地鐵預(yù)應(yīng)力橋梁孔道灌漿密實(shí)度超聲波檢測技術(shù)

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(1.中國石油大學(xué)(北京)理學(xué)院，北京 102249；2.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)北京環(huán)安工程檢測有限責(zé)任公司，北京 100082)

混凝土預(yù)應(yīng)力橋梁作為重要的城市軌道交通結(jié)構(gòu)，不但對(duì)城市交通運(yùn)行起到舉足輕重的作用，其安全性還關(guān)系到廣大人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。我國市內(nèi)橋梁主要采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)形式建造，其病害多為構(gòu)件裂縫、預(yù)應(yīng)力孔道灌漿不密實(shí)以及環(huán)境因素導(dǎo)致的鋼筋銹蝕等耐久性損傷。相對(duì)于普通鋼筋而言，預(yù)應(yīng)力鋼筋由于本身存在預(yù)加應(yīng)力，一旦發(fā)生銹蝕就會(huì)在蝕坑處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力下降，甚至發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂而帶來嚴(yán)重的安全隱患。例如，2015年7月，北京地鐵某條線路中出現(xiàn)的預(yù)應(yīng)力橋梁損傷事件，暴露出運(yùn)營單位對(duì)預(yù)應(yīng)力橋梁病害認(rèn)識(shí)不足及預(yù)應(yīng)力橋梁隱蔽病害難以發(fā)現(xiàn)等問題。為了提高地鐵預(yù)應(yīng)力橋梁孔道灌漿密實(shí)度檢出率從而保障運(yùn)營安全，筆者通過模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)研究了針對(duì)預(yù)應(yīng)力橋梁隱蔽病害的超聲波檢測技術(shù)。

1 超聲檢測原理及試驗(yàn)方法

當(dāng)混凝土的原材料、配合比、內(nèi)部質(zhì)量及測試距離一定時(shí)，超聲波在其中傳播的速度、首波的幅度及接收信號(hào)的頻率等聲學(xué)參數(shù)的測量值應(yīng)基本一致[1-3]。如果結(jié)構(gòu)混凝土局部區(qū)域內(nèi)存在空洞、不密實(shí)等缺陷，則測得的聲時(shí)值將偏大，波幅及頻率將降低[4-5]。

混凝土超聲檢測法是通過測量超聲波在混凝土中的傳播速度、回波幅度和接收信號(hào)主頻率等聲學(xué)參數(shù)的相對(duì)變化來判定待測混凝土橋梁內(nèi)部的狀態(tài)，從而發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷的方法[6-7]。

2 超聲檢測設(shè)備性能及參數(shù)

模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場檢測采用A1220 EYECON超聲檢測儀，儀器參數(shù)為：回波信號(hào)的最大可視化深度,2 150 mm;工作時(shí)間,8 h;混凝土最大檢測厚度,600 mm;工作溫度范圍,-20～45 ℃;最小缺陷識(shí)別尺寸,30 mm;超聲波頻率,10 kHz～300 kHz;探測深度誤差范圍,±10%;電源,內(nèi)置充電電池。該儀器用于解決混凝土結(jié)構(gòu)、石材、瀝青的缺陷和厚度檢測等問題，其特性是可在諸如建筑物、橋梁、隧道等建筑的一端通過回聲的方法測試物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最主要的優(yōu)勢是檢測時(shí)使用干點(diǎn)接觸傳感器天線陣列，所以測試時(shí)不需要使用任何耦合劑[8]。

3 預(yù)應(yīng)力孔道檢測工藝設(shè)計(jì)

針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁由于施工等因素造成的梁內(nèi)蜂窩空洞等問題，在試驗(yàn)梁內(nèi)埋置泡沫塊與空塑料瓶進(jìn)行隱蔽病害模擬。

采用預(yù)應(yīng)力混凝土試驗(yàn)梁作為主要的試驗(yàn)試件，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50，梁內(nèi)布置3個(gè)預(yù)應(yīng)力孔道，每個(gè)預(yù)應(yīng)力孔道布置1根預(yù)應(yīng)力鋼絞線，縱筋采用φ20 mm的HRB 400鋼筋，箍筋采用φ12 mm的HRB 335鋼筋。波紋管采用塑料波紋管、金屬波紋管與抽拔橡膠棒三種方式成孔，波紋管內(nèi)徑為50 mm。灌漿采用普通工藝，灌漿材料具有足夠的抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度，試驗(yàn)梁的整體尺寸(長×高×寬)為4 000 mm×600 mm×300 mm，預(yù)制梁隱蔽病害模擬示意如圖1所示，梁內(nèi)泡沫布置示意如圖2所示，試驗(yàn)梁截面如圖3(圖中A1表示箍筋，N1表示底部受力筋，N2表示加力筋)所示。

圖1 混凝土梁隱蔽病害模擬示意

圖2 梁內(nèi)泡沫布置示意

圖3 試驗(yàn)梁截面示意

試驗(yàn)梁內(nèi)布置3孔預(yù)應(yīng)力孔道，孔道直徑為50 mm，采用預(yù)埋波紋管和抽拔橡膠棒成孔方法，在豎向平面內(nèi)呈曲線布置。試驗(yàn)設(shè)置的不同組合形式如表1所示。

為了模擬梁體內(nèi)的蜂窩夾層等不密實(shí)情況，需要在梁內(nèi)設(shè)置塑料泡沫(尺寸為1～10 cm3，間距為30 cm)，將其固定在箍筋上，布置示意如圖4所示。

圖4 預(yù)應(yīng)力孔道泡沫布置示意

試驗(yàn)梁編號(hào)箍筋形式/mm通長筋形式/排不密實(shí)區(qū)域/cmL15021～10L25031～10L35051～10L410021～10L510031～10L610051～10L715021～10L815031～10L915051～10

針對(duì)目前已有混凝土結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)的特點(diǎn)，考慮不密實(shí)區(qū)域尺寸(邊長為1～10 cm的立方塊泡沫)對(duì)測量的影響，在試驗(yàn)梁內(nèi)埋置泡沫塊進(jìn)行隱蔽病害模擬。

另外，考慮鋼筋數(shù)量和間距對(duì)測量的影響，設(shè)置不同配筋的試驗(yàn)梁(箍筋間距為5，10，15 cm；縱向架立鋼筋0，2，6根)進(jìn)行檢測分析。

為了模擬預(yù)應(yīng)力孔道灌漿不密實(shí)情況，需要在孔道內(nèi)設(shè)置塑料泡沫，泡沫每間隔10 cm固定在鋼絞線上，穿入波紋管中，其定位布置及布置形式如圖5，6所示。

圖5 鋼絞線上泡沫的定位布置示意

圖6 孔道內(nèi)泡沫布置形式

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

模擬梁預(yù)制完成并滿足設(shè)計(jì)要求后，對(duì)梁內(nèi)的模擬缺陷隱蔽病害進(jìn)行超聲檢測，現(xiàn)場檢測如圖7所示，部分檢測結(jié)果如圖8～10所示。現(xiàn)場檢測完成后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果如下所述。

圖7 超聲波現(xiàn)場檢測圖片

(1) 缺陷大小對(duì)檢測結(jié)果的影響

從圖8(a)可以看出，在無缺陷無鋼筋的區(qū)域，超聲波在首波與梁底反射信號(hào)(約300 mm處)之間基本無強(qiáng)反射信號(hào)，說明該處混凝土較密實(shí)，且內(nèi)部無異物(空洞或鋼筋)。

圖8 L1梁不同尺寸缺陷超聲波信號(hào)

圖9 不同鋼筋配置對(duì)檢測結(jié)果的影響

從圖8(b)～(f)中可以看出，在距離表面75 mm處有一強(qiáng)反射信號(hào)，且基本無底部反射，說明該處混凝土存在空洞，且空洞較大，超聲波信號(hào)基本全部被反射。

從圖8(g),8(h)中可以看出，在距離表面50～150 mm之間存在強(qiáng)反射信號(hào)，根據(jù)試驗(yàn)梁的設(shè)計(jì)情況，判斷其為鋼筋、波紋管或預(yù)設(shè)缺陷所致。但考慮到鋼筋與預(yù)設(shè)缺陷埋深基本一致，并不能區(qū)分兩者信號(hào)的差別，也就不能判斷梁體內(nèi)部是否存在缺陷。試驗(yàn)得出，超聲波檢測技術(shù)能夠檢測到梁內(nèi)最小尺寸為5 cm的缺陷。

(2) 鋼筋對(duì)檢測結(jié)果的影響

選取鋼筋配置情況相同的梁，分析鋼筋對(duì)檢測結(jié)果的影響，選取1號(hào),3號(hào),4號(hào),6號(hào)梁進(jìn)行對(duì)比。從圖9(a)～(d)可以看出，缺陷反射基本無差別，底部反射信號(hào)不明顯，說明鋼筋對(duì)10 cm缺陷超聲信號(hào)基本無影響。從圖9(e)～(h)可以看出，缺陷反射差異比較大，說明1號(hào)梁及3號(hào)梁可見缺陷反射，4號(hào)梁及6號(hào)梁缺陷反射信號(hào)不明顯，鋼筋對(duì)7 cm缺陷超聲信號(hào)有一定影響，說明鋼筋位置對(duì)檢測結(jié)果有影響。

(3) 波紋管材料對(duì)檢測結(jié)果的影響

從圖10(a)～(f)(以L1梁和L2梁為例)可以看出，在距離表面約150 mm處均存在一強(qiáng)反射信號(hào)，對(duì)試驗(yàn)梁的設(shè)計(jì)資料進(jìn)行分析可知，該反射可能為波紋管、鋼絞線或預(yù)設(shè)缺陷的反射，并不能明確說明是否存在缺陷。

5 結(jié)論

在對(duì)地鐵預(yù)應(yīng)力橋梁孔道缺陷的無損檢測方法中，超聲波檢測技術(shù)適用性強(qiáng)，檢測效果較好，能夠檢測出最小尺寸為5 cm的不密實(shí)缺陷，且能確定波紋管的位置。但是，預(yù)應(yīng)力梁內(nèi)的鋼筋位置對(duì)檢測結(jié)果有一定影響。

圖10 不同類型波紋管對(duì)超聲波信號(hào)的影響