红外热成像技术检测钢管混凝土管壁缺陷的数值模拟研究

摘要

随着高层建筑和超高层建筑的不断发展，具有承载力高、抗震性能好、施工便捷和环保经济等诸多优点的钢管混凝土作为超高层建筑的主要承重体系在建筑业中的应用越来越广泛。但是由于浇筑完成后钢管内的混凝土又处于隐蔽状态，无法对其浇筑质量进行直观检查。因此，在实际工程中对钢管混凝土的浇筑质量进行有效的检测，对于保证钢管混凝土构件的正常工作和保障工程结构的安全性能具有非常重要的意义。然而，目前较广泛应用的人工敲击法、超声法和冲击回波法等无法很好地解决工程应用中安全性与经济性的矛盾。红外热成像技术是一种简洁、快速的无损检测方法，已有试验研究初步表明利用该技术检测钢管混凝土管壁空鼓缺陷在一定壁厚条件下是可行的，但还需要更进一步深入研究。　　本文基于红外热成像技术的检测理论和钢管混凝土的热传导理论，在已有理论及试验研究的基础上，对水化热条件下和外界热激励条件下带管壁缺陷钢管混凝土试件的热传导过程进行了有限元模拟，研究了在水化热条件下和外界热激励条件下利用红外热成像技术检测钢管混凝土管壁缺陷的可行性，分析了钢管壁厚、缺陷几何尺寸、缺陷深度等缺陷自身因素和环境温度、对流换热情况、外部热激励强度及时间时间等外部检测因素对带管壁缺陷钢管混凝土试件表面温度分布和红外热成像检测效果的影响，并将部分研究分析结果与已有理论及试验研究结果进行了对比验证，主要得出以下几点结论：　　①水化热条件下管壁缺陷引起的钢管混凝土表明温度差异很小，很难被仪器所识别，在水化热条件下利用红外热成像技术检测钢管混凝土管壁缺陷是不可行的，要想达到检测的目的，必须借助外界热源等其他手段。　　②外界热激励条件下管壁缺陷会导致钢管混凝土表面缺陷区域的温度比非缺陷区域高，温度差能够被仪器所识别；在外界热激励条件下利用红外热成像技术检测钢管混凝土管壁缺陷是可行的；加热过程温度差不断增大，存在温度差异的区域面积也不断增大，但加热结束后，温度差迅速减小，检测工作宜在加热阶段末段进行。　　③钢管壁厚是影响红外热成像检测的最关键因素，随着钢管壁厚的增大，钢管表面缺陷区域与非缺陷区域的温度差迅速减小，存在温度差异的区域面积也不断减小；缺陷尺寸是影响红外热成像检测的重要因素，随着缺陷尺寸的增大，钢管表面缺陷区域与非缺陷区域的温度差不断增大；缺陷厚度对红外热成像检测的影响几乎可以忽略不计，随着缺陷尺寸的增大，钢管表面缺陷区域与非缺陷区域的温度差变化幅度极小，说明利用红外热成像技术检测钢管混凝土试件中钢管与混凝土交界面的脱黏缺陷也是可行的。　　④内加强环与钢管壁交接处阴角位置的管壁缺陷也是可以利用红外热成像技术进行检测的，但效果比普通位置管壁缺陷的检测效果要略差；内加强环的厚度和宽度均不会影响管壁缺陷引起的局部温度差异。　　⑤环境温度在整个加热和散热过程中均不会对缺陷表面温度分布产生影响，对流换热系数的大小在加热过程中不会对缺陷表面温度分布产生影响，在散热过程中会导致缺陷表面与非缺陷表面的温度差下降更快。　　⑥在钢管混凝土表面施加热流强度的大小和时间均会对温度差和检测效果产生重要的影响，热流强度大小的影响是近似成正比的，而热激励时间的影响不是正比关系，随着加热时间的延长，温度差增大的程度越来越小。

目录

1绪论

1.1课题的提出及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3研究内容及技术路线

2红外热成像技术检测钢管混凝土管壁缺陷的理论基础

2.1红外热成像检测技术简介

2.2红外热成像技术的检测原理

2.3钢管混凝土缺陷热传导理论

2.4本章小结

3水化热条件下带管壁缺陷钢管混凝土热传导有限元模拟

3.1 ANSYS热分析的基础理论与应用

3.2模拟方案

3.3模拟结果分析

3.4本章小结

4热激励条件下带管壁缺陷钢管混凝土热传导有限元模拟

4.1模拟方案

4.2各时刻表面温度场分布

4.3钢管壁厚对钢管表面温度场分布影响分析

4.4缺陷大小对钢管表面温度场分布影响分析

4.5缺陷厚度对钢管表面温度场分布影响分析

4.6各因素影响程度分析及试验规律对比

4.7内加强环处管壁缺陷分析

4.8本章小结

5检测因素对带管壁缺陷钢管混凝土表面温度分布影响分析

5.1环境温度

5.2对流换热系数

5.3热流强度

5.4热激励时间

5.5本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献