基于彈性波原理的預應力橋梁波紋管注漿密實度檢測方法的機理研究與應用

柯玉軍 龍士國

（1. 中國公路工程咨詢集團有限公司 北京 100097；2. 湘潭大學 湖南湘潭 411105）

1 引言

預應力混凝土橋梁是指在橋梁混凝土構件承受使用荷載前，預先對受拉區的混凝土施加壓力的混凝土橋梁。預應力工藝的應用，提高了橋梁構件的抗裂度和剛度，充分利用了高強材料，使橋梁結構向大跨、輕型的方向邁進了一大步。

然而，橋梁預應力管道存在注漿質量缺陷時，會出現錨頭應力集中和隨時間推移引起預應力損失，且會改變梁體的設計受力狀態，從而影響橋梁的使用壽命。加強橋梁預應力管道注漿施工質量的過程控制，消除工程質量隱患，對確保橋梁的設計使用壽命具有重要意義。為了加強對施工質量的過程控制，確保施工質量達到設計要求的質量標準，通過無損檢測的方式來對預應力管道注漿質量進行檢測，以便發現注漿質量缺陷，及時采取補救措施，達到消除質量隱患、確保橋梁工程質量的目的。

國內外相繼開展了一些研究，提出了不少檢測方法。例如沖擊回波法、超聲波成像法、表面波頻譜成像法、探地雷達法、電磁波(雷達)、X光、射線法、能量衰減法和超聲相陣法等方法。從發信點與收信點的位置關系，可以將上述方法分為透射法和反射法；從采用的測試媒介，又可以把這些方法分為 2大類，即基于彈性波(包括超聲波)的方法和彈性波以外的方法。目前對預應力梁體施工完成后的無損檢測內容和檢測方法較少，特別是對預應力管道的注漿效果基本憑經驗評定，尚無成熟完善的無損檢測方法。

為此，我們在進行多方面研究的基礎上，提出了預應力孔道灌漿密實度檢測方法與技術，并結合工程實際進行了檢測技術的實際應用研究，取得良好工程效果。

2 預應力管道注漿密實度檢測原理

預應力管道注漿密實度聲波檢測方法基于彈性波傳播理論，采用超聲壓力波反射法和透射法進行注漿密實度檢測。

2.1 超聲波反射法

超聲波反射法基于一維桿件彈性理論，即：

式中：U 為波紋管中鋼絞線在截面方向的位移，m；x為鋼絞線軸向距離，m；t為彈性波傳播時間，s；V 為彈性波在鋼絞線中的傳播速度，m/s；E為彈性模量，MPa。

當激發振源在波紋管一端的鋼絞線端部激發產生振動后，彈性壓力波在鋼絞線中按一維桿件規律，以波速V傳播。當存在注漿不密實區時，其波動方程的形式變為：

式中，Cρ、CE為波紋管中注漿質量正常區域的密度、彈性模量；rρ、rE為波紋管中鋼絞線的密度、彈性模量；CS、fS為正常區、異常區的截面積所占比例（無量綱物理量）；K為彈性系數；KU為彈性恢復力；F為初始激發力；δ為時間函數。

在這種情形下，彈性波在波紋管中的傳播速度為：

由上式可知：

（2）當波紋管中沒有注漿時，CS→0，V→波速趨向于鋼絞線的速度(約為5300m/s)，波速較高；

（3）當波紋管中注漿情況介于以上二者之間時，速度V在3800～5300m/s之間。

鋼絞線在實際波紋管中的分布方式，一方面在垂直軸線方向幾根鋼絲是絞合在一起的，另一方面沿其軸線整根鋼絞線也是呈一定弧度彎曲的。這并不影響彈性波沿鋼絞線傳播，因為這時的彈性波遵從導波理論，彈性波的絕大部分能量在鋼絞線中向前傳播。

2.2 超聲波透射法

超聲波透射法是利用波的散射原理。根據惠更斯原理，在波的傳播過程中，每個波前（波陣面）都可以當作一個新的振源。一般情況下，散射波的能量比入射波弱得多，滿足Born近似。散射方程為：

式中：()Xα為沿x方向的密實程度系數（亦為表征波速差異程度系數）。

據此，探測出遇到不同密實程度的注漿體時波的能量、頻率、速度的微小變化，進而分析獲取波紋管中的注漿密實情況。

3 波紋管注漿密實度超聲檢測方法

采用超聲波法檢測波紋管注漿密實程度的基本思想是采用聲波透射法或反射法。具體做法分2步。

第1步：用聲波透射法或反射法，在預應力孔道兩端快速確定鋼絞線的固結波速，根據相關性找出灌漿等級較差的預應力孔道。鋼絞線的固結波速測試和預應力孔道側面聲波掃描測試示意圖如圖1所示。

圖1 聲波透射法檢測示意圖

固結波速是指激發應力波通過鋼絞線灌漿段的速度，是評價灌漿密實度的重要參數。固結波速的大小介于鋼絞線與灌漿劑的波速之間，受灌漿密實度(強度)影響，灌漿劑密實度越好，固結波速越低。表1、表2是根據實驗推算的預應力孔道灌漿質量評價標準。

表1 透射法評價標準

表2 反射法評價標準

第2步：在灌漿不密實的預應力孔道側面用聲波散射掃描式方法確定灌漿不密實區域的位置。測試示意圖如圖2所示。

圖2 聲波散射法檢測示意圖

預應力孔道灌漿不密實區域的聲波散射信號是典型的非穩態過程。聲波散射信號是構件內部結構散射的總合，包含豐富的信息。我們采用瞬時非穩態信號變換，進行灌漿不密實區域散射信號定向識別，把聲波散射的時間、能量、頻率等重要信息相結合進行分析，是傳統的處理技術和理念無法實現的，能夠更有效的檢測出預應力孔道灌漿不密實區域的位置。

4 工程應用

采用超聲應力波方法，對山西省忻州環城高速公路部分箱梁的波紋管進行了注漿密實度檢測。忻州環城高速公路全長 31.704km，設計速度100km/h，路基寬度26m。項目計劃于2012年12月建成通車。

對其3座橋梁（暫用代號QLA、QLB、QLC）的部分箱梁進行了檢測。圖 3為 QLA橋梁的 01號孔道測試數據經處理軟件處理后的成果圖，表3為檢測結果簡表。

圖3 橋梁A的01號孔道測試結果

表3 QLA波紋管注漿質量檢測結果簡表

5 結語

依據超聲應力波傳播理論和散射理論，采用應力波透射法、反射法，檢測預應力橋梁波紋管注漿密實度，可以較為準確、直觀地反映出波紋管施工質量。該方法不僅檢測速度快，而且解決了檢測預應力管灌漿情況的大難題。處理軟件的結果成像可清楚、直觀的顯示結構的厚度變化、缺陷類型及位置。通過在山西忻州環城高速等項目實踐證明，超聲應力波檢測法是一種可靠、有效的方法，必將為國內混凝土結構的無損檢測起到非常積極的作用。