沖擊回波法檢測(cè)小箱梁孔道壓漿缺陷的研究

魏子然 張宏祥

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)分為先張法與后張法兩種，其中后張法普遍應(yīng)用于我國(guó)橋梁建設(shè)[1]。面對(duì)我國(guó)日益增長(zhǎng)的交通需要，大、中跨度橋梁中，箱梁是應(yīng)用形式最廣泛的橋梁，小箱梁以其施工方便，先簡(jiǎn)支后連續(xù)小箱梁結(jié)構(gòu)體系結(jié)合了連續(xù)梁和預(yù)制梁批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn),因此得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[2]。箱梁孔道壓漿是后張法施工過(guò)程中的關(guān)鍵工序，張拉力筋結(jié)束后要進(jìn)行孔道壓漿。孔道壓漿的作用主要有兩點(diǎn):一是粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋和灌漿料,確保混凝土與預(yù)應(yīng)力筋共同受力;二是防止預(yù)應(yīng)力筋受空氣、水和其他腐蝕性物質(zhì)侵入而銹蝕，從而降低應(yīng)力。如果壓漿不密實(shí),水和空氣的進(jìn)入使得處于高度張緊狀態(tài)的鋼絞線材料易發(fā)生腐蝕,造成有效預(yù)應(yīng)力降低[3]。實(shí)踐表明由于現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)落后及施工管理的疏忽，箱梁腹板預(yù)應(yīng)力孔道壓漿往往不密實(shí)[1]。本文通過(guò)測(cè)試不同尺寸缺陷的試塊模擬箱梁腹板缺陷，通過(guò)計(jì)算頻率與實(shí)測(cè)頻率對(duì)比，總結(jié)出沖擊回波法運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的規(guī)律特點(diǎn)，從而為箱梁預(yù)應(yīng)力孔道的養(yǎng)護(hù)提供有效建議。

1 沖擊回波法

1.1 沖擊回波法基本原理

沖擊回波法是一種基于使用由撞擊產(chǎn)生的應(yīng)力波對(duì)混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)方法[5]。其原理為通過(guò)輕拍小鋼球，使之與混凝土或砌體表面發(fā)生短期機(jī)械碰撞，從而產(chǎn)生一種可以穿過(guò)結(jié)構(gòu)物并在去缺陷處和外表面反射的低頻應(yīng)力波(彈性沖擊主要產(chǎn)生三種波，分別為P波、S波和R波；沖擊回波法主要應(yīng)用的是P波)[6]，因?yàn)椴ǖ姆瓷涠鸬谋砻嫖灰朴砂仓迷谂R近沖擊點(diǎn)處的傳感器記錄，產(chǎn)生的位移與時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域，得到振幅與頻率的關(guān)系圖[7]。應(yīng)力波在碰撞面、缺陷和構(gòu)件外表面之間的多次反射引起結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)共振，該共振可在頻譜圖中被識(shí)別，根據(jù)共振情況檢測(cè)結(jié)構(gòu)的完整性或確定缺陷的位置[8]。其基本原理見(jiàn)圖1。

1.2 關(guān)鍵頻率

在有缺陷的有界固體中，反射發(fā)生在各種內(nèi)部和外部界面上，引起不同頻率和振幅的表面位移，并產(chǎn)生非常復(fù)雜的波形[9]。在許多情況下，很難去確定波的準(zhǔn)確到達(dá)時(shí)間，并且從單獨(dú)的波形檢查上確定關(guān)鍵頻率，如果將波形轉(zhuǎn)換為頻域，則重要的頻率在振幅譜中以不同的峰值出現(xiàn)，這由傅立葉轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)公式來(lái)完成。它的基本原理就是任何與時(shí)間相關(guān)的函數(shù)都可以表示為不同振幅和頻率的正弦曲線之和[10]。在數(shù)字信號(hào)分析中，快速傅立葉變換是利用一種稱(chēng)為快速FFT的技術(shù)，將時(shí)域問(wèn)題轉(zhuǎn)化為頻域分析。

在箱梁預(yù)應(yīng)力孔道沖擊回波測(cè)試中，由于不同材料的波阻抗不同[11](如表1所示)，其求關(guān)鍵頻率的核心公式也不一樣：板厚和普通空洞頻率公式為f=βCP/2T，鋼筋頻率為f=βCP/4d；其中，β為板狀結(jié)構(gòu)的形狀因子，取0.96；CP為測(cè)試的P波波速；T為結(jié)構(gòu)物板厚或空洞深度；d為鋼筋埋置深度。在檢測(cè)灌漿質(zhì)量時(shí)，灌漿飽滿程度不同，其特征頻率響應(yīng)也不同[12]，具體如圖2所示。

表1 常見(jiàn)材料波阻抗

2 模型制作及準(zhǔn)備

2.1 儀器簡(jiǎn)介及注意事項(xiàng)

2.1.1儀器簡(jiǎn)介

本次試驗(yàn)所用沖擊回波儀的測(cè)試系統(tǒng)主要由6個(gè)部分組成，如圖3所示。

波速測(cè)試儀：將小球置于一側(cè)，可通過(guò)兩個(gè)傳感器接收應(yīng)力波的時(shí)間差直接計(jì)算波速。

手持傳感器：采集沖擊引起的表面位移并將其轉(zhuǎn)換為電壓—時(shí)間信號(hào)以二維數(shù)組形式輸出。

小鋼球：鋼球有10種直徑可供選擇，通過(guò)敲擊產(chǎn)生應(yīng)力波。

快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換釆集系統(tǒng)：接收、處理傳感器傳來(lái)的信號(hào)并傳送到計(jì)算機(jī)上。

筆記本電腦：連接沖擊回波儀，操作儀器。

IMPACT-E處理軟件：處理數(shù)據(jù)，提供被測(cè)結(jié)構(gòu)信息，輸出數(shù)字信息。

2.1.2注意事項(xiàng)

1)測(cè)試面處理：試驗(yàn)前要用細(xì)砂紙對(duì)測(cè)試表面進(jìn)行打磨；確保傳感器與測(cè)試面的接觸良好。

2)鋼球的選擇。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象為厚度0.2 m的薄板，故采用直徑為3 mm的小鋼球。

3)手持傳感器的位置：將手持傳感器置于0.6 m×0.6 m平面的中心。

4)敲擊點(diǎn)：考慮應(yīng)力波的衰減，小鋼球敲擊點(diǎn)應(yīng)在傳感器直徑6 cm范圍內(nèi)。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本實(shí)驗(yàn)主要研究箱梁不同材質(zhì)預(yù)應(yīng)力孔道灌漿飽滿度，故簡(jiǎn)化模型，但不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)工程實(shí)踐中常見(jiàn)的缺陷深度，第一組為塑料波紋管，第二組為金屬波紋管共設(shè)置10種典型缺陷模型，另外設(shè)置一個(gè)實(shí)心板塊測(cè)試波速；試件均采用C50商用混凝土，灌漿料采用高強(qiáng)無(wú)回縮灌漿料，水灰比為3∶20；鋼筋采用直徑為8 mm的螺紋鋼筋；試件尺寸均為0.6 m×0.6 m×0.2 m，孔道直徑均為55 mm；具體情況見(jiàn)表2，圖4。

表2 模型尺寸及缺陷表

2.3 波速測(cè)試

通過(guò)波速測(cè)試儀直接檢測(cè)。圖5為直接波速測(cè)試裝置示意圖；傳感器單元被剛性地夾在間隔條中間，隔條將傳感器單元固定在一個(gè)固定的距離L上，通常為300 mm，目的是測(cè)量球面P波波陣面在這兩條直線上的精確到達(dá)時(shí)間，如果那些時(shí)間為t1和t2，那么波速CP由式(1)給出：

(1)

選用實(shí)心試件進(jìn)行波速的測(cè)定，測(cè)試的電壓時(shí)差信號(hào)經(jīng)過(guò)處理如圖6所示。波速試驗(yàn)結(jié)果匯總于表3。

表3 波速結(jié)果匯總表

從表3可以得到，本論文大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示中，任取10次 混凝土波速測(cè)定范圍為4 255 m/s～4 511 m/s,10次取其平均值為4 433 m/s。最大單次測(cè)定值與平均值誤差率為4.01%，混凝土波速較為穩(wěn)定。故本次試驗(yàn)以4 433 m/s進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 第一組塑料波紋孔道缺陷結(jié)果分析

利用MATLAB中的快速傅立葉變化工具將儀器所測(cè)電壓及時(shí)間組成的頻域轉(zhuǎn)換為振幅及頻率組成的頻域分析。

第一組塑料波紋管的電壓—時(shí)間信號(hào)、振幅—頻率信號(hào)如圖7～圖12所示。1-1號(hào)～1-4號(hào)試件板厚/缺陷的計(jì)算頻率及實(shí)測(cè)頻率如表4所示，1-5號(hào)試件板厚/鋼筋的計(jì)算頻率及實(shí)測(cè)頻率如表5所示。

經(jīng)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，1-1號(hào)～1-5號(hào)試件的實(shí)際板厚頻率均比小于理論板厚頻率；1-1號(hào)與1-3號(hào)試件板厚與缺陷響應(yīng)基本一致；1-2號(hào)與1-4號(hào)試件板厚響應(yīng)基本一致；這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本正確；但是1-1號(hào)～1-3號(hào)的板厚漂移率均較大，可1-1號(hào)～1-3號(hào)的缺陷漂移頻率基本都為0，此現(xiàn)象說(shuō)明，當(dāng)P波檢測(cè)塑料波紋管內(nèi)的缺陷可以準(zhǔn)確識(shí)別，但是由于穿過(guò)塑料波紋管的P波在有缺陷的孔道內(nèi)發(fā)生多重反射，對(duì)板厚的計(jì)算出現(xiàn)偏差；通過(guò)1-4號(hào)與1-5號(hào)試件結(jié)果對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孔道內(nèi)有鋼筋時(shí)，鋼筋會(huì)發(fā)生5%左右的偏移，板厚頻率基本相同。

表4 板厚及深度頻率表

表5 板厚及鋼筋頻率表

3.2 第二組金屬波紋管缺陷分析

第二組金屬波紋管的電壓—時(shí)間信號(hào)、振幅—頻率信號(hào)如圖13～圖18所示。2-1號(hào)～2-4號(hào)試件板厚/缺陷的計(jì)算頻率及實(shí)測(cè)頻率如表6所示，2-5號(hào)試件板厚/鋼筋的計(jì)算頻率及實(shí)測(cè)頻率見(jiàn)表7。

表6 板厚及深度頻率表

表7 板厚及鋼筋頻率表

經(jīng)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，2-1號(hào)～2-5號(hào)試件的實(shí)際板厚頻率均小于理論板厚頻率；2-1號(hào)與2-3號(hào)試件板厚與缺陷響應(yīng)基本一致；2-2號(hào)與2-4號(hào)試件板厚響應(yīng)基本一致；這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本正確；但是2-1號(hào)和2-3號(hào)的板厚漂移率均較大，可2-1號(hào)和2-3號(hào)的缺陷漂移頻率基本都為0，此現(xiàn)象說(shuō)明，當(dāng)P波檢測(cè)塑料波紋管內(nèi)的缺陷可以準(zhǔn)確識(shí)別，但是由于穿過(guò)金屬波紋管的P波在有缺陷的孔道內(nèi)發(fā)生多重反射，對(duì)板厚的計(jì)算出現(xiàn)偏差；但是1-5號(hào)和2-5號(hào)的鋼筋頻率漂移率說(shuō)明，當(dāng)孔道內(nèi)存在預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)，金屬孔道壁和預(yù)應(yīng)力鋼筋之間形成四個(gè)鋼筋/混凝土界面，使P波的反射現(xiàn)象更明顯；1-2號(hào)和2-2號(hào)的板厚漂移率說(shuō)明，當(dāng)孔道內(nèi)有較小缺陷且壁為金屬時(shí)，P波反射更為嚴(yán)重。

4 結(jié)語(yǔ)

1)無(wú)論是金屬孔道壁還是塑料孔道壁均對(duì)板厚頻率產(chǎn)生較大影響，但是對(duì)孔道內(nèi)部缺陷的探測(cè)并無(wú)太大影響；

2)當(dāng)預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)缺陷較大時(shí)，板厚漂移率越大，板厚頻率誤差較大；當(dāng)缺陷越小時(shí)，板厚漂移率越小，板厚頻率越小；

3)當(dāng)預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)缺陷較大時(shí)，缺陷漂移率越小，缺陷頻率誤差較小；當(dāng)缺陷越小時(shí)，缺陷漂移率越大，缺陷頻率誤差越大；

4)當(dāng)內(nèi)部缺陷較小時(shí)，P波在金屬孔道壁的多重反射次數(shù)比塑料波紋孔道壁多，即對(duì)缺陷的誤差較大。