沖擊回波法在預(yù)制箱梁壓漿密實(shí)度檢測中的應(yīng)用

趙穎超 王 鋒

(陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司，陜西西安 710075)

0 引言

預(yù)應(yīng)力橋梁的預(yù)應(yīng)力孔道壓漿質(zhì)量在很大程度上決定了橋梁結(jié)構(gòu)的安全和耐久性能。因此在工程實(shí)際中，后張法預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的管道壓漿質(zhì)量一直受到特別重視［1］。預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼筋大多為平直或彎曲布置，在實(shí)際的孔道壓漿操作中一般采用壓力灌漿或真空輔助壓漿工藝，但由于壓漿材料制約、管道雜物堵塞、壓漿工藝選取不當(dāng)、現(xiàn)場工人不熟練等原因，孔道壓漿常存在不密實(shí)，甚至空洞的情況。這將加速在高預(yù)應(yīng)力下的鋼絞線銹蝕現(xiàn)象，使預(yù)應(yīng)力損失加重，設(shè)置預(yù)應(yīng)力的效果有限。

因此，為了達(dá)到設(shè)置預(yù)應(yīng)力的目的，保證結(jié)構(gòu)的耐久性能，對預(yù)應(yīng)力孔道的壓漿密實(shí)度進(jìn)行無損檢測是十分必要的。

本文使用現(xiàn)場預(yù)制混凝土箱梁進(jìn)行檢測，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用意義。使用新型沖擊回波測量儀CTG-1TF，對比在同一根預(yù)應(yīng)力管道上實(shí)測沖擊回波主頻值的變化規(guī)律來預(yù)測管道的壓漿是否密實(shí)，在此次預(yù)制箱梁的密實(shí)度檢測中取得了滿意的效果。

1 沖擊回波法基本原理

沖擊回波法:機(jī)械沖擊混凝土結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生縱波P波、橫波S波、表面波R波。應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播時，在聲阻抗有差異的分界面將發(fā)生反射、繞射和折射現(xiàn)象，返回到結(jié)構(gòu)表面時引起結(jié)構(gòu)表面的位移響應(yīng)，置于沖擊點(diǎn)附近的位移傳感器接收到這些位移，形成時間—位移波形，然后通過快速傅里葉變換再將這個時間—位移波形轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域的頻率—振幅波形圖即頻譜圖。從頻譜圖上就可得到結(jié)構(gòu)的厚度主頻和缺陷信息。在這三種波中，由于縱波的傳播速度和多次反射后引起的混凝土表面位移最大，所以可判斷在沖擊回波測試中主要依靠的是縱波，若板厚較小時，表面波也會產(chǎn)生較大影響［2，3］(見圖1)。

圖1 沖擊回波法基本原理

1.1 快速傅里葉變換(FFT)

傳感器得到的時域位移信號為y(t)，然后通過傅里葉變換轉(zhuǎn)換為頻域信號。

對周期為T的任意時域位移信號:

傅里葉級數(shù)的復(fù)數(shù)形式為:

設(shè):

有:

式(4)為傅里葉變換，式(5)為傅里葉變換的逆變換，式(4)中Y(jw)是傅里葉頻譜，其絕對值叫做振幅頻譜［4］。完成了沖擊回波時域位移信號到頻域振幅信號的快速傅里葉變換。

1.2 沖擊回波的主頻

混凝土結(jié)構(gòu)的沖擊回波信號受P波波速和混凝土板厚的影響［5］，通過預(yù)應(yīng)力管道時的傳播路徑如圖2a)所示，并有下式:

其中，fp為回波信號的主頻;λ為混凝土結(jié)構(gòu)截面的形狀系數(shù);vP為結(jié)構(gòu)P波速度;T為混凝土板厚。

圖2 不同密實(shí)度下沖擊波的傳播路線和主頻示意圖

當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)含空管時，沖擊波的傳播方式如圖2a)中b所示，即應(yīng)力波將在空管處發(fā)生繞射，這使沖擊波在結(jié)構(gòu)中的傳播周期增加，主頻將向低頻方向移動。這時計(jì)算主頻值時，需要在式(6)基礎(chǔ)上乘一個修正系數(shù)α，α的大小與空管直徑與T的比例有關(guān)。

得:

圖2表示了在不同壓漿密實(shí)性下沖擊波的傳播路線和對應(yīng)的沖擊回波主頻示意。a，b，c，d代表沖擊波在箱梁中傳播的4種情況，fa，fb，fc，fd是這4種沖擊波在不同壓漿密實(shí)性下的主頻，fduct為預(yù)應(yīng)力金屬波紋管道的反射峰值頻率。

當(dāng)管道的壓漿密實(shí)時，傳播路線如圖2a)中d所示，理論主頻應(yīng)和無管道下混凝土板的主頻相等。但實(shí)際上，我國所使用的壓漿料一般為純水泥漿，采用壓力壓漿或真空輔助壓漿工藝以及其他施工情況的不同，在預(yù)應(yīng)力管道壓漿施工后，常有管道中水泥漿未完全充滿、水泥漿硬化后收縮，漿體固結(jié)后和管壁之間有微小裂隙，導(dǎo)致實(shí)測的主頻fd比等厚度的混凝土板主頻fa略低。

當(dāng)管道壓漿不完全密實(shí)時，傳播路線如圖2a)中c所示，主頻fc介于未壓漿和壓漿密實(shí)之間，并隨壓漿飽滿度的下降，逐漸接近未壓漿管道下測得的主頻fb。

當(dāng)測試的管道未壓漿時，傳播路線如圖2a)中b所示，主頻fb最低，理論主頻可由式(7)計(jì)算得出。

2 現(xiàn)場檢測

2.1 研究對象

所檢預(yù)制箱梁:C50混凝土，長30 m，端部(5 m)腹板截面變厚度，端部厚度最大32 cm，最小20 cm。預(yù)應(yīng)力孔道的直徑均為65 mm(含外徑)。圖3為主要測區(qū)，測線沿與波紋管方向平行。試驗(yàn)箱梁已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%，齡期不小于28 d，注漿齡期不小于14 d。

2.2 檢測儀器

現(xiàn)場檢測儀器為美國OLSON儀器設(shè)備公司的沖擊回波測試系統(tǒng)-CTG1TF。主要技術(shù)參數(shù):頻率范圍:0 kHz～22 kHz;測試厚度范圍:8 cm～150 cm;測量精度:2%(見圖4)。

圖3 檢測的預(yù)制梁

圖4 測試儀器

2.3 測線布置

現(xiàn)場測區(qū)測線布置時，選取較易出現(xiàn)壓漿不密實(shí)的進(jìn)漿口和出漿口測試。測線上每個點(diǎn)的間距為10 cm，每條測線均沿波紋管方向，分別測試距進(jìn)漿口和出漿口5 m范圍內(nèi)的波紋管，如圖5所示。

圖5 測線示意圖

檢測時儀器探頭垂直預(yù)應(yīng)力管道的方向。當(dāng)預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)壓漿不密實(shí)時，在一個區(qū)域都會檢測到缺陷，測點(diǎn)間隔根據(jù)實(shí)際情況即距進(jìn)漿口位置、波紋管走向變化等情況來確定，可以從幾厘米到幾十厘米不等。對于后張預(yù)應(yīng)力孔道壓漿，在出漿口布置的點(diǎn)適當(dāng)加密，出漿口沒問題，通常認(rèn)為壓漿口和跨中部位也沒有問題，反之出漿口有問題，在跨中處和壓漿口的測點(diǎn)就應(yīng)適當(dāng)加密來做進(jìn)一步分析。本次測試統(tǒng)一采用測點(diǎn)間隔為10 cm。

2.4 判斷依據(jù)

已知某測點(diǎn)對應(yīng)的混凝土板厚度T，根據(jù)現(xiàn)場標(biāo)定的C50混凝土的縱波波速和式(6)求出混凝土板的理論主頻fa和式(7)中λ的取值，測試從端部開始，腹板為變厚度的截面，可以知道理論上沿波紋管方向測點(diǎn)的主頻若完全密實(shí)時主頻(振幅峰)將成線性變化，若因發(fā)生某測點(diǎn)的主頻明顯脫離理論的線性變化而發(fā)生向低頻方向漂移，就可以說此處的壓漿不密實(shí)。

3 檢測結(jié)果及分析

在陜西省建設(shè)中的咸陽至旬邑高速公路某標(biāo)段的引橋預(yù)制梁場進(jìn)行檢測，取得了良好效果。對同一片預(yù)制箱梁的5根縱向預(yù)應(yīng)力管道進(jìn)行了測試，根據(jù)每條管道上測點(diǎn)對應(yīng)主頻連線圖像進(jìn)行分析。

通過分析圖6中各個測線的回波圖像可得出以下結(jié)論:

1)通過對圖6分析，N2，N3，N4管道主頻的連線變化與理論的管道厚度的線性變化吻合。可判斷這三個管道的灌漿密實(shí)。

2)N1與N5的主頻連線出現(xiàn)多個向低值漂移的測點(diǎn)與理論上的線性變化在一些測點(diǎn)明顯不符合，如N1管道的端部和距測線端點(diǎn)3.2 m～3.5 m處的主頻明顯向低頻漂移，說明這兩處的壓漿相對不密實(shí)導(dǎo)致了沖擊波傳播路程增加，進(jìn)而使主頻向低頻方向移動。N5管道在出漿端的主頻也出現(xiàn)了回波圖像向低頻漂移情況，在距測線端點(diǎn)2 m及3.3 m處亦出現(xiàn)主頻向低頻移動的情況。

圖6 N1～N5管道進(jìn)漿端所選測線主頻

4 結(jié)論與展望

通過工程應(yīng)用表明，沖擊回波法是一種快速、簡單可靠的檢測預(yù)制箱梁預(yù)應(yīng)力管道壓漿密實(shí)性的無損檢測方法。在檢測預(yù)制箱梁金屬波紋管預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量時，根據(jù)同一條測線上沖擊回波主頻值的變化情況可準(zhǔn)確的判斷孔道內(nèi)的壓漿密實(shí)情況［6］。

對預(yù)應(yīng)力箱梁管道壓漿密實(shí)性的檢測方法，國內(nèi)還沒有完整的規(guī)范，對于使用沖擊回波主頻變化精確的定量檢測預(yù)應(yīng)力管道的壓漿密實(shí)性，還需要更進(jìn)一步的探索。

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