Page 85 - 《应用声学》2021年第4期

第 40 卷 第 4 期 Vol. 40, No. 4
2021 年 7 月 Journal of Applied Acoustics July, 2021

⋄ 研究报告 ⋄

利用表面波对预应力钢筒混凝土管砂浆保护层

开裂监测的数值仿真 ∗

胡少伟 † 汪 旭 任姝璇 朱开源

(重庆大学 重庆 400045)
摘要：预应力钢筒混凝土管 (PCCP) 长期受到土壤腐蚀介质与各种静动荷载耦合作用，当砂浆保护层出现裂
缝并不断发展会促使外界腐蚀介质锈蚀高强预应力钢丝，诱发断丝爆管事故，因此亟需开展 PCCP 管道运行
过程中的砂浆保护层开裂过程安全性监测方法的研究。在进行合理简化及消除不稳定因素的基础上，该文基
于 ABAQUS 有限元软件设置了长度、深度、宽度、频率 4 个对照组用于判断表面应力波监测 PCCP 环向裂缝
发展的效果 (主要依据接收端电压幅值的变化幅度判断)，发现接收端信号随裂缝深度增加时变化最为明显，
对预应力钢丝是否即将遭受腐蚀具有预警作用；而接收端信号幅值随裂缝宽度的增大会缓慢增加，且对裂缝
长度的变化敏感性较弱；在压电片间距相同 (1.2 m) 的情况下，10 kHz 为本次监测的最优频率。该文还改变了
压电陶瓷 (PZT) 的布置方式，比较了表面粘贴式和内置式两种方法的监测效果 (即比较面波与体波的监测效
果)，发现在 1.2 m 间距及 10 kHz 电压源频率下，面波监测的效果较好。上述结果表明 PZT 表面应力波动法
可用于 PCCP 砂浆保护层的监测，这对 PCCP 生命周期预测极具价值。
关键词：预应力钢筒混凝土管；压电传感技术；表面应力波；裂缝监测
中图法分类号: TU528.73 文献标识码: A 文章编号: 1000-310X(2021)04-0569-10
DOI: 10.11684/j.issn.1000-310X.2021.04.011

Numerical modeling on crack monitoring of mortar moating of PCCP
based on surface wave

HU Shaowei WANG Xu REN Shuxuan ZHU Kaiyuan

(Chongqing University, Chongqing 400045, China)

Abstract: Prestressed concrete cylinder pipe (PCCP) bears long-term coupling action of corrosion and static
and dynamic load. When cracks appear in the protective layer of mortar and develop continuously, the corro-
sion media corrode the high-strength prestressed steel wires, inducing the pipe burst accident. Therefore, it is
urgent to carry out the research on the safety monitoring method on mortar layer cracking during the operation
of PCCP. On the basis of reasonable simplification and elimination of unstable factors, four control groups of
length, depth, width and frequency are set to judge the effect of surface wave monitoring on PCCP circular
cracks (mainly through the amplitude of the receiving terminal voltage) based on ABAQUS finite element
software. It is found that the signal at the receiving terminal changes most obviously with the increase of crack
depth, which had an early warning effect on whether the prestressed steel wire was about to be corroded. The
amplitude of the signal at the receiving terminal increases slowly with the increase of the width, and hardly
changes with the change of the crack length. Under the condition of the same spacing of piezoelectric plates

2020-08-02 收稿; 2020-12-09 定稿
∗ 重庆市自然科学基金创新群体项目 (cstc2020jcyj-cxttX0003), 重庆市技术创新与应用发展专项重点项目 (cstc2019jscx-gksbx0013),
国家自然科学基金重点项目 (51739008)
作者简介: 胡少伟 (1969– ), 男, 河南开封人, 博士, 教授, 博士生导师, 研究方向: 工程结构无损检测与监测。
† 通信作者 E-mail: hushaowei@cqu.edu.cn