建筑・节能 ＬｏＷ ＣＡＲＢｏＮ ＷｏＲＬＤ ２０１５，１ 声波透射法声场有效影响域的仿真应用 到＼雄，瞿为，朱正，王雪峰（监利县建设工程质量安全监督站，湖北监利４３３３００） 【摘 要】本文使用Ａｎｓｙｓ ＬＳ—ＤＹＮＡ有限元仿真软件对含缺陷的模型桩进行仿真计算。通过改变缺陷大小观察接收信号首波波幅比的变化并 结合换能器声场有效影响域，提出了估算缺陷位置及缺陷尺寸的方法，同时验证了规范关于测线最大间距规定的安全性。 【关键词】超声波检测；仿真计算；模型桩：有效影响域：缺陷 【中图分类号】ＴＵ７５３ 【文献标识码】Ａ 【文章编号】２０９５—２０６６（２０１５）０２—０１６６—０３ ｌ咖吾 １９８４年湖南大学昊慧敏教授首先利用超声波法检测郑州 黄河大桥２．２ｍ大直径钻孔灌注桩，并取得了满意的结果 经 过了几十年的发展．超声波法测桩已经列入我国多个检测规 范和规程中并成为目前混凝土灌注桩质量检测的重要手段之 一，在工业与民用建筑、水利水电、铁路建设等多个领域均有 广泛的应用。为促进超声波测桩技术的发展，近年来大量的专 家学者对于所采集的声学信号展开了大量的理论研究与应用 研究，研究工作主要围绕声学参数处理的数值判断展开，其中 判别方法的改进以及新判别法的提出一直是国内外研究学者 的研究热点。笔者在阅读了国内外涉及声波透射法检测原理 与应用相关文献后发现．一些问题例如：换能器所产生脉冲波 声场的有效影响域范围的确定以及其应用值得进一步研究， 而对于这一领域国内外鲜有研究。 本文首先通过三组仿真试验推算出换能器的有效影响域 范围并拟合成椭圆方程，然后提出了通过有效影响域估算缺 陷尺寸的方法．最后利用该方法验证了规范关于测线最大间 距规定的安全性。本文在有效影响域仿真模拟的基础上更进 一步，对其结果的实际应用进行了研究．是对国内相关研究空 白领域的更深入探索 ２仿真计算 ２．１计算参数 本文使用Ａｎｓｙｓ ＬＳ—ＤＹＮＡ有限元仿真软件对含缺陷的 模型桩进行仿真计算，建模过程中混凝土以及缺陷材料参数 如表１ 表１材料参数 材料性质 密Ｊ￣（ｋｇ／ｍ 泊松比 弹性模量（ＧＰａ） 混凝土 ２５ｏｏ Ｏ．１８ ４０ 缺陷 ｌ６０Ｏ ０．４ ５．６ 发射探头Ａ输入一个超声脉冲波，如下： ａｃｔ ＝ 抽‘ 。。～Ｄ 三 。 其示意图如图１所示。 凸 ０ ； Ｚ ０ ∞ ｅｒ＂ 《 ０ 图１超声脉冲入射波示意图 ≥ ｏ ２．２桩体模型参数 软件建模如图２、图３所示的混凝土灌注桩，桩身直径Ｄ＝ 剖 誉 １．６ｍ，桩长Ｌ＝１０ｍ，埋设３根声测管，声测管间距 ＝１．２ｍ，用 出 超声波透射法检测ＡＢ面。缺陷为椭球状．椭球体Ｘ方向半轴 ｌ６６ 尺寸ａ＝０．２ｍ，Ｙ方向半轴尺寸ｂ＝０．１５ｍ，Ｚ方向半轴尺寸ｃ＝ ０．１５ｍ。在Ａ、Ｂ测点不动的情况下．椭球体位置将沿着Ｘ方 向、Ｙ方向或Ｚ方向移动。由缺陷在不同位置所得仿真计算结 果推算出换能器声场有效影响域。 Ａ Ｂ Ｃ 图２模型桩竖向示意图 图３模型桩水平示意图 ２．３仿真实验组 缺陷中心在Ｘ轴方向上的位置用Ｌｏ的倍数来表示。例 如：当缺陷中心位于ＡＢ轴线平分面上时，如图４所示本文记 作椭球体缺陷在． 处。 图４缺陷中心在Ｘ轴方向上的位置 类似取缺陷体中心Ｘ坐标为１，２Ｌｏ、１／３Ｌｏ、１／５Ｌｏ进行以下 三组对比仿真试验： （１）观测点ＡＢ不变的情况下，椭球体缺陷在 Ｌｏ处沿Ｙ 上 方向、Ｚ方向移动。 （２）ｇＬ￣４点ＡＢ不变的情况下，椭球体缺陷在— Ｌｏ处沿Ｙ ｊ 方向、Ｚ方向移动。 （３）观测点ＡＢ不变的情况下，椭球体缺陷在— 处沿Ｙ 方向、Ｚ方向移动。 ３仿真结果 ３．１声场有效影响域 以上三组仿真结果如图５所示．由于换能器声场有效影 响域大致呈椭球形，所以＂３缺陷体中心Ｘ轴坐标不同时．缺陷 －ＬｏＷ ＣＡＲＢ０Ｎ ＷｏＲＬＤ ２０１５，ｌ 波幅比值 建筑・节能ｉ 有效影响域也不同。缺陷体越靠近ＡＢ测线中心，有效影响域 ¨ ¨ １ ０ ９ ８ ７ ６ ５ ４ ３ ２ １ Ｏ 们 ¨ ¨∞ 越大，反之越靠近Ａ、Ｂ测点，有效影响域越小，并且水平影响 域与竖直影响域范围相差不大。令Ａ为缺陷桩仿真计算接受 波图形首波波幅值， 为完整桩接受波图形首波波幅值，波幅 Ａ ＿＿＿＿ 比为 。则由图５可知椭圆缺陷体在１／２ 、１／３ｋ、１／５ 处影 ／—暗謦■一 Ａ０ 响域计算结果如表２。 平移动 向＃动 向移动 向移动 ０ ０ ０１ ０ ２ ０ ３ ０ ４ ０ ５ ０ ６ ０ ７ 图５缺陷体在１／２Ｌ０、１／３Ｌｏ、１／５ 处波幅比值一 曲线 表２缺陷体在１，２ 、１／３ 、１／５ｋ处水平、竖直影响域 缺陷中０ Ｘ轴坐标 水平（Ｘ方向）影响域 竖直（Ｚ方向）影响域 １／５Ｌ０ Ｏ．２２ ０．２２ 波幅比值 ，Ｏ Ｏ ０ Ｏ １／３ Ｏ．２９ Ｏ．Ｏ ２９ ９ ８ ７ ６ １／２Ｌｏ ０．３６ Ｏ－３６ 缺陷的影响域亦即换能器声场有效影响域 根据表２缺 陷在ＸＹ方向上的影响域可拟合为椭圆方程： ０ １８ ． 一－年 ’０．１＝１‘ （１）… 式中：Ｘ表示缺陷中心对应Ｘ方向 值，ｖ表示Ｙ方向上 影响域入值。式（１）是以ＡＢ连线中点为原点拟合的椭圆方 程，根据方程可以绘出缺陷在水平方向的影响域如图６。 （： 图６缺陷竖向影响域 同理缺陷在ＸＺ方向上的影响域方程为： ｘ２ Ｉ ｚ－一１ ， ０．１８。０１一 ．式中：Ｘ表示缺陷中心对应Ｘ方向 值．ｚ表示Ｚ方向上 影响域 值。式（２）是以ＡＢ连线中点为原点拟合的椭圆方 程，根据方程可以绘出缺陷在水平方向的影响域如图７。 ３．２有效影响域应用 ３．２．１判断缺陷的位置 考虑理想状况下缺陷中点位于ＡＢ测线中心面上。改变 椭球缺陷Ｘ方向半轴尺寸分别为ａ＝０．０３ｍ、０．０５ｍ、０．１Ｏｒｅ、 ０．１５ｍ、０．２０ｍ、０．２５ｍ，Ｙ方向半轴ｂ＝０．０５ｍ，Ｚ方向半轴ｃ＝ ０．０５ｍ，由仿真结果绘制出的波幅比值一 的曲线如图８所示。 对图８所示波幅比值曲线进行三次多项式拟合．得到的 多项式为： ＝一１＋５．３３Ｘ一８．１８Ｘ： ４．２９Ｘ （３） 式中：Ｘ表示波幅比值， 表示缺陷中心到测线ＡＢ的距 Ｉ ∈ ．＼一 一一Ｌ ．．／一 ≥ ２ 图７缺陷水平影响域 Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ０ ４ ３ ２ １ Ｏ ０ ０ ０１ ０ ２ ０． ０ ４ ０ ５ 图８不同缺陷尺寸下波幅比值一 曲线 离与测管间距 的比值。将实测的波幅比值Ｘ代入公式（２） 中得到入值，进而根据管间距 判断缺陷的位置。 ３．２．２估算缺陷Ｘ方向上尺寸 依旧假定缺陷中点位于测线中心面上。在常规对测中．根 据波幅变化规律可以估算缺陷Ｚ方向尺寸．根据实测的入和 波幅比查询表３，采用线性内插法可以估算缺陷在Ｘ方向的 尺寸 表３ 、ａ及波幅比值关系 ａ（ ） ０．１００ ０．１２５ Ｏ．１５Ｏ Ｏ．１７５ ０．２００ ０．２２５ ０．２５ ０．０５ｍ ０．４６ ０．５ｌ Ｏ．６１ ０．７０ ０．８０ ０．８６ ０．９２ ０．１０ｍ ０．４４ ０．４８ ０．５６ ０．６５ ０．７６ ０．８３ ０．９２ ０．１５ｍ Ｏ．４２ ０．４６ ０．５１ ０．６ｏ Ｏ．７Ｏ ０．７８ ０．８７ ０．２０ｍ ０．４０ ０．４３ ０．４８ ０．５５ ０．６６ ０．７５ Ｏ．８５ ０．２５ｍ Ｏ－３９ ０．４２ ０．４５ ０．５Ｏ ０．５７ ０．７１ Ｏ．７５ ３．２＿３估算检测盲区的大小 《建筑基桩检测技术规范》（ＪＧＪ１０６—２ｏ１４）规定声波发射 与接收换能器应从桩底向上同步提升．声测线间距不应大于 ｌＯＯｍｍｒ￣。由图８中各组波幅比值曲线可知缺陷尺寸越小．其 影响域越小。取令声测线间距为３００ｍｍ，缺陷位于两侧点中心 位置，当ａ＝Ｏ・０３ｍ时缺陷Ｘ方向长度约为者 ，查图８可知 缺陷的影响域ｈ＝０．１２５，即测线与椭球体缺陷中心距离为 １５０ｒａｍ，此时缺陷对测点信号无影响，说明此时若缺陷ａ≤ ０．０３ｍ测点将无法检测到缺陷存在。在测线间距扩大到规范 量 规定的３倍时才无法检测到尺寸为 的缺陷，可见规范 ｚｔ－Ｕ 规定声测线间距不应大于１００ｍｍ是十分安全的。 ４结语 吝 本文首先通过三组仿真试验推算出换能器的有效影响域 言 范围并拟合成椭圆方程，然后提出了通过有效影响域估算缺 陷尺寸的方法，最后利用该方法验证了规范关于测线最大间 运 １６７ Ｏ５ｌ建筑・节能 ＬｏＷ ＣＡＲＢｏＮ Ｗ０ＲＬＤ ２０１５，ｉ 概念设计在建筑结构设计中的地位与应用分析 张晖（平顶山市城市规划设计研究院，河南平项山４６７０００） 【摘 要】本文描述了概念设计的定义与重要性，并对其在建筑结构设计中的地位与应用分析做了详细的说明，本文同时也联系生活实际对概 念设计在建筑结构设计中的起到的巨大作用进行了论述。最后总结出了概念设计在建筑结构设计中具有重要的地位以及有很好的应用。 【关键词】概念设计；建筑结构设计；应用分析；生活实际 【中图分类号】ＴＵ３１８ 【文献标识码】Ａ 【文章编号】２０９５—２０６６（２０１５）０２—０１６８—０２ 设计师肯定实践能力也不甘落后与他人。俗话说“实践是检验 引言 概念设计具体体现在建筑结构的基础设计上．为了提高 真理的唯一标准”．这也就验证了积累了相当丰富结构设计经 建筑结构设计的效率并且使结构设计更加的完善．必须要把 验的和结构概念的设计师所设计出来的建筑也是具有规范性 许多的建筑师依然采用传统的结构 结构概念设计做的完美，因此结构概念设计在建筑结构设计 与创新性的。据今天来看．中具有举足轻重的作用。结构概念设计在高层结构设计中具 设计方案，而且还很死板的根据计算机的程序来进行设计。然 有重要的应用而且建筑结构概念设计也是一种很重要的设计 而一个优秀的建筑师的主要任务就是通过对于建筑空间中整 思想。据今天的社会情况来看它必定会成为以后建筑结构设 体概念的有效把握来实现对总体结构方案的设计 优秀的建 筑师会采用既有创意又合理的方案来设计建筑结构。由于如 计的主流思想 １概念设计的定义 概念设计是在经验与理论相互结合的基础上产生的．这 今的建筑结构设计的理论还存在着许多的不足．所以我们应 该更加注重和强调概念设计在建筑设计中的重要性．并且要 进一步加强对概念设计的培养。 概念设计的重要性。重在要求建筑结构设计师在设计中 是设计人员总结自己丰富的实践经验和自身所学习的有关理 论知识．运用自己的思维和判断能力并且正确全面的把握结 构的整体性对概念设计形成的一种即崭新又合理的设计方 注重规范、规程中有关结构概念设计的种种规定，在设计中不 能陷入仅仅凭借计算的错误。如果结构非常不规则．并且整体 性也相当的差．则只按照目前的结构设计计算水平．难以确保 结构的结实性能。高层的建筑设计，应当及其重视概念设计。 高层建筑结构设计的复杂与精确性难以掌握，甚至有些不可 法。这种方法即充分结合施工的实际，叉符合理论的科学性． 从而也补充了理论的有些缺陷和不足。其实所谓的概念设计 也就是一般不经精确的计算。尤其是在一些难以规定的问题 中依照整体结构体系进行近似估算方法进行分析的一种设计 方法。这种方法的思想已逐渐被越来越多的结构工程师所接 纳和运用，并在他们的结构设计中起到了巨大的重要性 测试的因素无法估量从而导致建筑设计的失败。综上所述．概 ２概念设计在建筑设计中的地位 首先概念设计是建筑结构设计的核心，它贯穿于结构设 计的整个过程。所以．要想将建筑结构设计完成的够完美．必 须要把概念设计运用的很好 念设计在建筑设计中具有重要的地位。因此，我们应提高概念 设计的思想方式．丰富在社会上的经验．用一种创新的方式去 设计．去建筑（见图１）。 ３概念设计在建筑结构设计中的应用分析 概念设计在建筑中起着重要的作用，就近年来自然灾害 对我国建筑造成很大的负面影响．尤其是地震让我国流失了 许多财产．甚至付出了惨重的代价。因此我们应当注重概念设 概念设计不仅节约了许多材料和资金，而且能够以最快 的方式将荷载运用到基础、地基中。因此概念设计在建筑设计 中具有很大的重要性。对于一个成功、优越的工程师来说．完 美的概念结构一定是优秀的、有效的设计。但优秀的建筑结构 设计是与他们的生活阅历和实践息息相关的。经验越丰富的 计在建筑结构设计中的应用一建筑抗震的概念设计。建筑设 计要考虑下面的因素：场地的条件、场地土壤的稳定性和实用 性：抗震结构体系的适当选择、抗侧力构件的整理；建筑形体 距规定的安全性。在对国内相关研究空白领域进行了更深一 步探索的同时，也得到了一些有意义的结论： （１）分析缺陷影响域可以估算出缺陷体的位置以及Ｘ方 向上的尺寸 １９９８：１９５－２０２． 『２１雷靖．混凝土结构超声探伤的信号仿真与处理［Ｄ］．武汉：武汉理工 大学．２００６． 『３１孟军涛，颜胜才，陈辉，等．混凝土灌注桩桩身质量缺陷声波透射法 检测分析ｍ．铁道建筑，２０１４（６）：５７～５９． （２）当测点上下间距为３００ｍｍ时，将无法检测尺寸小于 １ ［４］宋广锋，刘和亮，李梦冉，等．基桩声波透射法检测数据处理的应用 研究Ⅲ．湖北工业大学学报，２０１４，２９（５）：１１３～ｌ１６． ［５］李廷，徐振华，罗俊．基桩声波透射法检测数据评判体系研究伽．岩 土力学，２０１０，３１（１０）：３１６５～３１７２． Ｌｏ的缺陷（Ｌｏ为测管间距），证明规范规定声测线间距不 叶Ｕ 兮 应大于１００ｍｍ是十分安全的 ０ ≥ Ｚ 当然，在本文的研究过程中也存在一些不足之处．如本文 计算模型比较理想化，混凝土的材料性质过于简单化．与实际 ０ 【７］中华人民共和国行业标准．《建筑基桩检测技术规范》（ＪＧＪ１０６—２０１４）． 情况存在一定的差别。同时本文所有数据均来自仿真分析．应 罡 北京：中国建筑工业出版社．２０１４．４． 《 Ｕ 用同样只停留在理论的阶段，没有工程中实际数据的对比．缺 ； 瞧 圭『 【６］吴庆增．基桩声测与动测技术ｆＭ１．北京：中国电力出版社，２００９． 乏现实依据 收稿日期：２０１５—１—５ 参考文献 帮 髦 ［１】吴慧敏．结构混凝土现场检测新技术【Ｍ］．长沙：湖南大学出版社 ｌ６８
