冲击回波法在预制箱梁压浆密实度检测中的应用

赵颖超 王 锋

(陕西省交通建设集团公司，陕西西安 710075)

0 引言

预应力桥梁的预应力孔道压浆质量在很大程度上决定了桥梁结构的安全和耐久性能。因此在工程实际中，后张法预应力混凝土箱梁的管道压浆质量一直受到特别重视［1］。预应力孔道内的预应力钢筋大多为平直或弯曲布置，在实际的孔道压浆操作中一般采用压力灌浆或真空辅助压浆工艺，但由于压浆材料制约、管道杂物堵塞、压浆工艺选取不当、现场工人不熟练等原因，孔道压浆常存在不密实，甚至空洞的情况。这将加速在高预应力下的钢绞线锈蚀现象，使预应力损失加重，设置预应力的效果有限。

因此，为了达到设置预应力的目的，保证结构的耐久性能，对预应力孔道的压浆密实度进行无损检测是十分必要的。

本文使用现场预制混凝土箱梁进行检测，具有较强的工程实用意义。使用新型冲击回波测量仪CTG-1TF，对比在同一根预应力管道上实测冲击回波主频值的变化规律来预测管道的压浆是否密实，在此次预制箱梁的密实度检测中取得了满意的效果。

1 冲击回波法基本原理

冲击回波法:机械冲击混凝土结构表面产生纵波P波、横波S波、表面波R波。应力波在结构内部传播时，在声阻抗有差异的分界面将发生反射、绕射和折射现象，返回到结构表面时引起结构表面的位移响应，置于冲击点附近的位移传感器接收到这些位移，形成时间—位移波形，然后通过快速傅里叶变换再将这个时间—位移波形转变为频域的频率—振幅波形图即频谱图。从频谱图上就可得到结构的厚度主频和缺陷信息。在这三种波中，由于纵波的传播速度和多次反射后引起的混凝土表面位移最大，所以可判断在冲击回波测试中主要依靠的是纵波，若板厚较小时，表面波也会产生较大影响［2，3］(见图1)。

图1 冲击回波法基本原理

1.1 快速傅里叶变换(FFT)

传感器得到的时域位移信号为y(t)，然后通过傅里叶变换转换为频域信号。

对周期为T的任意时域位移信号:

傅里叶级数的复数形式为:

设:

有:

式(4)为傅里叶变换，式(5)为傅里叶变换的逆变换，式(4)中Y(jw)是傅里叶频谱，其绝对值叫做振幅频谱［4］。完成了冲击回波时域位移信号到频域振幅信号的快速傅里叶变换。

1.2 冲击回波的主频

混凝土结构的冲击回波信号受P波波速和混凝土板厚的影响［5］，通过预应力管道时的传播路径如图2a)所示，并有下式:

其中，fp为回波信号的主频;λ为混凝土结构截面的形状系数;vP为结构P波速度;T为混凝土板厚。

图2 不同密实度下冲击波的传播路线和主频示意图

当混凝土结构含空管时，冲击波的传播方式如图2a)中b所示，即应力波将在空管处发生绕射，这使冲击波在结构中的传播周期增加，主频将向低频方向移动。这时计算主频值时，需要在式(6)基础上乘一个修正系数α，α的大小与空管直径与T的比例有关。

得:

图2表示了在不同压浆密实性下冲击波的传播路线和对应的冲击回波主频示意。a，b，c，d代表冲击波在箱梁中传播的4种情况，fa，fb，fc，fd是这4种冲击波在不同压浆密实性下的主频，fduct为预应力金属波纹管道的反射峰值频率。

当管道的压浆密实时，传播路线如图2a)中d所示，理论主频应和无管道下混凝土板的主频相等。但实际上，我国所使用的压浆料一般为纯水泥浆，采用压力压浆或真空辅助压浆工艺以及其他施工情况的不同，在预应力管道压浆施工后，常有管道中水泥浆未完全充满、水泥浆硬化后收缩，浆体固结后和管壁之间有微小裂隙，导致实测的主频fd比等厚度的混凝土板主频fa略低。

当管道压浆不完全密实时，传播路线如图2a)中c所示，主频fc介于未压浆和压浆密实之间，并随压浆饱满度的下降，逐渐接近未压浆管道下测得的主频fb。

当测试的管道未压浆时，传播路线如图2a)中b所示，主频fb最低，理论主频可由式(7)计算得出。

2 现场检测

2.1 研究对象

所检预制箱梁:C50混凝土，长30 m，端部(5 m)腹板截面变厚度，端部厚度最大32 cm，最小20 cm。预应力孔道的直径均为65 mm(含外径)。图3为主要测区，测线沿与波纹管方向平行。试验箱梁已达到设计强度的90%，龄期不小于28 d，注浆龄期不小于14 d。

2.2 检测仪器

现场检测仪器为美国OLSON仪器设备公司的冲击回波测试系统-CTG1TF。主要技术参数:频率范围:0 kHz～22 kHz;测试厚度范围:8 cm～150 cm;测量精度:2%(见图4)。

图3 检测的预制梁

图4 测试仪器

2.3 测线布置

现场测区测线布置时，选取较易出现压浆不密实的进浆口和出浆口测试。测线上每个点的间距为10 cm，每条测线均沿波纹管方向，分别测试距进浆口和出浆口5 m范围内的波纹管，如图5所示。

图5 测线示意图

检测时仪器探头垂直预应力管道的方向。当预应力孔道内压浆不密实时，在一个区域都会检测到缺陷，测点间隔根据实际情况即距进浆口位置、波纹管走向变化等情况来确定，可以从几厘米到几十厘米不等。对于后张预应力孔道压浆，在出浆口布置的点适当加密，出浆口没问题，通常认为压浆口和跨中部位也没有问题，反之出浆口有问题，在跨中处和压浆口的测点就应适当加密来做进一步分析。本次测试统一采用测点间隔为10 cm。

2.4 判断依据

已知某测点对应的混凝土板厚度T，根据现场标定的C50混凝土的纵波波速和式(6)求出混凝土板的理论主频fa和式(7)中λ的取值，测试从端部开始，腹板为变厚度的截面，可以知道理论上沿波纹管方向测点的主频若完全密实时主频(振幅峰)将成线性变化，若因发生某测点的主频明显脱离理论的线性变化而发生向低频方向漂移，就可以说此处的压浆不密实。

3 检测结果及分析

在陕西省建设中的咸阳至旬邑高速公路某标段的引桥预制梁场进行检测，取得了良好效果。对同一片预制箱梁的5根纵向预应力管道进行了测试，根据每条管道上测点对应主频连线图像进行分析。

通过分析图6中各个测线的回波图像可得出以下结论:

1)通过对图6分析，N2，N3，N4管道主频的连线变化与理论的管道厚度的线性变化吻合。可判断这三个管道的灌浆密实。

2)N1与N5的主频连线出现多个向低值漂移的测点与理论上的线性变化在一些测点明显不符合，如N1管道的端部和距测线端点3.2 m～3.5 m处的主频明显向低频漂移，说明这两处的压浆相对不密实导致了冲击波传播路程增加，进而使主频向低频方向移动。N5管道在出浆端的主频也出现了回波图像向低频漂移情况，在距测线端点2 m及3.3 m处亦出现主频向低频移动的情况。

图6 N1～N5管道进浆端所选测线主频

4 结论与展望

通过工程应用表明，冲击回波法是一种快速、简单可靠的检测预制箱梁预应力管道压浆密实性的无损检测方法。在检测预制箱梁金属波纹管预应力管道压浆质量时，根据同一条测线上冲击回波主频值的变化情况可准确的判断孔道内的压浆密实情况［6］。

对预应力箱梁管道压浆密实性的检测方法，国内还没有完整的规范，对于使用冲击回波主频变化精确的定量检测预应力管道的压浆密实性，还需要更进一步的探索。

［1］Cheng C，Sansalone M.Determining the Minimum Crack Width that Can Be Detected Using the Impact-echo Method PartⅠ:Experimental Study［J］.Material and Structures，1995(28):74-82.

［2］Dennis A，Sack，Larry Dolson.Advanced NDT methods for evaluating concrete bridges and other structures［J］.NDT＆E Internation，1995，28(6):349-357.

［3］邹春江，陈征宙，董 平.箱梁中冲击回波主频影响因素研究及应用［J］.振动与冲击，2010，20(7):126-131.

［4］酒井英昭.信号处理［M］.白玉林，译.北京:科学出版社，2001:5-16.

［5］Olson Instruments Inc.System reference manual 2007 impactecho Scanning［M］.Colorado:Olson Instruments Inc，2007.

［6］王 伟，水中和，王桂明.冲击回波法检测波纹管灌浆质量的研究及工程实践［J］.混凝土，2010(5):134-137.