基于改进冲击回波法的装配式混凝土桥墩套筒灌浆检测理论研究

2021-12-29包龙生陶天阳

沈阳建筑大学学报（自然科学版） 2021年6期

包龙生,陶天阳,刘杰,于玲

(沈阳建筑大学交通工程学院，辽宁沈阳 110168)

预制混凝土结构钢筋连接中的钢套灌浆缝是我国预制混凝土结构常用的接头方法。注浆的质量好坏直接决定装配结构的质量安全。检测和评价装配式混凝土结构的注浆质量主要有X射线法、探地雷达法、超声波法和冲击回波法[1-5]。冲击回波法在混凝土结构无损检测中应用广泛，而预制钢筋混凝土结构套缝灌浆的压实研究仅限于较薄的剪力墙等结构[6-7]。大体积结构套筒节点的检测特别是装配式混凝土桥墩，由于桥墩的体积大，厚度大，而进行冲击回波法检测时往往只能选取一个端面，套筒内灌浆缺陷界面只存在于混凝土结构内部，因此回波信号较弱[8-13]。笔者利用基础理论和实践方法，控制饱和冲击回波中注入孔预应力，研究传播节点回波特征的预制混凝土桩，提出提高套筒灌浆饱满度检测精度的方法。

1 冲击回波法原理

冲击回波法应用过程:①在混凝土表面产生弹性力波，笔者采用钢球撞击混凝土表面，使弹性力波传播到内部缺陷或结构达到极限时，混凝土内部的弹性波反射回来，在混凝土表面撞击点附近引起质点的振动[14-18]。②用位移传感器记录质点振动时间曲线。③在对记录的信号进行分析时采用时域或频域分析法，确定混凝土结构的完整性和缺陷的位置[19-22]。

根据冲击回波理论，弹性波的理论传播速度Vp为

式中：E为材料的弹性模量，GPa；μ为泊松比；ρ为密度，kg/m3。

弹性波在板内一个来回的传播时间Δt为

冲击回波的厚度频率f为周期Δt的倒数，代入式(2)，即得到冲击回波的板厚频率：

式中：f为板底反射的优良振动所对应的频率(也称板厚频率)，Hz；Vp,plate为P纵波在混凝土中的传播速度m/s，也称P纵波速度，m/s；T为板的厚度，m。

当位置低于一个缺陷结构的影响时，如不完全灌浆，进入混凝土的弹性波，反映缺陷的一部分和衍射混凝土的一部分，可以通过分析缺陷频率和厚度来评估[13-24]。

2 有限元模拟

2.1 设计模型参数

笔者采用有限元ABAQUS建立模型，分析发现冲击回波使得混凝土表面产生一个弹性力波，其弹性波的能量很小，结构产生的冲击响应也很小。由于弹性波的实际频率较低，且波会增长，材料的性能如表1所示。

表1 材料性能Table 1 Material performance parameters

图1为混凝土桥墩的1/2三维实体单元模拟计算模型，混凝土桥墩模型长宽高(a×b×c)为2 000 mm×2 000 mm×1 000 mm，套筒内径D为90 mm，长为800 mm，图中的Ⅰ代表模型的侧边，Ⅱ则代表对边。

图1 1/2计算模拟图像Fig.1 1/2 Schematic diagram of calculation model

冲击荷载的冲击作用持续时间可表示为

式中：tc为接触时间，μs；D为钢球直径，m；h为钢球落距，m。

模拟测试采用的是17 mm直径的钢球。式(4)冲击作用持续时间tc为75 μs,集中力最大值为100 N。对顶面中心8个单元施加半正弦冲击载荷，载荷施加点与响应接收点之间的距离选为5 cm。

2.2 ABAQUS模拟冲击响应测试方法

为研究冲击法检测预制混凝土桥梁套管灌浆缺陷的可行性和准确性，笔者设计10个不同纵向孔隙长度参数的预制混凝土桥梁模型(见表2)。对各套灌浆缺陷的长度采用ABAQUS模型模拟，得出混凝土桥墩套灌浆缺陷的效果。

表2 10种装配式混凝土桥墩模型Table 2 Ten models of assembled concrete pier

模型内部设计缺陷类型为纵向全间隙缺陷，位置居中，缺陷长为L，测点均设置在灌浆全间隙的中点，套筒纵向灌浆缺陷如图2所示。H测量线上从上到下的9个测量点为H-1、H-2、…、H-9(见图3)。

图2 套筒纵向灌浆缺陷示意图Fig.2 Schematic diagram of longitudinal sleeve grouting defect

图3 H各测点布置示意图Fig.3 H layout of each measuring point

由于混凝土是不均匀介质，同一混凝土板在不同位置的波长不同。因此为了测量更准确的波速，在通道之间设置专门的测点进行波速测试。笔者对H型模型进行点分析，测点在腹股沟完全间隙中心，测点间距为50 mm。

3 模拟结果及分析

3.1 装配式桥墩冲击回波响应有限元模拟可行性

3.1.1 装配式混凝土桥墩无缺陷特征

采用ABAQUS Explicit显示动态分析法对灌浆模型A进行动力学分析。图4为模型A的应力云图。在278 μs时，由此出现的弹力波会沿着一定的方向穿过模型的外壁，直至492 μs，其传播方向改变向下传至底端，直至731 μs，波形已传至最下端而导致波的返回。由式(1)可知，该种波在混凝土桥墩中的传播速度是3 842 m/s，通过对模型规格数据的测量，其方向转为传向底部前需要传播的距离是2 000 mm，由式(2)计算得出平台模型底部弹性波传播的时间为5.205 6×10-4s，与492μs板块底部传播时间的模拟值非常接近。

图4 A模型弹性波不同时刻传播应力云图Fig.4 Model A stress image of elastic wave propagation at different times

图5为模型A的信号图。图5(a)为模型信号实时状态，可以得到时域信号。图5(b)将时域信号转变为频域信号，误差最小频率为f=0.975 6 kHz。实际频率通过计算为f=0.922 1 kHz，接近模拟值f=0.975 6 kHz。因此，ABAQUS模拟的冲击响应可检测试验厚度为2.0 m的无故障预制墩节点，模拟值与计算值的误差为5.8%，且误差小，易于操作。

图5 A模型信号图Fig.5 A Model signal diagram

3.1.2 有缺陷的装配式混凝土桥墩冲击响

对未灌浆模型J进行ABAQUS Explicit显示动态分析。图6为弹力波的动态传播情况。该波由发射点传至混凝土桥墩的缺陷位置需要24 μs，当53 μs时，波通过问题点向其他方向传播，由此时传至结构底端需要33 μs；该弹性波的能量只能足够其传播172 μs，通过动态图中反映出此时的波并没有传至结构的底端。该种波在C40混凝土桥墩中的传播速度是3 842 m/s，通过对模型规格数据的测量，混凝土桥梁模型在冲击点处的缺陷厚度为100 mm。由式(2)计算缺陷弹性波传播的时间t=0.1/3 842=2.603×10-5s，很接近模拟值24 μs。

图6 J模型弹性波不同时刻传播应力云图Fig.6 Stress image of elastic wave propagation in J model at different time

图7为J模型信号图。图7(a)是利用ABAQUS Explicit显示动态分析得到时域信号。图7(b)是图7(a)中利用原点傅里叶变换将时域信号变换为频域信号。

图7 J模型信号图Fig.7 J model signal graph

通过观察频率进行观测，在通过底端后的波的频率可达到最大值6.585 4 kHz。通过式(3)计算板厚频率f=0.922 1 kH远高于钢板厚度。根据冲击回波原理，波的反射情况和结构的深度有关，而模型结构中其厚度较深，因此反射后仅有30%多，在模型底端出现的波均在其底端，尚未实现反射，频率向高频的厚度方向偏移。深度反射可按(3)式计算：T=0.96×3 842/(2×6 585.4)=0.28 m，结果与图7(b)中弹性波传播结果一致。第2频率f=19.756 1 kHz，为缺陷的反射频率，根据式(3)缺陷密度频率的计算值f=0.96×3 842/(2×1)，与19.751 kHz的模拟值相比，相差不大，误差为7.13%。

因此，利用ABAQUS模拟的冲击响应可以检测出2.0 m厚的复组合墩和套筒灌浆的缺陷，ABAQUS模拟的厚度频率基本与计算值一致，可以满足无损检测的需要。

3.2 套筒灌浆缺陷程度冲击回波响应有限元模拟

分别测验10 种模型，并记录相应的结果，对其缺陷处的频率和模型底部厚度的频率进行记录，表3为不同缺陷厚度频率仿真结果。

表3 不同缺陷程度板底处厚度频率仿真结果Table 3 Simulation results of thickness frequency at the bottom of the board with different degree of defects

从表3分析可知，在模型B的频域信号中，缺陷处频率相差无几；在对模型C进行测验后的频率值和理论的频率值误差较大，而模型D到模型J的频率模拟值基本与缺陷处厚度频率一致，误差为1.84%～8.74%。根据实际模型中缺陷点处的频率和理论计算中应当的频率进行分析，发现运用冲击回波对其进行检测时，当可识别纵向缺陷程度达10%及其以上，则可以检测为全空缺陷，其建立的模型中，模型C的误差较大，不在结果分析内，当其问题为5%时，则该方法没有效果。

因为混凝土桥墩的缺陷的地方相较于整个桥墩范围较小，通常不超过1/3，所以当波传至该处时通常会发生反射而不是衍射。而当波经过缺陷处向底端传播时，发生的衍射的波的频率相对较高。

3.3 各测点冲击回波响应有限元模拟

H模型是对各测点回波响应的有限元模拟。H模型针对0～240 mm、240～760 mm和760～1 000 mm的每个测点进行设计。表4为H模型中测量板底处厚度频率仿真结果。

表4 H模型中测量板底处厚度频率仿真结果Table 4 Simulation value of the thickness frequency at the bottom of the measured plate in the H model

由表4分析可知，H-1、H-2、H-8、H-9测点的误差率无法测量，H-3、H-4、H-5、H-6、H-7的模拟误差率值与计算值接近，误差在1.84%～5.81%。H-8和H-9位于缺陷位置的末端，靠近灌浆缺陷和非缺陷位置的交界处，冲击法的检测结果受缺陷末端的强烈影响，0～100 mm的缺陷末端不能检测到缺陷。因此，冲击回波法定量检测套管内注浆缺陷长度存在一定误差。