沖擊回波法檢測小箱梁孔道壓漿缺陷的研究

魏子然 張宏祥

(東北林業大學土木工程學院,黑龍江 哈爾濱 150040)

預應力混凝土結構分為先張法與后張法兩種，其中后張法普遍應用于我國橋梁建設[1]。面對我國日益增長的交通需要，大、中跨度橋梁中，箱梁是應用形式最廣泛的橋梁，小箱梁以其施工方便，先簡支后連續小箱梁結構體系結合了連續梁和預制梁批量生產的優點,因此得到了廣泛的應用和發展[2]。箱梁孔道壓漿是后張法施工過程中的關鍵工序，張拉力筋結束后要進行孔道壓漿。孔道壓漿的作用主要有兩點:一是粘結預應力鋼筋和灌漿料,確保混凝土與預應力筋共同受力;二是防止預應力筋受空氣、水和其他腐蝕性物質侵入而銹蝕，從而降低應力。如果壓漿不密實,水和空氣的進入使得處于高度張緊狀態的鋼絞線材料易發生腐蝕,造成有效預應力降低[3]。實踐表明由于現場施工技術落后及施工管理的疏忽，箱梁腹板預應力孔道壓漿往往不密實[1]。本文通過測試不同尺寸缺陷的試塊模擬箱梁腹板缺陷，通過計算頻率與實測頻率對比，總結出沖擊回波法運用于現場實測的規律特點，從而為箱梁預應力孔道的養護提供有效建議。

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生的應力波對混凝土和砌體結構的無損檢測方法[5]。其原理為通過輕拍小鋼球，使之與混凝土或砌體表面發生短期機械碰撞，從而產生一種可以穿過結構物并在去缺陷處和外表面反射的低頻應力波(彈性沖擊主要產生三種波，分別為P波、S波和R波；沖擊回波法主要應用的是P波)[6]，因為波的反射而引起的表面位移由安置在臨近沖擊點處的傳感器記錄，產生的位移與時間信號轉換為頻域，得到振幅與頻率的關系圖[7]。應力波在碰撞面、缺陷和構件外表面之間的多次反射引起結構的瞬態共振，該共振可在頻譜圖中被識別，根據共振情況檢測結構的完整性或確定缺陷的位置[8]。其基本原理見圖1。

1.2 關鍵頻率

在有缺陷的有界固體中，反射發生在各種內部和外部界面上，引起不同頻率和振幅的表面位移，并產生非常復雜的波形[9]。在許多情況下，很難去確定波的準確到達時間，并且從單獨的波形檢查上確定關鍵頻率，如果將波形轉換為頻域，則重要的頻率在振幅譜中以不同的峰值出現，這由傅立葉轉換的數學公式來完成。它的基本原理就是任何與時間相關的函數都可以表示為不同振幅和頻率的正弦曲線之和[10]。在數字信號分析中，快速傅立葉變換是利用一種稱為快速FFT的技術，將時域問題轉化為頻域分析。

在箱梁預應力孔道沖擊回波測試中，由于不同材料的波阻抗不同[11](如表1所示)，其求關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為板狀結構的形狀因子，取0.96；CP為測試的P波波速；T為結構物板厚或空洞深度；d為鋼筋埋置深度。在檢測灌漿質量時，灌漿飽滿程度不同，其特征頻率響應也不同[12]，具體如圖2所示。

表1 常見材料波阻抗

2 模型制作及準備

2.1 儀器簡介及注意事項

2.1.1儀器簡介

本次試驗所用沖擊回波儀的測試系統主要由6個部分組成，如圖3所示。

波速測試儀：將小球置于一側，可通過兩個傳感器接收應力波的時間差直接計算波速。

手持傳感器：采集沖擊引起的表面位移并將其轉換為電壓—時間信號以二維數組形式輸出。

小鋼球：鋼球有10種直徑可供選擇，通過敲擊產生應力波。

快速數據轉換釆集系統：接收、處理傳感器傳來的信號并傳送到計算機上。

筆記本電腦：連接沖擊回波儀，操作儀器。

IMPACT-E處理軟件：處理數據，提供被測結構信息，輸出數字信息。

2.1.2注意事項

1)測試面處理：試驗前要用細砂紙對測試表面進行打磨；確保傳感器與測試面的接觸良好。

2)鋼球的選擇。本次實驗對象為厚度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：考慮應力波的衰減，小鋼球敲擊點應在傳感器直徑6 cm范圍內。

2.2 試驗模型

本實驗主要研究箱梁不同材質預應力孔道灌漿飽滿度，故簡化模型，但不影響實驗結果，根據工程實踐中常見的缺陷深度，第一組為塑料波紋管，第二組為金屬波紋管共設置10種典型缺陷模型，另外設置一個實心板塊測試波速；試件均采用C50商用混凝土，灌漿料采用高強無回縮灌漿料，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；具體情況見表2，圖4。

表2 模型尺寸及缺陷表

2.3 波速測試

通過波速測試儀直接檢測。圖5為直接波速測試裝置示意圖；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固定的距離L上，通常為300 mm，目的是測量球面P波波陣面在這兩條直線上的精確到達時間，如果那些時間為t1和t2，那么波速CP由式(1)給出：

(1)

選用實心試件進行波速的測定，測試的電壓時差信號經過處理如圖6所示。波速試驗結果匯總于表3。

表3 波速結果匯總表

從表3可以得到，本論文大量試驗數據顯示中，任取10次 混凝土波速測定范圍為4 255 m/s～4 511 m/s,10次取其平均值為4 433 m/s。最大單次測定值與平均值誤差率為4.01%，混凝土波速較為穩定。故本次試驗以4 433 m/s進行實驗研究。

3 試驗結果分析

3.1 第一組塑料波紋孔道缺陷結果分析

利用MATLAB中的快速傅立葉變化工具將儀器所測電壓及時間組成的頻域轉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—時間信號、振幅—頻率信號如圖7～圖12所示。1-1號～1-4號試件板厚/缺陷的計算頻率及實測頻率如表4所示，1-5號試件板厚/鋼筋的計算頻率及實測頻率如表5所示。

經上述實驗數據分析，1-1號～1-5號試件的實際板厚頻率均比小于理論板厚頻率；1-1號與1-3號試件板厚與缺陷響應基本一致；1-2號與1-4號試件板厚響應基本一致；這說明實驗結果基本正確；但是1-1號～1-3號的板厚漂移率均較大，可1-1號～1-3號的缺陷漂移頻率基本都為0，此現象說明，當P波檢測塑料波紋管內的缺陷可以準確識別，但是由于穿過塑料波紋管的P波在有缺陷的孔道內發生多重反射，對板厚的計算出現偏差；通過1-4號與1-5號試件結果對比可發現，當孔道內有鋼筋時，鋼筋會發生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—時間信號、振幅—頻率信號如圖13～圖18所示。2-1號～2-4號試件板厚/缺陷的計算頻率及實測頻率如表6所示，2-5號試件板厚/鋼筋的計算頻率及實測頻率見表7。

表6 板厚及深度頻率表

表7 板厚及鋼筋頻率表

經上述實驗數據分析，2-1號～2-5號試件的實際板厚頻率均小于理論板厚頻率；2-1號與2-3號試件板厚與缺陷響應基本一致；2-2號與2-4號試件板厚響應基本一致；這說明實驗結果基本正確；但是2-1號和2-3號的板厚漂移率均較大，可2-1號和2-3號的缺陷漂移頻率基本都為0，此現象說明，當P波檢測塑料波紋管內的缺陷可以準確識別，但是由于穿過金屬波紋管的P波在有缺陷的孔道內發生多重反射，對板厚的計算出現偏差；但是1-5號和2-5號的鋼筋頻率漂移率說明，當孔道內存在預應力鋼筋時，金屬孔道壁和預應力鋼筋之間形成四個鋼筋/混凝土界面，使P波的反射現象更明顯；1-2號和2-2號的板厚漂移率說明，當孔道內有較小缺陷且壁為金屬時，P波反射更為嚴重。

4 結語

1)無論是金屬孔道壁還是塑料孔道壁均對板厚頻率產生較大影響，但是對孔道內部缺陷的探測并無太大影響；

2)當預應力孔道內缺陷較大時，板厚漂移率越大，板厚頻率誤差較大；當缺陷越小時，板厚漂移率越小，板厚頻率越小；

3)當預應力孔道內缺陷較大時，缺陷漂移率越小，缺陷頻率誤差較小；當缺陷越小時，缺陷漂移率越大，缺陷頻率誤差越大；

4)當內部缺陷較小時，P波在金屬孔道壁的多重反射次數比塑料波紋孔道壁多，即對缺陷的誤差較大。