箱梁預(yù)應(yīng)力管道注漿飽滿(mǎn)度精細(xì)定位檢測(cè)及質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)研究

田源

摘 要：預(yù)應(yīng)力管道注漿飽滿(mǎn)度直接影響預(yù)應(yīng)力筋的傳力效果及預(yù)制箱梁使用的耐久性，為有效控制預(yù)制箱梁管道注漿病害發(fā)生，實(shí)現(xiàn)箱梁預(yù)應(yīng)力管道注漿飽滿(mǎn)度精細(xì)定位檢測(cè)，本文結(jié)合四川長(zhǎng)江工業(yè)園區(qū)工程實(shí)際及箱梁預(yù)應(yīng)力管道注漿相關(guān)特點(diǎn)，開(kāi)展箱梁預(yù)應(yīng)力管道注漿飽滿(mǎn)度精細(xì)定位檢測(cè)及質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)研究。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力管道;注漿飽滿(mǎn)度;精細(xì)定位檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，公路建設(shè)事業(yè)也迎來(lái)了前所未有的迅猛發(fā)展，特別是高速公路建設(shè)。橋梁工程作為公路建設(shè)的重要組成部分也獲得了相應(yīng)的發(fā)展突破，近些年，大量的跨越大江、大河甚至海峽的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁相繼修建，其數(shù)量在我國(guó)大、中跨徑橋梁中占了較高比重。

要確保預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)在橋梁使用過(guò)程中長(zhǎng)期發(fā)揮作用，孔道壓漿質(zhì)量是重要的影響因素，對(duì)公路橋梁預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的耐久性起關(guān)鍵性作用。預(yù)應(yīng)力管道通過(guò)壓漿技術(shù)，采用漿體包裹預(yù)應(yīng)力筋，從而使預(yù)應(yīng)力筋與梁體混凝土更好的粘結(jié)并發(fā)揮作用;另外，通過(guò)漿體的包裹，對(duì)預(yù)應(yīng)力筋也起到一定的保護(hù)作用。然而由于各種各樣的原因，如果壓漿不密實(shí)，隨空氣將進(jìn)入預(yù)應(yīng)力管道，使得梁體預(yù)應(yīng)力材料發(fā)生腐蝕，造成有效預(yù)應(yīng)力降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力材料的斷裂，從而極大影響橋梁的耐久性與安全性。此外孔道壓漿質(zhì)量缺陷還將導(dǎo)致混凝土預(yù)應(yīng)力集中，進(jìn)而改變梁體的受力狀態(tài)，從而影響橋梁的承載能力和使用壽命。

近年來(lái)我國(guó)修建了大量的大、中跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量作為影響橋梁耐久性的重要因素，壓漿不密實(shí)問(wèn)題已成公路橋梁建設(shè)的質(zhì)量通病，為確保橋梁的耐久性與安全性，開(kāi)展預(yù)應(yīng)力壓漿飽滿(mǎn)度精細(xì)化控制及檢測(cè)技術(shù)研究迫在眉睫。

2 國(guó)內(nèi)外同類(lèi)技術(shù)對(duì)比

探地雷達(dá)檢測(cè)的基本原理是通過(guò)發(fā)射高頻電磁波，電磁波遇到介電常數(shù)的不同介質(zhì)時(shí)，反射回波，根據(jù)接收反射回波的時(shí)間和形式，確定反射介質(zhì)頂面的距離及反射介質(zhì)的性質(zhì)，其儀器組成、工作原理及檢測(cè)方法基本相似甚至相同，其二維和三維探測(cè)效果如圖1和圖2。目前國(guó)外的探地雷達(dá)可滿(mǎn)足對(duì)一定深度范圍內(nèi)目標(biāo)體的宏觀存在狀態(tài)控制，對(duì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的識(shí)別則需要較高質(zhì)量的采集信號(hào)和后期處理。相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)的地質(zhì)雷達(dá)后期處理軟件功能較強(qiáng)，但是信號(hào)采集質(zhì)量是成功解釋目標(biāo)體的根本因素，因此國(guó)產(chǎn)探地雷達(dá)信號(hào)采集及傳輸過(guò)程中的抗干擾能力需進(jìn)一步提高。

預(yù)應(yīng)力混凝土梁多功能檢測(cè)儀（SPC-MATS）采用沖擊彈性波作為測(cè)試媒介，其探測(cè)效果圖如圖3，其檢測(cè)精度能夠滿(mǎn)足工程要求，已在國(guó)內(nèi)外多個(gè)橋梁工程檢測(cè)中得到了實(shí)際應(yīng)用。該儀器可以快速定性測(cè)試，對(duì)于病害的二維圖像顯示比較精確，但是在工程實(shí)際中，由于事先并不知道病害的準(zhǔn)確位置，所以準(zhǔn)確定位病害顯得非常重要，該儀器對(duì)于病害的準(zhǔn)確定位這一環(huán)節(jié)就顯得非常薄弱，需要對(duì)很多位置進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)效率相對(duì)低下。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者均在對(duì)不同介質(zhì)中應(yīng)力波傳播路徑及計(jì)算公式進(jìn)行分析和研究。

3 預(yù)應(yīng)力管道注漿飽滿(mǎn)度精細(xì)定量化檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究

為有效控制預(yù)制箱梁管道注漿病害發(fā)生，采用有傳導(dǎo)電流項(xiàng)的Maxwell方程來(lái)進(jìn)行探地雷達(dá)正演，同時(shí)用無(wú)網(wǎng)格法無(wú)網(wǎng)格依賴(lài)性的特征，以便能更精確的刻畫(huà)預(yù)應(yīng)力混凝土管內(nèi)注漿病害的精細(xì)邊界、高梯度和高奇異波場(chǎng)突變問(wèn)題特征的波形。

3.1 預(yù)應(yīng)力混凝土注漿病害二維物理模型試驗(yàn)

設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力混凝土注漿病害（不規(guī)則邊界、不規(guī)則脫空，脫空后充水）物理模型，對(duì)模型進(jìn)行探地雷達(dá)二維探測(cè)，通過(guò)對(duì)比研究分析其粗糙面、病害的奇異邊界對(duì)探地雷達(dá)（GPR）探測(cè)以及孔道灌漿密實(shí)度質(zhì)量檢測(cè)儀（SBA-HTF）的影響，揭示病害在不同剖面下的圖譜特征，同時(shí)對(duì)探地雷達(dá)的二維探測(cè)結(jié)果進(jìn)行三維處理，生成三維圖像，可以達(dá)到精確定位病害的具體位置（三維坐標(biāo)內(nèi)的x，y，z具體坐標(biāo)），為驗(yàn)證數(shù)值模擬的有效性和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果的判讀提供圖譜依據(jù)。

3.2 介質(zhì)非均勻性的波動(dòng)方程無(wú)網(wǎng)格法形狀函數(shù)構(gòu)造

根據(jù)無(wú)網(wǎng)格法所使用的計(jì)算模型不同，無(wú)網(wǎng)格法可分為三類(lèi)：①基于配點(diǎn)的無(wú)網(wǎng)格法，包括無(wú)網(wǎng)格Vortex法、基于任意網(wǎng)格的差分法和hp-云法各種形式的配點(diǎn)法;②基于弱式的無(wú)網(wǎng)格法，如自由單元伽遼金法、無(wú)網(wǎng)格點(diǎn)差值法、多尺度再生核質(zhì)點(diǎn)法、小波質(zhì)點(diǎn)法和基于邊界積分方程無(wú)網(wǎng)格法等;③基于積分弱式和配點(diǎn)結(jié)合的無(wú)網(wǎng)格法。在這些無(wú)網(wǎng)格法中有的需要背景網(wǎng)格，有些完全不需要網(wǎng)格，各種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適應(yīng)不同的特定問(wèn)題，而面對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土注漿病害的探地雷達(dá)正演模擬，也需構(gòu)造更適合該問(wèn)題本身的無(wú)網(wǎng)格法，以提高計(jì)算的效率和速度，一個(gè)理想的無(wú)網(wǎng)格形狀函數(shù)構(gòu)造法應(yīng)滿(mǎn)足：

（1）對(duì)任意分布的場(chǎng)點(diǎn)和不規(guī)則點(diǎn)的適應(yīng)性。

（2）應(yīng)具有局部點(diǎn)近似的局部性，以便產(chǎn)生一帶狀矩陣，以提高求解效率，適合于三維正演及復(fù)雜問(wèn)題的分析。

（3）為保證無(wú)網(wǎng)格法收斂，形狀函數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足一定的再生性和協(xié)調(diào)性的要求。

（4）盡可能滿(mǎn)足本質(zhì)邊界條件。

3.3 預(yù)應(yīng)力混凝土注漿病害物理模型無(wú)網(wǎng)格法處理與正演模擬實(shí)現(xiàn)

無(wú)網(wǎng)格法正演模擬的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)包括計(jì)算矩陣的高效求解、模型邊界條件引入和正演軟件的開(kāi)發(fā)等。

（1）稀疏矩陣的存儲(chǔ)方式研究：無(wú)網(wǎng)格法在布置節(jié)點(diǎn)時(shí)，可在病害和邊界部位適當(dāng)加密結(jié)點(diǎn)，在變化較緩的地方減少結(jié)點(diǎn)，從而提高正演模擬的計(jì)算精度和計(jì)算效率。

（2）模型吸收邊界條件研究：與傳統(tǒng)有限元法一樣，無(wú)網(wǎng)格法吸收邊界的處理是十分重要的，吸收邊界條件的好壞直接影響無(wú)網(wǎng)格計(jì)算的精確度。但無(wú)網(wǎng)格法對(duì)吸收邊界的處理相對(duì)困難，目前常將有限元與無(wú)網(wǎng)格的耦合辦法來(lái)處理吸收邊界條件，雖然利用了有限元法的成熟性和無(wú)網(wǎng)格法的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但這種方法也有些不足之處，因此深入研究完全符合無(wú)網(wǎng)法特點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力混凝土注漿病害吸收邊界條件，將會(huì)是無(wú)網(wǎng)格法應(yīng)用到探地雷達(dá)正演模擬的一個(gè)重點(diǎn)。

（3）開(kāi)發(fā)基于橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土注漿病害的探地雷達(dá)無(wú)網(wǎng)格法正演模擬程序：運(yùn)用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)基于無(wú)網(wǎng)格法的探地雷達(dá)二維正演模擬程序，對(duì)各個(gè)關(guān)鍵算法和流程進(jìn)行優(yōu)化、組合，突出解決形狀函數(shù)的構(gòu)造和邊界條件引入、計(jì)算矩陣的高效存貯與快速求解技術(shù)和精度控制方案等關(guān)鍵技術(shù)，用數(shù)值模擬結(jié)果與物理模擬結(jié)果相比較，驗(yàn)證無(wú)網(wǎng)格法算法的適用性與有效性。同時(shí)通過(guò)分病害模型的正演結(jié)果，加深探地雷達(dá)對(duì)不同類(lèi)型病害反射剖面的認(rèn)識(shí)，提高缺陷判定的可靠性和解釋精度，而且正確正演模擬結(jié)果亦是驗(yàn)證反演算法的正確性的可靠依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在總結(jié)國(guó)外相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)在役預(yù)應(yīng)力橋梁的現(xiàn)狀，采用探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與沖擊回波法相結(jié)合的方式，對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道注漿密實(shí)度進(jìn)行高效快速、高準(zhǔn)確率、高分辨率等特點(diǎn)無(wú)損聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)，然后通過(guò)一些修復(fù)處理方式，比如新型樹(shù)脂材料等，不僅可以快速排除預(yù)應(yīng)力孔道注漿不密實(shí)帶來(lái)的安全隱患，還可以起到及時(shí)保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)不被腐蝕和銹斷的作用。該技術(shù)的研究填補(bǔ)了我國(guó)在該領(lǐng)域的技術(shù)空白，在運(yùn)營(yíng)橋梁預(yù)應(yīng)力孔道注漿密實(shí)度缺陷檢測(cè)和修復(fù)中將得到廣泛的應(yīng)用，有著廣闊的應(yīng)用前景，并將產(chǎn)生一定的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

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