冲击回波法检测孔道注浆密实度的研究

肖金军，罗国民，吴 迪，孔海望，韩亚芳

（1、佛山市广佛肇高速公路有限公司 广东佛山 528000；2、广东建科交通工程质量检测中心有限公司 广州 510500）

1 研究背景

目前，我国交通压力越来越大，对交通基础设施建设要求也逐年增加，尤其是道路、桥梁的建设既要满足百年工程需求又要加快缓解交通压力。预应力混凝土结构因其显著的技术优势在实际桥梁工程中得到大量的推广，该技术也逐渐成熟。目前，在预应力孔道注浆质量检测方向仍有一些不足，如密实度检测技术，预应力孔道注浆效果的好坏将直接影响到预应力混凝土结构的耐久性［1］。根据相关部门的调查显示，已建成的部分大跨度预应力混凝土桥梁经过多年的运营后，已出现了结构开裂的现象，少数预应力桥梁已相继出现了可能影响结构正常使用的病害。相关文献指出通过对实际梁体预应力孔道注浆质量进行检测，预应力桥梁脱空长度约占检测长度的10%至20%，少数病害达到30%［2］。

因此，为保证桥梁的使用性能，需要定期对预应力混凝土结构灌浆密实度进行质量评价。目前常用的检测方法包括：探地雷达法、冲击回波法、超声波法、红外热成像法等［3］。本文主要针对冲击回波法进行了分析研究及应用验证。

2 冲击回波法原理

冲击回波法是利用瞬时机械冲击（一般选用一个小钢球或小锤轻敲固体表面）产生的低频应力波来进行结构内部探测，小钢球敲击北侧结构表面，冲击会产生P波（纵波）和S波（横波），P波的传播方向与质点振动方向一致，S 波与质点振动方向垂直［4］。这些波遇到波阻抗会发生反射、折射或绕射，不同界面之间的会产生瞬态共振，冲击点附近的P 波振幅是最大的，冲击点附近的传感器接收的主要是由P 波引起的［5］。当应力P波传播过程中遇到阻抗不同的介质界面时就会发生反射，在预应力管道的混凝土板中，应力波直接传播至板底后反射回测试面，由接收器接收响应信号，应力波所经过的路程即为2倍板厚［6］。

式中：αs为构件的截面形状系数；T为材料厚度；Cp为构件中沿冲击方向传播的P波速度［7］。

3 冲击回波法检测的有限元仿真分析

3.1 有限元建模分析及模型设计［8-11］

通过动力有限单元软件ANSYS/LS-DYNA 来分析不同预应力孔道压浆质量的冲击回波响应，为了能使模型计算得到简单化，现引入以下基本假定：

⑴每个单元的近似函数是连续的，单元之间的边界是连续的；

⑵动力学基本计算方程中不考虑重力因素的影响；

⑶在冲击荷载作用下，模型始终处于线弹性状态，服从胡克定律；

⑷材料性质均为线弹性各项同性。

实验研究所需分析的波纹管管道内情况可分为以下3类：全缺陷、部分缺陷和无缺陷。为了避免在模拟计算过程中建立过于复杂的有限单元模型，且能兼顾工程实际情况，在建模时进行了以下简化处理：波纹管等效为圆柱，将波纹管内外混凝土材料一致；建立有缺陷模型时假定波纹管上方半圆全空，下方灌浆混凝土密实包裹钢绞线。简化后所使用的材料参数如表1所示，有限元模型的波纹管管道内部结构由3部分组成：钢绞线、孔道压浆的混凝土以及缺陷部分空洞区域［8］。

表1 模型材料参数Tab.1 Material Parameters of the Model

3.2 信号接收点与冲击点的距离对回波结果的影响

本实验研究主要探究的有缺陷模型为波纹管正上方一半全空的模型。建立一块长为50 cm、宽为25 cm、高为25 cm 的方形板，内有半径为2.5 cm 的半圆柱体贯穿空洞，其直线边与板的长边平行，圆心位于板的高度方向正中，预设到冲击面的距离分别为9 cm，即波纹管埋深（保护层厚度）6.5 cm。侧面敲击的敲击点位于半圆形空洞底边延长线上方1 cm 处，如图1 所示。由缺陷频率计算公式知，若应力波的往返总路程按13 cm 计算，则该模型中缺陷所对应的理论峰值频率为28.918 kHz。

图1 半空缺陷模型（保护层厚度6.5 cm）Fig.1 Half-air Defect Model（Protective Layer Thickness：6.5 cm）

首先研究信号接收点与冲击点的距离变化对回波解析结果的影响。由于半圆柱体缺陷的存在，模型呈非对称结构，即使是距离冲击点相同距离的信号接收点，其所接收到的应力波的反射情况也不尽相同。因此对采样点的选取分为沿波纹管方向和垂直波纹管方向2种状况来进行探讨。

⑴沿波纹管方向设定不同采集距离

沿波纹管方向上且与冲击点有相同距离信号接收点的具有对称性，因此只需提取单侧的信号进行分析，提取距离冲击点分别为1 cm、2 cm、3 cm和4 cm处节点的位移-时程数据（见图2），并进行FFT变换，如图3所示。

图2 不同采集间距的示意图Fig.2 Schematic Diagram of Different Collection Spacing

图3 沿波纹管方向不同采集间距的解析频谱Fig.3 Analytical Spectra of Different Acqui⁃sition Spacing along the Direction of Bellows

根据图3分析可知，在沿波纹管方向上，当测点距离冲击点为1 cm时，其解析频谱图存在明显波峰对应板厚频率，但对应缺陷深度频率的波峰显示不够突出；当距离冲击点远于2 cm时，板厚频率和缺陷深度频率对应的波峰显示效果都不够明显，且缺陷深度频率还会向高频处偏移。而距离冲击点为2 cm处节点的频率-振幅曲线既能反映板厚频率5 kHz，又能在29 kHz处显示较为明显的波峰对应缺陷深度频率，综合响应情况较为良好。

⑵垂直波纹管方向

垂直波纹管方向上且与冲击点具有相同距离信号接收点，由于缺陷为半圆柱体空洞，因此冲击点两侧的信号接收点不具有对称性，需要分别提取敲击点上下两侧的信号进行分析，首先提取在冲击点上方距离冲击点分别为1 cm、2 cm、3 cm 和4 cm 处节点的位移-时程数据（见图4），并进行FFT变换，如图5所示。

图4 测试点上方不同间距的采样示意图Fig.4 Sampling Diagram of Different Spacing above the Test Point

根据图5 分析可知，在垂直波纹管方向的上方测点数据中，当测点距离冲击点为1 cm 时，其解析频谱图存在明显波峰对应板厚频率，但对应缺陷深度频率的波峰显示不够突出；当距离冲击点远于2 cm 时，板厚频率和缺陷频率对应的波峰显示效果都不够明显，且缺陷深度频率还会向高频处偏移。而距离冲击点为2 cm 处节点的频率-振幅曲线既能反映板厚频率5 kHz，又能在29 kHz 处显示较为明显的波峰对应缺陷深度频率，综合响应较为良好。

图5 垂直波纹管（上方）不同测距解析频谱Fig.5 Analytical Spectrum of Different Ranging of Vertical Bellows（above）

然后提取在冲击点下方距离冲击点分别为1 cm、2 cm、3 cm 和4 cm 处节点位移-时程数据（见图6），并进行FFT变换，如图7所示。

图6 缺陷下方不同间距的采样示意图Fig.6 Schematic Diagram of Sampling with Different Spacing below the Defect

图7 垂直波纹管（下方）不同测点的解析频谱Fig.7 Analytical Spectra of Different Measuring Points of the Vertical Bellows（Bottom）

根据图6分析可知，在垂直波纹管方向的下方中，距离冲击点为1 cm处的节点的综合响应相对较好，其频谱图依然能反映板厚频率，但仍存在缺陷深度频率的波峰不够明显的问题；当距离冲击点远于1 cm 时，缺陷频率的波峰都不能得到显示。对比可知，下方信号接收点的整体表现不如上方的原因它们距离缺陷区域更远以及缺陷形状的非对称性，所接收的反射缺陷区域的应力波不如上方集中。

最后，对比沿波纹管方向距离冲击点2 cm的节点和垂直波纹管方向的上方中距离冲击点2 cm的节点，如图8所示。

由图8可知，两处节点在板厚频率和缺陷深度频率的响应上基本一致，因此推荐冲击点与接收点的间距为2 cm，该测点能较好反映缺陷反应及板底反应。

图8 垂直波纹管和沿波纹管水平方向采样点的频谱（距冲击点2 cm）Fig.8 Spectrum of Sampling Points in the Vertical and Horizontal Direction of the Bellows（2 cm from the Impact Point）

4 结论

本文通过有限元建模分析及模型设计，主要研究了信号接收点与冲击点的距离对回波结果的影响。通过实验研究发现，对于信号接收点的选择，当它与冲击点的距离过近（＜2 cm）时会受到表面波的干扰导致解析异常，当距离过远（＞3 cm）时应力波的传播能量会衰减过多，推荐冲击点与接收点的间距为2 cm，该测点能较好反映缺陷反应及板底反应。