周宇轩 高崇亮 程 超 王 波 曹亚军 高勇勇

中建深圳装饰有限公司 广东 深圳 518023

随着建筑领域的高速发展，国内建筑幕墙行业从20世纪80年代发展至今，已经超过30 a。外围护结构和支撑结构设计使用年限为25 a，最早一批的建筑幕墙服役已经超过设计使用年限[1]。另外，早期的结构设计已经不完全满足现行标准，施工工艺落后，矩形钢管等支撑材料防锈处理不到位，导致发生锈蚀，结构性退化严重影响幕墙结构的安全[2]。

矩形钢管与其他断面形式的钢管相比，在同等抗弯强度[3]、抗扭强度[4]时，具有质量较轻的特点，被广泛应用于建筑、机械等土木工程中。

作为幕墙结构主要受力材料之一，矩形钢管主要是起承担外围面板连接土建主体的作用，为确保幕墙主体结构的安全，对矩形钢管进行定期结构检测是十分必要的。常规的检测方式有超声检测技术[5]、内窥镜检测技术[6]和电阻法检测技术[7]手段，其中超声检测技术具有灵敏度高、操作方便和长距离检测等优点，且幕墙龙骨架可以隐藏在面板后。

本文采用超声导波检测方法对矩形管进行检测分析。首先，利用有限元仿真分析矩形钢管导波传播特性和频散曲线；然后，通过试验分析，比对不同模态的导波，在矩形钢管的传播特点以及损伤对传播的影响，并确定PZT压电片的位置。试验结果表明，采用A0模态的导波更适用于矩形管中面损伤的检测。

1 超声导波的基本原理

1.1导波的特性

频散是超声导波的固有特性，主要表现为相速度和群速度的不一致性。在单一频率下，导波的传播速度称为导波的相速度，而群速度即波群传播能量的速度。其分别如式（1）、式（2）、式（3）所示：

1.2检测原理

探头发出一束超声能量脉冲在管道中传播时，导波传输过程中遇到缺陷会发生反射、透射和模态转换，缺陷在径向截面上有一定的面积，产生携带结构缺陷信息的反射波，对接收的信号待定指标进行分析，即可判断缺陷大小及位置。缺陷检测原理如图1所示。

图1 管道的长距离超声导波检测原理示意

2 矩形管仿真

2.1矩形管结构有限元仿真建模

本文采用Ansys商业软件进行建模，设置矩形管尺寸为60 mm×80 mm×1 000 mm，壁厚为4 mm；边界条件采用一端固定，一端自由的形式，模型划分单元采用Solid185单元。矩形管的4个角采用的是1/4的圆环，内径为2 mm，外径为4 mm。矩形管材料的密度为7 850 kg/m3，弹性模量为205 GPa，泊松比为0.28。同时，建立尺寸为6 mm×6 mm× 2 mm的模拟压电片，激励信号采用中心频率为120 kHz，经汉宁窗调制的5周期信号，表达式如式（5）所示：

纵波L（0，2）在频率为120 kHz时可看作非频散。同时，若取连续信号作为激励，由于其在管道中传播的复杂性，多次叠加、反射、折射后，会使接收信号十分复杂，不能提供有效的分析。因此，选用汉宁窗调制的5周期120 kHz正弦信号激励纵向模态导波，矩形管的频散曲线如图2所示。

图2 矩形管的频散曲线

2.2导波在矩形管结构中传播的仿真

如图3所示，矩形管模型的4个面分别为S1、S2、S3、S4。在尺寸为60 mm×80 mm×1 000 mm的矩形管模型S1面上，分别在端部（自由端）、距自由端0.25、0.50、0.75m和固定端处布置压电片，依次对应图4中的0、1、2、3、4号压电片。其中端部（自由端）的压电片作为激励压电片，其余作为接收压电片。

图3 矩形管各面标记示意

图4 0—4号压电片布置示意

对激励压电片施加电压信号，模拟对PZT晶片的激励，并在不同位置处压电片接收到的信号（图5）。

如图5（a）所示，在距自由端0.25 m处信号中，可发现2个模态波包。经计算，第1个波包的传播速度为4 630 m/s，第2个波包的传播速度为3 027m/s。

如图5（b）所示，在距自由端0.50 m处信号中，第1个模态波包幅值较低，传播速度为5 208 m/s；第2个波包的传播速度经计算为3 019 m/s。

如图5（c）所示，在距自由端0.75 m处信号中，第1个模态波包幅值较低，传播速度为4 808 m/s，而第2个模态波包则是与其他模态的波包产生信号重叠，不能区分。在固定端压电片接收的信号如图5（d）所示，发现不同模态波包之间的重叠，难以对每个波包进行识别。

图5 不同位置处接收压电片的接收信号

从不同位置的压电片接收到的信号中，可以发现透射的模态导波和由于边界反射的模态导波均存在不同程度的重叠。由于复杂的边界反射使得接收信号变得复杂，难以从中有效识别不同模态的波包。

2.3矩形管结构中面损伤的模拟

在原有模型的矩形管S1面中线上设置损伤，损伤为长10 mm、宽2 mm、深4 mm的损伤通孔，该损伤距自由端0.40 m。矩形管4个面中间距自由端10 mm处各布置1个压电片（接收压电片），压电片布置如图6所示，面损伤如图7所示。

图6 压电片布置示意

图7 面损伤示意

此外，共设计4种激励方式，接收方式不变，具体方案如下。

1）A方案：在S1面的自由端中间处布置激励压电片；

2）B方案：在S2面的自由端中间处布置激励压电片；

3）C方案：在S1面的自由端中间处内外两侧中间布置激励压电片，激励反向信号；

4）D方案：在S2面的自由端中间处内外两侧中间布置激励压电片，激励反向信号。

首先，分别采用A、B方案，在激励压电片上施加电压信号，4个接收压电片接收到的信号分别如图8（a）、图8（b）所示。

图8 A、B方案中各压电片接收的信号

根据矩形管的对称性，分别对S1a和S2b、S1b和S2a、S3a和S3b、S4a和S4b进行做差处理，得到的差信号如图9所示。

图9 A、B方案所得的差信号图

从差信号中可以看出，只有S1a和S2b的差信号能够明显识别出缺陷反射的波包。其中第一个波包幅值较低，难以识别。将该差信号进行放大如图10所示。经计算，第1个波包的传播速度为4 324 m/s，第2个波包的传播速度为3 046 m/s。

图10 放大后的S1a和S2b差信号

接着，采用C、D方案对带有损伤的矩形管进行研究。C、D方案均激励反对称的信号如图11（a）、(b)所示，其接收信号S1c、S2d的差信号如图11（c）所示。

图11 S1c、S2接收的信号以及差信号

从差信号中可以看出，S1c和S2d的差信号能够明显识别出缺陷反射的波包。经计算，第1个波包的传播速度为3 014m/s。信号结果得出，在反对称激励情况下得到的缺陷波包传播速度与单发单收条件下接收信号的第2个模态波包的传播速度相近，从而也验证了后者即为板中A0模态的波包。

通过对损伤对矩形管导波的影响的数值模拟研究，发现S0模态的缺陷波包的幅值始终小于A0模态的缺陷波包，从而说明A0模态的导波更适用于矩形管中面损伤的检测。因复杂边界条件的影响，在导波在矩形管中传播产生的多个波包中，由于不同模态的波包之间存在速度差，所以在本研究中损伤距离自由端越远，通过该方法检测出来的A0模态的波包就越容易识别出来。

3 试验结果与分析

试件为长度1.5 m，截面80 mm×60 mm×4 mm矩形管，端头放置压电片，在中间750 mm处有长50 mm、深5 mm的刻槽缺陷。

先用60、70 kHz作为激励信号检测无缺陷面，检测信号如图12所示，后分别采用50、55、60、70 kHz作为激励信号，检测缺陷面，信号如图13所示。

图12 在无损面的检测信号

图13 在刻槽缺陷面的检测信号

试验结果表明：

1）根据60 kHz和70 kHz的端部回波峰值计算出的波包的传播速度，分别为2 462 m/s和2 486 m/s，这与4 mm钢板中A0模态的传播速度接近。因此，可说明单片压电片激发的矩形管中A0模态幅值更为明显，而S0模态不容易识别出来。

2）尝试不同频率激励，在低频激励（50～60 kHz）时，损伤回波幅值明显，而随着频率的增加损伤回波并不明显。同时，也根据损伤波包峰值计算了损伤的位置，与实际位置相比，仅差3～4 cm。

4 结语

1）在采取单发单收的情况下，传感器之间的距离在0.50 m范围内能够识别出接收信号前2个模态波包，并计算其传播速度。而随着距离的增加，不同模态波包之间的重叠也越来越严重。

2）对矩形管可采用50～70 kHz频率激励作为激励源，检测结果产生有效的回波和缺陷信号，并随着频率的增加，缺陷信号越明显。

3）本文的结果为利用超声导波技术进行矩形管的无损检测提供新的思路。