传播,距离较远的混凝土对其的影响很小,此时的波导半径由锚杆和一部分岩石构成,其规律还需要做进一步研究。


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