沖擊回波法檢測預應力孔道注漿質量的研究

■熊盡柯 ■中鐵二十四局集團貴溪橋梁廠有限公司，江西 貴溪 335400

在多數工程中，混凝土結構都處于非保護狀態下，因此混凝土結構受到來自自然環境、使用環境以及材料內部因素的損耗，其材料會隨著時間推移逐漸老化，進而將影響整個結構的性能，這是一個必然的發展結果。對于預應力混凝土橋梁，這種現象主要表現在混凝土的材性降低、腐蝕預應力束，進而造成有效預應力的損失和普通鋼筋的銹蝕，預應力及普通鋼筋力學性能一但銹蝕，預應力束及普通鋼筋與混凝土的粘結強度必然降低，將導致結構裂縫的出現與開展。這些因素的存在，對橋梁的耐久性和力學性能都會產生十分重大的影響，嚴重時將直接出現工程事故。

在預應力橋梁結構中，黏結預應力混凝土的所有優勢都是建立在預應力筋與混凝土黏結完好的基礎之上的［1］，所以保證孔道內部質量是保證預應力結構力學性能的主要質量控制部分。怎樣檢測預應力管道內混凝土的缺陷是保證預應力筋與混凝土黏結完好的重要手段，是確保后張法預應力混凝土橋梁順利發展的關鍵內容。對我國橋梁的建設和發展以及檢測有重大意義。

1 沖擊彈性波法檢測原理

1.1 沖擊彈性波的激發

沖擊回波法作為一種新式檢測方法，其基本原理是用不同直徑的的鋼球沖擊混凝土表面引起瞬態的應力波。這里不同直徑的鋼球決定了彈性波的沖擊能量，能量與球徑的關系如式(1)所示。

式中D 是鋼珠直徑，h 是沖擊高度。由于h 一般在10cm～20cm［1］，所以可以直接將上式簡化成式(2)。

所產生的沖擊波頻率和振幅分別如式(3)和(4)獲得。

式中fmax是最大頻率;

式中λ 為波長;CP為P 波波速(由現場測得)，C50 混凝土一般值為4000m/s。

1.2 沖擊彈性波的傳播與接收

應力波作為一種擊振波，含有縱波、橫波和表面波。而縱波的傳播特點是沖擊回波法對混凝土結構進行無損檢測的基本原理，縱波在激振產生的波中波速最大，在介質表面引起的位移比剪切波大，其傳播速度與介質的容變彈性有關。當彈性波從材料1 垂直入射到材料2 時，波速受材料和波阻抗及界面形式影響，即彈性波遇到截面變化或材質變化情況下時，其反映為一種與截面和材質相關的一種抗性，我們稱為波阻抗［2］。垂直入射的反射系數R 由(5)式給出:

其中Z1、Z2 表示材料1 和材料2 的波阻抗，由此可知，當彈性波由混凝土入射到空氣界面時，由于空氣阻抗遠小于混凝土，即R≈1，表明彈性波基本全部反射，產生一反射波，反射波傳回混凝土表面，并被貼合在激振點附近的壓電式加速度傳感器接收，轉換成電信號，經放大后存儲于計算機中。因為縱波為信號中的主要部分，因此厚度頻率的幅值峰在頻譜圖中可以清晰讀取。依據彈性波速度和回波頻率，利用公式(6)計算得到混凝土厚度或缺陷位置。

是形狀系數，對板或墻取0.96［3］，對于梁和柱該值更小，根據厚度和寬度的比值來確定。

混凝土與鋼材或其他硬質材料之間界面的反射形式不同。其厚度響應與無預應力管道部分相對應，但由于預應力束的存在，會出現一個較高的頻率幅值，大小可按公式(7)計算。

d 為鋼束距沖擊面的深度。

2 試驗部分

2.1 前期試驗

試驗將獲得兩組數據，分別為實體模型已知數據、有限元模擬試驗數據。前期試驗采用沖擊彈性波檢測混凝土板內部缺陷與回波響應頻率相關性的試驗已經完成［5］，獲得彈性波在混凝土內部不同工況下的回波頻譜響應，此次試驗將研究管道內部壓漿質量與彈性波回波頻率的相關性。

2.2 試驗模型

2.2.1 實體模型

建立長寬均為0.5m，厚度為0.35m 的板6 塊，板內擱置120mm 的管道，管道材質分別為金屬和塑料，金屬管道壁厚1mm，塑料管道壁厚為2mm。管內預應力束鋼絞線將并排捆綁在一起，共四根(為與有限元模擬工況相同)，寬度為35mm(17.5mm×2)，并位于孔道底部，如圖1 所示?？椎纼茸{情況分別為密實注漿、部分注漿和空管。

圖1 試驗板尺寸圖

實體模型的檢測將使用基于沖擊彈性波原理的多功能預應力孔道注漿質量檢測儀。在對孔道注漿檢測前，在非孔道位置進行聲速標定，獲得該批次混凝土的聲速CP為均值為3860m/s，將此數據作為反算基礎數值［4］。后對已經達到28d 齡期的模型，分別在頂板和底板進行檢測，這里只取注漿密實孔道數據作為對比數據，故只列出該組結果，反射數據如下表3 所示:

表3 實體梁檢測結果

2.2.2 有限元模型

建模使用軟件ANSYS/LS-DYNA，采用SOLID164 單元，假設沖擊彈性波檢測板結構內部缺陷時，結構響應處于線彈性狀態［7］。實際工程中，預應力混凝土梁強度等級一般大于C50，故取混凝土彈性模量為34GPa，泊松比0.2，密度為2400kg/m3，Cp 為4000m/s，沖擊采用17mm鋼錘，由式2 得沖擊時間曰為80us。鋼束位置、尺寸與實體相同。如圖1 所示，在頂部和底部來模擬梁頂板和底板兩種不同部位的檢測情況?？椎纼茸{情況分別為滿灌、部分注漿和空管。

忽略管壁厚，鋼束位于預應力管道上部時，鋼束距測試面距離為0.115m;鋼束位于預應力管道下部時，鋼束距測試面距離為0.2m。

2.3 試驗結果

由于已知板厚及內部注漿情況已知，可以獲得以下數據:

由公式6 可以算出注漿密實孔道對應板厚頻率fT為:

由公式7 可以計算出注漿密實孔道鋼束反射頻率fs為:

2.3.1 注漿密實孔道數據

由圖2 和圖3 可以讀出首波峰值，分別為5.673kHz、5.428kHz。與接近，可以判定以上兩個數據為板厚頻率。另外兩個波峰頻率為8.443kHz 和8.512kHz，對應孔道鋼絞線埋深頻率。

由圖4 和圖5 可以看到板厚頻率比較清晰與很接近，可以判定為板厚頻率;但無法識別鋼束的反射頻率，主要由于這是在頂板沖擊工況下，鋼束的反射頻率與過于接近，產生重疊，無法讀出頻譜值。

2.3.2 部分注漿孔道數據

由圖6 和圖7 可以看出，首波峰值為3.871kHz 和3.653kHz 雖然較板厚響應頻率減少，但仍可認為是板厚響應頻率，因為此工況是在預應力孔道部分注漿時測定的，應力波需要繞行空洞進行反射，所用時間加長，反射頻率值相應變小。再由圖1 可以了解，此時敲擊產生的彈性波經過孔道先發生的是混凝土/金屬界面反射，同樣的從圖6 和圖7 的二波峰值分別為8.642kHz 和7.947kHz，此時與滿灌時的鋼束反射基本相同［8］。

由圖8 和圖9 可以讀出首波峰值為3.653kHz 和3.476kHz，板厚頻率基本沒有變化，原理與地板沖擊基本相同。而二波峰值卻接近變化為前面的兩倍。這是由于鋼束位于孔道的下半部，其上孔道部分為空氣，如應力波傳遞至此界面需要經過混凝土/空氣界面，基本全反射，所以此二波峰實為孔道表面到內部空氣面的反射，應由公式6 計算，為:

2.3.2 全空孔道數據

圖10 全空孔道反射路徑圖

全空孔道發生兩種反射如圖10 所示，路徑1，所得頻值可以理解為向低頻移動的板厚頻率;路徑2，所得頻值可以理解為孔道深度，都將偏離密實注漿工況的頻譜圖值，但不含有孔道內部鋼束的反射信息。

3 結論與展望

在結構表面敲擊后產生的應力波在混凝土內部不同界面間發生透射或者反射，形成不同的回波頻譜數據，沖擊彈性波檢測預應力結構中孔道注漿質量的關鍵是就是讀取沖擊后的回波響應。當內部出現缺陷，將導致板厚和鋼束反射的明顯變化，并且在經過分析實體模型和有限元模擬數據后，更加明確相對于無注漿質量問題的孔道，有缺陷的孔道回波響應將出現異動，即數據偏移［6］，在今后的試驗中，為了能更好的使用沖擊彈性波法檢測預應力結構孔道注漿質量情況，必然需要更多的模擬驗證試驗來確定偏移規律，從而總結一套合理的判定標準來應用于實際工程中。

［1］王智豐，周先雁，晏班夫，等.沖擊回波法檢測預應力束孔管道壓漿質量［J］.振動與沖擊，2009，28(1).

［2］孫其臣.沖擊彈性波技術在水工混凝土結構無損檢測中的應用研究［D］.北京:中國水利水電科學研究院，2013.

［3］寧建國，黃新，曲華，等.沖擊回波法檢測混凝土結構［J］.中國礦業大學學報，2004(06).

［4］呂小彬，吳佳曄，等.沖擊回波測試混凝土試件彈性波波速研究［J］.中國水利水電科學研究院.2015(03).

［5］熊盡柯，郭亮.沖擊回波法對混凝土預制箱梁梁板厚度及缺陷檢測技術的應用［J］.2015(12).

［6］郭佳.基于沖擊回波法與支持向量機的預應力管道壓漿質量評定［D］.長沙:湖南大學，2014.

［7］ANSYS/LS-DYNA 中國技術支持中心.ANSYS/LS-DYNA 算法基礎和使用方法.北京:北京理工大學出版社，1999，1-53.

［8］傅翔，宋人心，王五平，等.沖擊回波法檢測預應力預留孔注漿質量［J］.施工技術，2003，32(11).