箱梁预应力管道注浆饱满度精细定位检测及质量控制关键技术研究

田源

摘 要：预应力管道注浆饱满度直接影响预应力筋的传力效果及预制箱梁使用的耐久性，为有效控制预制箱梁管道注浆病害发生，实现箱梁预应力管道注浆饱满度精细定位检测，本文结合四川长江工业园区工程实际及箱梁预应力管道注浆相关特点，开展箱梁预应力管道注浆饱满度精细定位检测及质量控制关键技术研究。

关键词：预应力管道;注浆饱满度;精细定位检测

中图分类号：U445.4 文献标识码：A

1 背景

随着我国经济建设的飞速发展，公路建设事业也迎来了前所未有的迅猛发展，特别是高速公路建设。桥梁工程作为公路建设的重要组成部分也获得了相应的发展突破，近些年，大量的跨越大江、大河甚至海峡的预应力混凝土桥梁相继修建，其数量在我国大、中跨径桥梁中占了较高比重。

要确保预应力钢绞线在桥梁使用过程中长期发挥作用，孔道压浆质量是重要的影响因素，对公路桥梁预应力结构的耐久性起关键性作用。预应力管道通过压浆技术，采用浆体包裹预应力筋，从而使预应力筋与梁体混凝土更好的粘结并发挥作用;另外，通过浆体的包裹，对预应力筋也起到一定的保护作用。然而由于各种各样的原因，如果压浆不密实，随空气将进入预应力管道，使得梁体预应力材料发生腐蚀，造成有效预应力降低，严重时会导致预应力材料的断裂，从而极大影响桥梁的耐久性与安全性。此外孔道压浆质量缺陷还将导致混凝土预应力集中，进而改变梁体的受力状态，从而影响桥梁的承载能力和使用寿命。

近年来我国修建了大量的大、中跨径预应力混凝土桥梁，预应力管道压浆质量作为影响桥梁耐久性的重要因素，压浆不密实问题已成公路桥梁建设的质量通病，为确保桥梁的耐久性与安全性，开展预应力压浆饱满度精细化控制及检测技术研究迫在眉睫。

2 国内外同类技术对比

探地雷达检测的基本原理是通过发射高频电磁波，电磁波遇到介电常数的不同介质时，反射回波，根据接收反射回波的时间和形式，确定反射介质顶面的距离及反射介质的性质，其仪器组成、工作原理及检测方法基本相似甚至相同，其二维和三维探测效果如图1和图2。目前国外的探地雷达可满足对一定深度范围内目标体的宏观存在状态控制，对细观结构的识别则需要较高质量的采集信号和后期处理。相比于国外，国内的地质雷达后期处理软件功能较强，但是信号采集质量是成功解释目标体的根本因素，因此国产探地雷达信号采集及传输过程中的抗干扰能力需进一步提高。

预应力混凝土梁多功能检测仪（SPC-MATS）采用冲击弹性波作为测试媒介，其探测效果图如图3，其检测精度能够满足工程要求，已在国内外多个桥梁工程检测中得到了实际应用。该仪器可以快速定性测试，对于病害的二维图像显示比较精确，但是在工程实际中，由于事先并不知道病害的准确位置，所以准确定位病害显得非常重要，该仪器对于病害的准确定位这一环节就显得非常薄弱，需要对很多位置进行探测，探测效率相对低下。欧美等发达国家相关专家学者均在对不同介质中应力波传播路径及计算公式进行分析和研究。

3 预应力管道注浆饱满度精细定量化检测关键技术研究

为有效控制预制箱梁管道注浆病害发生，采用有传导电流项的Maxwell方程来进行探地雷达正演，同时用无网格法无网格依赖性的特征，以便能更精确的刻画预应力混凝土管内注浆病害的精细边界、高梯度和高奇异波场突变问题特征的波形。

3.1 预应力混凝土注浆病害二维物理模型试验

设计预应力混凝土注浆病害（不规则边界、不规则脱空，脱空后充水）物理模型，对模型进行探地雷达二维探测，通过对比研究分析其粗糙面、病害的奇异边界对探地雷达（GPR）探测以及孔道灌浆密实度质量检测仪（SBA-HTF）的影响，揭示病害在不同剖面下的图谱特征，同时对探地雷达的二维探测结果进行三维处理，生成三维图像，可以达到精确定位病害的具体位置（三维坐标内的x，y，z具体坐标），为验证数值模拟的有效性和现场检测结果的判读提供图谱依据。

3.2 介質非均匀性的波动方程无网格法形状函数构造

根据无网格法所使用的计算模型不同，无网格法可分为三类：①基于配点的无网格法，包括无网格Vortex法、基于任意网格的差分法和hp-云法各种形式的配点法;②基于弱式的无网格法，如自由单元伽辽金法、无网格点差值法、多尺度再生核质点法、小波质点法和基于边界积分方程无网格法等;③基于积分弱式和配点结合的无网格法。在这些无网格法中有的需要背景网格，有些完全不需要网格，各种方法都有各自的优缺点，适应不同的特定问题，而面对预应力混凝土注浆病害的探地雷达正演模拟，也需构造更适合该问题本身的无网格法，以提高计算的效率和速度，一个理想的无网格形状函数构造法应满足：

（1）对任意分布的场点和不规则点的适应性。

（2）应具有局部点近似的局部性，以便产生一带状矩阵，以提高求解效率，适合于三维正演及复杂问题的分析。

（3）为保证无网格法收敛，形状函数应满足一定的再生性和协调性的要求。

（4）尽可能满足本质边界条件。

3.3 预应力混凝土注浆病害物理模型无网格法处理与正演模拟实现

无网格法正演模拟的关键技术应包括计算矩阵的高效求解、模型边界条件引入和正演软件的开发等。

（1）稀疏矩阵的存储方式研究：无网格法在布置节点时，可在病害和边界部位适当加密结点，在变化较缓的地方减少结点，从而提高正演模拟的计算精度和计算效率。

（2）模型吸收边界条件研究：与传统有限元法一样，无网格法吸收边界的处理是十分重要的，吸收边界条件的好坏直接影响无网格计算的精确度。但无网格法对吸收边界的处理相对困难，目前常将有限元与无网格的耦合办法来处理吸收边界条件，虽然利用了有限元法的成熟性和无网格法的独特优势，但这种方法也有些不足之处，因此深入研究完全符合无网法特点的预应力混凝土注浆病害吸收边界条件，将会是无网格法应用到探地雷达正演模拟的一个重点。

（3）开发基于桥梁预应力混凝土注浆病害的探地雷达无网格法正演模拟程序：运用MATLAB语言编写基于无网格法的探地雷达二维正演模拟程序，对各个关键算法和流程进行优化、组合，突出解决形状函数的构造和边界条件引入、计算矩阵的高效存贮与快速求解技术和精度控制方案等关键技术，用数值模拟结果与物理模拟结果相比较，验证无网格法算法的适用性与有效性。同时通过分病害模型的正演结果，加深探地雷达对不同类型病害反射剖面的认识，提高缺陷判定的可靠性和解释精度，而且正确正演模拟结果亦是验证反演算法的正确性的可靠依据。

4 结语

本文在总结国外相关技术特点的基础上，结合国内在役预应力桥梁的现状，采用探地雷达无损检测技术与冲击回波法相结合的方式，对预应力孔道注浆密实度进行高效快速、高准确率、高分辨率等特点无损联合检测技术，然后通过一些修复处理方式，比如新型树脂材料等，不仅可以快速排除预应力孔道注浆不密实带来的安全隐患，还可以起到及时保护预应力钢绞线不被腐蚀和锈断的作用。该技术的研究填补了我国在该领域的技术空白，在运营桥梁预应力孔道注浆密实度缺陷检测和修复中将得到广泛的应用，有着广阔的应用前景，并将产生一定的社会及经济效益。

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