PC箱梁灌浆质量检测研究

樊海林

（重庆交通大学河海学院 重庆 400074）

引 言

近年来，我国交通工程建设事业发展迅速，尤其是高速公路、高速铁路的建设势头最为强劲。据相关统计，现有公路、铁路、市政桥梁总数中接近4/5为预应力混凝土梁桥，而其中箱型截面梁桥占相当大一部分，预应力混凝土箱梁桥发展成为目前在桥梁设计、建设、养护中最为常见的桥型。预应力混凝土结构是在结构构件受外力荷载作用前，先人为地通过在内部穿入钢绞线再张拉对其施加压力，最后进行灌浆密实的结构。但由于孔道灌浆具有一定的隐蔽性和复杂性，而且在桥梁上基本不会设置灌浆质量的检查孔，因此很难对灌浆效果做出精确的估计。当管道内灌浆不足时，会对钢绞线的耐久性和结构的可靠性等多个方面都产生不利影响，严重者甚至直接导致桥梁的垮塌。因此，如何准确检测管道灌浆饱满度极其重要。

我国从20世纪50年代起，无损检测技术开始被相继使用。之前，大多使用有损检测的方法，其包括切片法和开槽法。该法检测具有极强的客观性，但却有严重的缺点，会对混凝土造成局部破损，进而使孔道内预应力钢筋锈蚀。而且检测效率低，检测成本比较高。因此，无损检测得到了大规模推广使用。无损检测不破坏混凝土结构，能够直接对构筑物进行检测，检测完成后可以立即对工程质量做出评定，此外，无损检测也可以对微小的金属构件或者较大的钢筋混凝土结构的表层或内部进行缺陷检测，且操作方便快捷，所需费用较低。下面主要针对预应力混凝土孔道灌浆质量检测最常见的三种方法：超声波法、地质雷达法、冲击回波法进行对比[1-3]。

一、预应力孔道灌浆检测方法对比

（一）超声波法

超声波法，其基本原理就是依据高频脉冲在混凝土中传播时，各声学参数会随着孔道内灌浆饱满度的变化而变化，最后进行信号分析处理以判断缺陷。超声波信号在混凝土内部传播时会把孔道内部构造、缺陷情况以波的形式传递出来，借以频率、波幅、声速等相关参数的变化情况进行判别。但是，超声波作为声波，受到测试面、钢筋、波纹管以及环境的影响较大，因其频率较高，衰减亦快；超声波信号容易受到预应力钢筋的影响，需要进行进一步甄别；材质方面，塑料波纹管对超声波的反射比较大，对于准确定位缺陷相对困难。

（二）地质雷达法

地质雷达法，依据高频电磁波来确定结构内部缺陷情况。其基本原理是检测仪器发射的电磁波在传播时随磁场强度、波形形态及路径的不同，都将发生相应的变化，通过分析接收天线接收到的频率、振幅以及传播时间的变化，利用检测仪器后期处理转化的雷达剖面图，从而判断、分析结构体内部缺陷情况。但是，由于预应力混凝土箱梁中配有钢筋，钢筋为金属，其诱电率极大，极可能会屏蔽雷达波信号，使得孔道内部状况难以被反映。倘若梁体配筋较多，那么电磁波会在钢筋之间进行多次反射，使得最终接收器接收到的波形不是单纯的反射信号，而是几种信号波形的叠加，使得测试精度很难保证。

（三）冲击回波法

冲击回波法，使用冲击锤通过对预应力混凝土梁表面进行机械瞬时敲击而产生低频应力波，此波会从梁表面向结构内部深处传播，当遇到结构底面或分界面时将会发生反射，通过接收器以及示波器，对信号进行采集和时频处理分析，进而判断梁孔道内部有无缺陷以及缺陷的大小、位置。冲击回波等效波速法采用频谱分析的方法，以MEN代替常规的FFT，能够有效地识别反射信号，极大提高了检测精度，而且对于局部缺陷也能够准确地识别，具有广泛的适用性。

综合上述优缺点对比，且基于本工程实际工况，采用冲击回波等效波速法对灌浆饱满度进行定位检测[4-5]。

二、冲击回波等效波速法基本原理

冲击回波等效波速法（IEEV）测试的基本原理如下：当预应力混凝土箱梁孔道内部存在缺陷时，那么经激振产生的弹性波会在缺陷处反射，则接收器接收到从梁底部反射回来的弹性波所用的时间就会比在灌浆密实的管道中所用的时间长（见图1）。因此，通过测试梁底反射时间的变化长短来判断缺陷及其位置。

然而，实际工程中由于梁的厚度不是定值，经常会发生变化，仅采用反射时间来进行缺陷判别不够精确。因此，将厚度和传播时间进行相除得到等效波速Ve为：

式中：H为梁的厚度；T为弹性波的往返时间，该值可以通过频谱分析得到[6]。依此来对缺陷进行判别，通过此式可知，等效波速在有缺陷的部位要慢于灌浆饱满的部位。

测试方法；以扫描的方式，顺着钢束的走向对管道内部的压浆情况进行连续的激振和受信检测，凭借反射信号的特性判断管道内灌浆的状况。同时，在测线上方的混凝土结构位置也布置相同测线，以便提高判定精度（见图2）。

图1 测试原理示意图

图2 钢束孔道压浆密实度定位测试

三、工程实例应用

（一）项目背景

某匝道桥，全长117m，跨径组成：25+2×30+25m，上部结构型式为预应力混凝土（后张）现浇连续箱梁，单箱四室，下部结构为柱式墩、肋板式台，钻孔灌注桩基础。在检查过程中发现0#台侧梁端两钢束Z31内、T3内锚垫板开裂，因此施工方对0#台侧梁端T3内、Z31内钢束锚垫板后混凝土空隙进行了压注环氧浆液，同时对预应力钢束管道进行了补压浆处理。为掌握补压浆后T3内和Z31内钢束以及其余未补压浆预应力钢束孔道压浆饱满度，采取无损检测中冲击回波法和微破损检测相结合的方式进行。

（二）检测设备

本次测试采用预应力混凝土梁多功能无损测试仪（SPCMATS），仪器外观如下图3。

图3 多功能无损测试仪（SPC-MATS）

（三）检测方案：

1.确定典型测区

本桥箱梁断面为单箱四室，且每跨跨中设置1道30cm厚横隔板，将全桥分割为32个箱室；全桥预应力钢束沿纵向通长布设，设顶板束10束（单层），腹板束30束（每道腹板处2列3层）；鉴于上述实际情况本次预应力钢束孔道密实度无损检测范围为：

（1）箱内选取第1跨和第4跨箱梁的第1号、第2号和第4号箱室的顶板束（T2～T5）和腹板束（B22、B32、Z21、Z31、Z2和Z33），测区纵向范围相对于钢束全长为抽检，测区具体位置根据箱梁断面形式及现场实际情况选取。跨中截面钢束布置图如图4所示。箱外选取外侧面纵横向可到达区域（第1跨和第4跨箱梁外侧面）。

图4 跨中截面预应力钢束布置图（单位：cm）

（2）箱外选取外侧面纵横向可到达区域（第1跨和第4跨箱梁外侧面）。

2.预应力钢束定位

通过查阅相关设计图纸，根据设计图纸提供数据坐标采用皮尺在箱梁腹板和底板位置进行放样，从而确定位预应力钢束孔道位置，见下图5。

图5 预应力钢束孔道定位

本次测试使用扫描式冲击回波测试系统IES，该系统可以根据每个测点的坐标信息和测点的主频进行成像，扫描方式为由端部逐级至中间扫描。

3.钢束孔道局部微破损开槽

根据上述预应力钢束孔道在箱梁的放样，对钢束沿程选择在压浆端、水平段和弯起段进行局部开槽（20cm×20cm），纵向开孔位置不能设置在同一断面（见下图6），抽检钢束孔道压浆饱满度，验证冲击回波等效波速法无损检测结果的准确性。本次开设的箱梁底板人孔在检测完毕后需进行恢复。

图6 箱梁底板开孔及检测范围示意图

4.数据分析及检测结果

因篇幅有限，只分析互通A匝道0#台侧梁端T3、Z31钢束孔道压浆饱满度，检测云图如下：

1）匝道桥0#台1号箱顶板T3(1.5-2.5m)：

2）匝道桥0#台1号箱顶板T3(2.5-6.5m)

3）匝道桥0#号台1号箱顶板T3(6.5-10.5m)

4）匝道桥0#台1号箱腹板Z31(2.5-10.5m)

波速标定图为：

通过测试云图与波速标定图对比可得：互通A匝道0#台侧梁端T3、Z31钢束孔道均压浆饱满，未发现明显缺陷情况。

此外，采用人工开槽微破损检查的方式对无损检测结果进行了抽检验证。验证结果表明所抽检的测区钢束孔道压浆饱满，均与上述检测结果一致。

四、结论

本文基于冲击回波法在工程实例的应用，得出以下结论：使用冲击回波等效波速法，以最大熵法（MEM）对测试结果进行频谱分析，能够准确、直观地反应预应力混凝土孔道灌浆的缺陷状况，而且操作简单，实用价值很高；此外，采用开孔验证结果都很好地证明了IEEV法在适用性和精测试度方面巨大的优越性。