沖擊回波法檢測(cè)預(yù)應(yīng)力混凝土梁孔道注漿質(zhì)量的研究

毛晶 彭鵬

摘要：文章基于后張法預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)方法，采用沖擊回波技術(shù)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁孔道注漿質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，在注漿前識(shí)別空管位置，并對(duì)波紋管進(jìn)行缺陷設(shè)置，在已知缺陷位置的情況下與沖擊回波檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以研究該方法的可信度。檢測(cè)結(jié)果表明：沖擊回波法能準(zhǔn)確識(shí)別未注漿前預(yù)應(yīng)力孔道位置，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁注漿質(zhì)量檢測(cè)有較好的準(zhǔn)確度和精度，且檢測(cè)方法簡(jiǎn)單，檢測(cè)速度較快。

關(guān)鍵詞：沖擊回波法;波紋管;注漿質(zhì)量;檢測(cè)

0 引言

在后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁的制作中，波紋管注漿質(zhì)量是決定預(yù)應(yīng)力鋼絞線在橋梁使用過(guò)程中是否能長(zhǎng)期發(fā)揮作用的關(guān)鍵因素。波紋管注漿質(zhì)量差會(huì)加快預(yù)應(yīng)力鋼筋的銹蝕速度，導(dǎo)致有效預(yù)應(yīng)力降低，從而會(huì)降低橋梁承載力，減少橋梁使用壽命。因此確保波紋管的注漿質(zhì)量是非常重要的，必須高度重視。

1 孔道注漿密實(shí)度無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概述

目前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的橋梁孔道注漿密實(shí)度無(wú)損檢測(cè)方法主要有探地雷達(dá)方法、脈沖熱成像檢測(cè)方法、超聲波檢測(cè)方法以及沖擊回波法這四種。

超聲波層析成像技術(shù)主要處于在實(shí)驗(yàn)室研究階段[1]，室內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)超聲層析成像技術(shù)可以對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道注漿的孔洞缺陷有較好的檢測(cè)效果，但對(duì)數(shù)據(jù)處理要求較高，所需檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量多，檢測(cè)速度較慢[2]。探地雷達(dá)檢測(cè)方法基于電磁波原理，電磁波難以穿透金屬類預(yù)應(yīng)力管道，對(duì)其內(nèi)部缺陷難以判斷。同時(shí)電磁波受混凝土中普通鋼筋影響較大，對(duì)鋼筋密集的構(gòu)件難以檢測(cè)，測(cè)試精度低[3]。脈沖熱成像檢測(cè)技術(shù)探測(cè)的缺陷深度一般在3～4mm左右，且探測(cè)分辨率低，不適用于橋梁預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量檢測(cè)。沖擊回波法是目前對(duì)橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土波紋管注漿質(zhì)量比較有效的檢測(cè)方法。該方法受結(jié)構(gòu)體鋼筋影響小，可穿透金屬物體，在測(cè)試中可以避免高頻信號(hào)被吸收和受到過(guò)多雜波干擾問(wèn)題，因此具有較好的應(yīng)用前景。

2 沖擊回波法

2.1 基本原理

沖擊回波法是利用激振源在混凝土表面沖擊產(chǎn)生應(yīng)力波[4]，并利用應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)體中獲得的傳播信號(hào)的有無(wú)、強(qiáng)弱和傳播時(shí)間等特性來(lái)檢測(cè)結(jié)構(gòu)體內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。

圖1結(jié)構(gòu)物是板狀體，其內(nèi)部存在一個(gè)較大的空隙，圖中顯示沖擊回波法檢測(cè)該結(jié)構(gòu)體應(yīng)力波傳播的過(guò)程示意圖。沖擊器在敲擊結(jié)構(gòu)體表面時(shí)，產(chǎn)生縱波和橫波在板內(nèi)傳播，產(chǎn)生表面波在板的表面?zhèn)鞑??？v波和橫波在內(nèi)部缺陷處或外部邊界發(fā)生反射（阻抗差異），反射波或回波返回到表面時(shí)產(chǎn)生的位移被傳感器接收。由于縱波引起的表面位移比橫波大得多，沖擊回波法位移響應(yīng)主要由縱波控制[5]。圖1上方右側(cè)的圖顯示接收器接收到波在結(jié)構(gòu)體傳播的不同位移模式，起初敲擊表面波在結(jié)構(gòu)體表面?zhèn)鞑ィ鹱畲蟮南蛳挛灰?，隨后縱波在結(jié)構(gòu)體表面和內(nèi)部空隙中間多次反射，引起一系列低幅度向下位移。

2.2 分析方法

沖擊回波法利用接收傳感器接收反射回來(lái)的壓縮波，記錄時(shí)域信號(hào)，通過(guò)快速傅立葉變換，獲得頻率域信號(hào)（如圖2所示），經(jīng)過(guò)頻譜分析后獲得結(jié)構(gòu)響應(yīng)沖擊的主頻率f（振幅頻域曲線中單主峰值），如式（1）所示。

根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，實(shí)際與厚度及厚度頻率相關(guān)的波速約為縱波波速的96%，即Cpp=0.96Cp。測(cè)點(diǎn)處孔道注漿不密實(shí)或未注漿時(shí)，應(yīng)力波傳播路徑變長(zhǎng)，在管道處發(fā)生反射或繞射，對(duì)應(yīng)傳播時(shí)間變長(zhǎng)，因此計(jì)算厚度值偏大（檢測(cè)時(shí)P波通過(guò)板厚方向的波速設(shè)為定值），因此厚度偏移作為判斷缺陷位置的依據(jù)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及檢測(cè)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)檢測(cè)模型設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椋?0×80×25）cm預(yù)制混凝土預(yù)應(yīng)力梁板，共布設(shè)3根預(yù)應(yīng)力直管道（N1為塑料管，N2、N3為金屬管），波紋管管壁厚5mm、內(nèi)徑為50mm，板內(nèi)布置普通鋼筋?？椎李A(yù)應(yīng)力鋼絞線采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1860MPa、d=15.2mm的低松弛高強(qiáng)度鋼絞線，通過(guò)人為安放不同尺寸的軟泡沫來(lái)模擬孔道內(nèi)部的注漿缺陷。梁板孔道的測(cè)點(diǎn)布置及缺陷模擬見(jiàn)圖3及表1。

3.2 未注漿孔道測(cè)試及分析

混凝土梁澆筑7d后，在預(yù)應(yīng)力孔道注漿前，采用沖擊回波測(cè)試系統(tǒng)對(duì)預(yù)制梁板進(jìn)行檢測(cè)，定位預(yù)應(yīng)力孔道位置。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕瞎膊贾?條測(cè)線，每條測(cè)線間距為10cm，并豎向通過(guò)3條預(yù)應(yīng)力孔道，每條孔道有7個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距為10cm（見(jiàn)圖3），每個(gè)測(cè)點(diǎn)敲擊一次。檢測(cè)前需要對(duì)梁體進(jìn)行波速標(biāo)定，確定P波通過(guò)板厚方向的波速，此次波速標(biāo)定值為4510m/s。

圖4為試驗(yàn)梁預(yù)應(yīng)力孔道注漿前檢測(cè)結(jié)果平面成像圖，圖中直觀地顯示出預(yù)應(yīng)力孔道位置。由于應(yīng)力波傳播到空的孔道處發(fā)生繞射，傳播時(shí)長(zhǎng)增加，此變量作為此次識(shí)別預(yù)應(yīng)力梁孔道位置的主要依據(jù)。

3.3 注漿孔道內(nèi)部缺陷測(cè)試及分析

注漿14d后，對(duì)預(yù)制預(yù)應(yīng)力梁進(jìn)行孔道注漿質(zhì)量檢測(cè)。在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕瞎膊贾?條測(cè)線，每條測(cè)線間距為10cm，并豎向通過(guò)3條預(yù)應(yīng)力孔道，每條孔道有7個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距為10cm（見(jiàn)圖3），每個(gè)測(cè)點(diǎn)敲擊一次，對(duì)布置人為缺陷的位置，重復(fù)測(cè)試一次。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。

測(cè)點(diǎn)處孔道注漿密實(shí)性較好的部位，應(yīng)力波傳播到梁測(cè)試底面反射，傳播時(shí)長(zhǎng)接近在構(gòu)件混凝土中的傳播時(shí)長(zhǎng);測(cè)點(diǎn)處孔道存在缺陷部位，應(yīng)力波在其表面發(fā)生反射或在其邊緣發(fā)生繞射，傳播時(shí)長(zhǎng)增加，可以此判斷缺陷位置。

由圖5對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試驗(yàn)梁板N1孔道內(nèi)未檢測(cè)出缺陷，N2孔道內(nèi)2#缺陷坐標(biāo)范圍約為0.34～0.65m，N3孔道內(nèi)1#缺陷坐標(biāo)范圍約為0.13～0.26m。對(duì)比實(shí)際缺陷坐標(biāo)位置，沖擊回波法用于檢測(cè)預(yù)制梁預(yù)應(yīng)力金屬波紋管內(nèi)注漿質(zhì)量是可行的。具體孔道缺陷檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）沖擊回波檢測(cè)的基本原理以應(yīng)力波的反射和繞射特性為基礎(chǔ)，通過(guò)時(shí)域分析或頻率分析來(lái)確定缺陷位置及其他特征。

（2）沖擊回波法檢測(cè)能很好地識(shí)別未注漿時(shí)預(yù)應(yīng)力孔道的位置，普通鋼筋對(duì)其檢測(cè)結(jié)果影響較小。

（3）在被測(cè)結(jié)構(gòu)體表面光滑度較高的情況下，沖擊回波法對(duì)金屬孔道內(nèi)部注漿情況判斷具有較高的精度，但對(duì)塑料孔道內(nèi)注漿情況判斷效果不明顯。

（4）沖擊回波法目前只能定性地分析注漿缺陷，不可以使用沖擊回波法定量地檢測(cè)孔道注漿密實(shí)度。

參考文獻(xiàn)：

[1]DennisA.Sack，LarryD.Olson.AdvancedNDTmethodsforevaluatingconcretebridgesandotherstructures[J].1995，28（6）349-357.

[2]楊天春，易偉健，魯光根，等.預(yù)應(yīng)力T梁束孔管道壓漿質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)研究[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2006，（3）：411-415.

[3]鮑亦興，彈性波的衍射與動(dòng)應(yīng)力集中[M].北京：科學(xué)出版社，1993.

[4]Sansalone，M.，andCarion，N.J..ImpactEcho：AMethodforFlawDetectioninConcreteUsingTransientStressWaves[S].NBSIR863452，NationalBureauofStandards，1986.

[5]Lin，J.M.，andSansalone，M..AProcedureforDeterminingPwaveSpeedinConcreteforUseinImpactEchoTestingUsingaRayleighWaveSpeedMeasurementTechnique[C].InnovationsinNondestructiveTesting，SP168，S.PessikiandL.Olson，Eds.，AmericanConcreteInstitute，F(xiàn)armingtonHills，MI，1997.