基于弹性波原理的预应力桥梁波纹管注浆密实度检测方法的机理研究与应用

柯玉军 龙士国

（1. 中国公路工程咨询集团有限公司 北京 100097；2. 湘潭大学 湖南湘潭 411105）

1 引言

预应力混凝土桥梁是指在桥梁混凝土构件承受使用荷载前，预先对受拉区的混凝土施加压力的混凝土桥梁。预应力工艺的应用，提高了桥梁构件的抗裂度和刚度，充分利用了高强材料，使桥梁结构向大跨、轻型的方向迈进了一大步。

然而，桥梁预应力管道存在注浆质量缺陷时，会出现锚头应力集中和随时间推移引起预应力损失，且会改变梁体的设计受力状态，从而影响桥梁的使用寿命。加强桥梁预应力管道注浆施工质量的过程控制，消除工程质量隐患，对确保桥梁的设计使用寿命具有重要意义。为了加强对施工质量的过程控制，确保施工质量达到设计要求的质量标准，通过无损检测的方式来对预应力管道注浆质量进行检测，以便发现注浆质量缺陷，及时采取补救措施，达到消除质量隐患、确保桥梁工程质量的目的。

国内外相继开展了一些研究，提出了不少检测方法。例如冲击回波法、超声波成像法、表面波频谱成像法、探地雷达法、电磁波(雷达)、X光、射线法、能量衰减法和超声相阵法等方法。从发信点与收信点的位置关系，可以将上述方法分为透射法和反射法；从采用的测试媒介，又可以把这些方法分为 2大类，即基于弹性波(包括超声波)的方法和弹性波以外的方法。目前对预应力梁体施工完成后的无损检测内容和检测方法较少，特别是对预应力管道的注浆效果基本凭经验评定，尚无成熟完善的无损检测方法。

为此，我们在进行多方面研究的基础上，提出了预应力孔道灌浆密实度检测方法与技术，并结合工程实际进行了检测技术的实际应用研究，取得良好工程效果。

2 预应力管道注浆密实度检测原理

预应力管道注浆密实度声波检测方法基于弹性波传播理论，采用超声压力波反射法和透射法进行注浆密实度检测。

2.1 超声波反射法

超声波反射法基于一维杆件弹性理论，即：

式中：U 为波纹管中钢绞线在截面方向的位移，m；x为钢绞线轴向距离，m；t为弹性波传播时间，s；V 为弹性波在钢绞线中的传播速度，m/s；E为弹性模量，MPa。

当激发振源在波纹管一端的钢绞线端部激发产生振动后，弹性压力波在钢绞线中按一维杆件规律，以波速V传播。当存在注浆不密实区时，其波动方程的形式变为：

式中，Cρ、CE为波纹管中注浆质量正常区域的密度、弹性模量；rρ、rE为波纹管中钢绞线的密度、弹性模量；CS、fS为正常区、异常区的截面积所占比例（无量纲物理量）；K为弹性系数；KU为弹性恢复力；F为初始激发力；δ为时间函数。

在这种情形下，弹性波在波纹管中的传播速度为：

由上式可知：

（2）当波纹管中没有注浆时，CS→0，V→波速趋向于钢绞线的速度(约为5300m/s)，波速较高；

（3）当波纹管中注浆情况介于以上二者之间时，速度V在3800～5300m/s之间。

钢绞线在实际波纹管中的分布方式，一方面在垂直轴线方向几根钢丝是绞合在一起的，另一方面沿其轴线整根钢绞线也是呈一定弧度弯曲的。这并不影响弹性波沿钢绞线传播，因为这时的弹性波遵从导波理论，弹性波的绝大部分能量在钢绞线中向前传播。

2.2 超声波透射法

超声波透射法是利用波的散射原理。根据惠更斯原理，在波的传播过程中，每个波前（波阵面）都可以当作一个新的振源。一般情况下，散射波的能量比入射波弱得多，满足Born近似。散射方程为：

式中：()Xα为沿x方向的密实程度系数（亦为表征波速差异程度系数）。

据此，探测出遇到不同密实程度的注浆体时波的能量、频率、速度的微小变化，进而分析获取波纹管中的注浆密实情况。

3 波纹管注浆密实度超声检测方法

采用超声波法检测波纹管注浆密实程度的基本思想是采用声波透射法或反射法。具体做法分2步。

第1步：用声波透射法或反射法，在预应力孔道两端快速确定钢绞线的固结波速，根据相关性找出灌浆等级较差的预应力孔道。钢绞线的固结波速测试和预应力孔道侧面声波扫描测试示意图如图1所示。

图1 声波透射法检测示意图

固结波速是指激发应力波通过钢绞线灌浆段的速度，是评价灌浆密实度的重要参数。固结波速的大小介于钢绞线与灌浆剂的波速之间，受灌浆密实度(强度)影响，灌浆剂密实度越好，固结波速越低。表1、表2是根据实验推算的预应力孔道灌浆质量评价标准。

表1 透射法评价标准

表2 反射法评价标准

第2步：在灌浆不密实的预应力孔道侧面用声波散射扫描式方法确定灌浆不密实区域的位置。测试示意图如图2所示。

图2 声波散射法检测示意图

预应力孔道灌浆不密实区域的声波散射信号是典型的非稳态过程。声波散射信号是构件内部结构散射的总合，包含丰富的信息。我们采用瞬时非稳态信号变换，进行灌浆不密实区域散射信号定向识别，把声波散射的时间、能量、频率等重要信息相结合进行分析，是传统的处理技术和理念无法实现的，能够更有效的检测出预应力孔道灌浆不密实区域的位置。

4 工程应用

采用超声应力波方法，对山西省忻州环城高速公路部分箱梁的波纹管进行了注浆密实度检测。忻州环城高速公路全长 31.704km，设计速度100km/h，路基宽度26m。项目计划于2012年12月建成通车。

对其3座桥梁（暂用代号QLA、QLB、QLC）的部分箱梁进行了检测。图 3为 QLA桥梁的 01号孔道测试数据经处理软件处理后的成果图，表3为检测结果简表。

图3 桥梁A的01号孔道测试结果

表3 QLA波纹管注浆质量检测结果简表

5 结语

依据超声应力波传播理论和散射理论，采用应力波透射法、反射法，检测预应力桥梁波纹管注浆密实度，可以较为准确、直观地反映出波纹管施工质量。该方法不仅检测速度快，而且解决了检测预应力管灌浆情况的大难题。处理软件的结果成像可清楚、直观的显示结构的厚度变化、缺陷类型及位置。通过在山西忻州环城高速等项目实践证明，超声应力波检测法是一种可靠、有效的方法，必将为国内混凝土结构的无损检测起到非常积极的作用。