冲击回波法检测小箱梁孔道压浆缺陷的研究

魏子然 张宏祥

(东北林业大学土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

预应力混凝土结构分为先张法与后张法两种，其中后张法普遍应用于我国桥梁建设[1]。面对我国日益增长的交通需要，大、中跨度桥梁中，箱梁是应用形式最广泛的桥梁，小箱梁以其施工方便，先简支后连续小箱梁结构体系结合了连续梁和预制梁批量生产的优点,因此得到了广泛的应用和发展[2]。箱梁孔道压浆是后张法施工过程中的关键工序，张拉力筋结束后要进行孔道压浆。孔道压浆的作用主要有两点:一是粘结预应力钢筋和灌浆料,确保混凝土与预应力筋共同受力;二是防止预应力筋受空气、水和其他腐蚀性物质侵入而锈蚀，从而降低应力。如果压浆不密实,水和空气的进入使得处于高度张紧状态的钢绞线材料易发生腐蚀,造成有效预应力降低[3]。实践表明由于现场施工技术落后及施工管理的疏忽，箱梁腹板预应力孔道压浆往往不密实[1]。本文通过测试不同尺寸缺陷的试块模拟箱梁腹板缺陷，通过计算频率与实测频率对比，总结出冲击回波法运用于现场实测的规律特点，从而为箱梁预应力孔道的养护提供有效建议。

1 冲击回波法

1.1 冲击回波法基本原理

冲击回波法是一种基于使用由撞击产生的应力波对混凝土和砌体结构的无损检测方法[5]。其原理为通过轻拍小钢球，使之与混凝土或砌体表面发生短期机械碰撞，从而产生一种可以穿过结构物并在去缺陷处和外表面反射的低频应力波(弹性冲击主要产生三种波，分别为P波、S波和R波；冲击回波法主要应用的是P波)[6]，因为波的反射而引起的表面位移由安置在临近冲击点处的传感器记录，产生的位移与时间信号转换为频域，得到振幅与频率的关系图[7]。应力波在碰撞面、缺陷和构件外表面之间的多次反射引起结构的瞬态共振，该共振可在频谱图中被识别，根据共振情况检测结构的完整性或确定缺陷的位置[8]。其基本原理见图1。

1.2 关键频率

在有缺陷的有界固体中，反射发生在各种内部和外部界面上，引起不同频率和振幅的表面位移，并产生非常复杂的波形[9]。在许多情况下，很难去确定波的准确到达时间，并且从单独的波形检查上确定关键频率，如果将波形转换为频域，则重要的频率在振幅谱中以不同的峰值出现，这由傅立叶转换的数学公式来完成。它的基本原理就是任何与时间相关的函数都可以表示为不同振幅和频率的正弦曲线之和[10]。在数字信号分析中，快速傅立叶变换是利用一种称为快速FFT的技术，将时域问题转化为频域分析。

在箱梁预应力孔道冲击回波测试中，由于不同材料的波阻抗不同[11](如表1所示)，其求关键频率的核心公式也不一样：板厚和普通空洞频率公式为f=βCP/2T，钢筋频率为f=βCP/4d；其中，β为板状结构的形状因子，取0.96；CP为测试的P波波速；T为结构物板厚或空洞深度；d为钢筋埋置深度。在检测灌浆质量时，灌浆饱满程度不同，其特征频率响应也不同[12]，具体如图2所示。

表1 常见材料波阻抗

2 模型制作及准备

2.1 仪器简介及注意事项

2.1.1仪器简介

本次试验所用冲击回波仪的测试系统主要由6个部分组成，如图3所示。

波速测试仪：将小球置于一侧，可通过两个传感器接收应力波的时间差直接计算波速。

手持传感器：采集冲击引起的表面位移并将其转换为电压—时间信号以二维数组形式输出。

小钢球：钢球有10种直径可供选择，通过敲击产生应力波。

快速数据转换釆集系统：接收、处理传感器传来的信号并传送到计算机上。

笔记本电脑：连接冲击回波仪，操作仪器。

IMPACT-E处理软件：处理数据，提供被测结构信息，输出数字信息。

2.1.2注意事项

1)测试面处理：试验前要用细砂纸对测试表面进行打磨；确保传感器与测试面的接触良好。

2)钢球的选择。本次实验对象为厚度0.2 m的薄板，故采用直径为3 mm的小钢球。

3)手持传感器的位置：将手持传感器置于0.6 m×0.6 m平面的中心。

4)敲击点：考虑应力波的衰减，小钢球敲击点应在传感器直径6 cm范围内。

2.2 试验模型

本实验主要研究箱梁不同材质预应力孔道灌浆饱满度，故简化模型，但不影响实验结果，根据工程实践中常见的缺陷深度，第一组为塑料波纹管，第二组为金属波纹管共设置10种典型缺陷模型，另外设置一个实心板块测试波速；试件均采用C50商用混凝土，灌浆料采用高强无回缩灌浆料，水灰比为3∶20；钢筋采用直径为8 mm的螺纹钢筋；试件尺寸均为0.6 m×0.6 m×0.2 m，孔道直径均为55 mm；具体情况见表2，图4。

表2 模型尺寸及缺陷表

2.3 波速测试

通过波速测试仪直接检测。图5为直接波速测试装置示意图；传感器单元被刚性地夹在间隔条中间，隔条将传感器单元固定在一个固定的距离L上，通常为300 mm，目的是测量球面P波波阵面在这两条直线上的精确到达时间，如果那些时间为t1和t2，那么波速CP由式(1)给出：

(1)

选用实心试件进行波速的测定，测试的电压时差信号经过处理如图6所示。波速试验结果汇总于表3。

表3 波速结果汇总表

从表3可以得到，本论文大量试验数据显示中，任取10次 混凝土波速测定范围为4 255 m/s～4 511 m/s,10次取其平均值为4 433 m/s。最大单次测定值与平均值误差率为4.01%，混凝土波速较为稳定。故本次试验以4 433 m/s进行实验研究。

3 试验结果分析

3.1 第一组塑料波纹孔道缺陷结果分析

利用MATLAB中的快速傅立叶变化工具将仪器所测电压及时间组成的频域转换为振幅及频率组成的频域分析。

第一组塑料波纹管的电压—时间信号、振幅—频率信号如图7～图12所示。1-1号～1-4号试件板厚/缺陷的计算频率及实测频率如表4所示，1-5号试件板厚/钢筋的计算频率及实测频率如表5所示。

经上述实验数据分析，1-1号～1-5号试件的实际板厚频率均比小于理论板厚频率；1-1号与1-3号试件板厚与缺陷响应基本一致；1-2号与1-4号试件板厚响应基本一致；这说明实验结果基本正确；但是1-1号～1-3号的板厚漂移率均较大，可1-1号～1-3号的缺陷漂移频率基本都为0，此现象说明，当P波检测塑料波纹管内的缺陷可以准确识别，但是由于穿过塑料波纹管的P波在有缺陷的孔道内发生多重反射，对板厚的计算出现偏差；通过1-4号与1-5号试件结果对比可发现，当孔道内有钢筋时，钢筋会发生5%左右的偏移，板厚频率基本相同。

表4 板厚及深度频率表

表5 板厚及钢筋频率表

3.2 第二组金属波纹管缺陷分析

第二组金属波纹管的电压—时间信号、振幅—频率信号如图13～图18所示。2-1号～2-4号试件板厚/缺陷的计算频率及实测频率如表6所示，2-5号试件板厚/钢筋的计算频率及实测频率见表7。

表6 板厚及深度频率表

表7 板厚及钢筋频率表

经上述实验数据分析，2-1号～2-5号试件的实际板厚频率均小于理论板厚频率；2-1号与2-3号试件板厚与缺陷响应基本一致；2-2号与2-4号试件板厚响应基本一致；这说明实验结果基本正确；但是2-1号和2-3号的板厚漂移率均较大，可2-1号和2-3号的缺陷漂移频率基本都为0，此现象说明，当P波检测塑料波纹管内的缺陷可以准确识别，但是由于穿过金属波纹管的P波在有缺陷的孔道内发生多重反射，对板厚的计算出现偏差；但是1-5号和2-5号的钢筋频率漂移率说明，当孔道内存在预应力钢筋时，金属孔道壁和预应力钢筋之间形成四个钢筋/混凝土界面，使P波的反射现象更明显；1-2号和2-2号的板厚漂移率说明，当孔道内有较小缺陷且壁为金属时，P波反射更为严重。

4 结语

1)无论是金属孔道壁还是塑料孔道壁均对板厚频率产生较大影响，但是对孔道内部缺陷的探测并无太大影响；

2)当预应力孔道内缺陷较大时，板厚漂移率越大，板厚频率误差较大；当缺陷越小时，板厚漂移率越小，板厚频率越小；

3)当预应力孔道内缺陷较大时，缺陷漂移率越小，缺陷频率误差较小；当缺陷越小时，缺陷漂移率越大，缺陷频率误差越大；

4)当内部缺陷较小时，P波在金属孔道壁的多重反射次数比塑料波纹孔道壁多，即对缺陷的误差较大。