冲击回波法检测预应力混凝土梁孔道注浆质量的研究

毛晶 彭鹏

摘要：文章基于后张法预应力孔道注浆质量无损检测方法，采用冲击回波技术对预应力混凝土梁孔道注浆质量进行检测，在注浆前识别空管位置，并对波纹管进行缺陷设置，在已知缺陷位置的情况下与冲击回波检测结果进行对比分析，以研究该方法的可信度。检测结果表明：冲击回波法能准确识别未注浆前预应力孔道位置，对预应力混凝土梁注浆质量检测有较好的准确度和精度，且检测方法简单，检测速度较快。

关键词：冲击回波法;波纹管;注浆质量;检测

0 引言

在后张法预应力混凝土梁的制作中，波纹管注浆质量是决定预应力钢绞线在桥梁使用过程中是否能长期发挥作用的关键因素。波纹管注浆质量差会加快预应力钢筋的锈蚀速度，导致有效预应力降低，从而会降低桥梁承载力，减少桥梁使用寿命。因此确保波纹管的注浆质量是非常重要的，必须高度重视。

1 孔道注浆密实度无损检测技术概述

目前国内外常见的桥梁孔道注浆密实度无损检测方法主要有探地雷达方法、脉冲热成像检测方法、超声波检测方法以及冲击回波法这四种。

超声波层析成像技术主要处于在实验室研究阶段[1]，室内试验研究发现超声层析成像技术可以对预应力孔道注浆的孔洞缺陷有较好的检测效果，但对数据处理要求较高，所需检测点数量多，检测速度较慢[2]。探地雷达检测方法基于电磁波原理，电磁波难以穿透金属类预应力管道，对其内部缺陷难以判断。同时电磁波受混凝土中普通钢筋影响较大，对钢筋密集的构件难以检测，测试精度低[3]。脉冲热成像检测技术探测的缺陷深度一般在3～4mm左右，且探测分辨率低，不适用于桥梁预应力孔道注浆质量检测。冲击回波法是目前对桥梁预应力混凝土波纹管注浆质量比较有效的检测方法。该方法受结构体钢筋影响小，可穿透金属物体，在测试中可以避免高频信号被吸收和受到过多杂波干扰问题，因此具有较好的应用前景。

2 冲击回波法

2.1 基本原理

冲击回波法是利用激振源在混凝土表面冲击产生应力波[4]，并利用应力波在结构体中获得的传播信号的有无、强弱和传播时间等特性来检测结构体内部缺陷的无损检测方法。

图1结构物是板状体，其内部存在一个较大的空隙，图中显示冲击回波法检测该结构体应力波传播的过程示意图。冲击器在敲击结构体表面时，产生纵波和横波在板内传播，产生表面波在板的表面传播。纵波和横波在内部缺陷处或外部边界发生反射（阻抗差异），反射波或回波返回到表面时产生的位移被传感器接收。由于纵波引起的表面位移比横波大得多，冲击回波法位移响应主要由纵波控制[5]。图1上方右侧的图显示接收器接收到波在结构体传播的不同位移模式，起初敲击表面波在结构体表面传播，引起最大的向下位移，随后纵波在结构体表面和内部空隙中间多次反射，引起一系列低幅度向下位移。

2.2 分析方法

冲击回波法利用接收传感器接收反射回来的压缩波，记录时域信号，通过快速傅立叶变换，获得频率域信号（如图2所示），经过频谱分析后获得结构响应冲击的主频率f（振幅频域曲线中单主峰值），如式（1）所示。

根据大量试验数据结果显示，实际与厚度及厚度频率相关的波速约为纵波波速的96%，即Cpp=0.96Cp。测点处孔道注浆不密实或未注浆时，应力波传播路径变长，在管道处发生反射或绕射，对应传播时间变长，因此計算厚度值偏大（检测时P波通过板厚方向的波速设为定值），因此厚度偏移作为判断缺陷位置的依据。

3 现场试验及检测结果分析

3.1 试验检测模型设计

现场试验模型为（80×80×25）cm预制混凝土预应力梁板，共布设3根预应力直管道（N1为塑料管，N2、N3为金属管），波纹管管壁厚5mm、内径为50mm，板内布置普通钢筋。孔道预应力钢绞线采用抗拉强度标准值fpk=1860MPa、d=15.2mm的低松弛高强度钢绞线，通过人为安放不同尺寸的软泡沫来模拟孔道内部的注浆缺陷。梁板孔道的测点布置及缺陷模拟见图3及表1。

3.2 未注浆孔道测试及分析

混凝土梁浇筑7d后，在预应力孔道注浆前，采用冲击回波测试系统对预制梁板进行检测，定位预应力孔道位置。试验模型上共布置7条测线，每条测线间距为10cm，并竖向通过3条预应力孔道，每条孔道有7个测点，测点间距为10cm（见图3），每个测点敲击一次。检测前需要对梁体进行波速标定，确定P波通过板厚方向的波速，此次波速标定值为4510m/s。

图4为试验梁预应力孔道注浆前检测结果平面成像图，图中直观地显示出预应力孔道位置。由于应力波传播到空的孔道处发生绕射，传播时长增加，此变量作为此次识别预应力梁孔道位置的主要依据。

3.3 注浆孔道内部缺陷测试及分析

注浆14d后，对预制预应力梁进行孔道注浆质量检测。在试验模型上共布置7条测线，每条测线间距为10cm，并竖向通过3条预应力孔道，每条孔道有7个测点，测点间距为10cm（见图3），每个测点敲击一次，对布置人为缺陷的位置，重复测试一次。检测结果见图5。

测点处孔道注浆密实性较好的部位，应力波传播到梁测试底面反射，传播时长接近在构件混凝土中的传播时长;测点处孔道存在缺陷部位，应力波在其表面发生反射或在其边缘发生绕射，传播时长增加，可以此判断缺陷位置。

由图5对测试数据进行分析，试验梁板N1孔道内未检测出缺陷，N2孔道内2#缺陷坐标范围约为0.34～0.65m，N3孔道内1#缺陷坐标范围约为0.13～0.26m。对比实际缺陷坐标位置，冲击回波法用于检测预制梁预应力金属波纹管内注浆质量是可行的。具体孔道缺陷检测结果见表2。

4 结语

（1）冲击回波检测的基本原理以应力波的反射和绕射特性为基础，通过时域分析或频率分析来确定缺陷位置及其他特征。

（2）冲击回波法检测能很好地识别未注浆时预应力孔道的位置，普通钢筋对其检测结果影响较小。

（3）在被测结构体表面光滑度较高的情况下，冲击回波法对金属孔道内部注浆情况判断具有较高的精度，但对塑料孔道内注浆情况判断效果不明显。

（4）冲击回波法目前只能定性地分析注浆缺陷，不可以使用冲击回波法定量地检测孔道注浆密实度。

参考文献：

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

[2]杨天春，易伟健，鲁光根，等.预应力T梁束孔管道压浆质量的无损检测试验研究[J].振动工程学报，2006，（3）：411-415.

[3]鲍亦兴，弹性波的衍射与动应力集中[M].北京：科学出版社，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，FarmingtonHills，MI，1997.