基于彈性波原理的預(yù)應(yīng)力橋梁波紋管注漿密實(shí)度檢測方法的機(jī)理研究與應(yīng)用

柯玉軍 龍士國

（1. 中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司 北京 100097；2. 湘潭大學(xué) 湖南湘潭 411105）

1 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁是指在橋梁混凝土構(gòu)件承受使用荷載前，預(yù)先對受拉區(qū)的混凝土施加壓力的混凝土橋梁。預(yù)應(yīng)力工藝的應(yīng)用，提高了橋梁構(gòu)件的抗裂度和剛度，充分利用了高強(qiáng)材料，使橋梁結(jié)構(gòu)向大跨、輕型的方向邁進(jìn)了一大步。

然而，橋梁預(yù)應(yīng)力管道存在注漿質(zhì)量缺陷時，會出現(xiàn)錨頭應(yīng)力集中和隨時間推移引起預(yù)應(yīng)力損失，且會改變梁體的設(shè)計受力狀態(tài)，從而影響橋梁的使用壽命。加強(qiáng)橋梁預(yù)應(yīng)力管道注漿施工質(zhì)量的過程控制，消除工程質(zhì)量隱患，對確保橋梁的設(shè)計使用壽命具有重要意義。為了加強(qiáng)對施工質(zhì)量的過程控制，確保施工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，通過無損檢測的方式來對預(yù)應(yīng)力管道注漿質(zhì)量進(jìn)行檢測，以便發(fā)現(xiàn)注漿質(zhì)量缺陷，及時采取補(bǔ)救措施，達(dá)到消除質(zhì)量隱患、確保橋梁工程質(zhì)量的目的。

國內(nèi)外相繼開展了一些研究，提出了不少檢測方法。例如沖擊回波法、超聲波成像法、表面波頻譜成像法、探地雷達(dá)法、電磁波(雷達(dá))、X光、射線法、能量衰減法和超聲相陣法等方法。從發(fā)信點(diǎn)與收信點(diǎn)的位置關(guān)系，可以將上述方法分為透射法和反射法；從采用的測試媒介，又可以把這些方法分為 2大類，即基于彈性波(包括超聲波)的方法和彈性波以外的方法。目前對預(yù)應(yīng)力梁體施工完成后的無損檢測內(nèi)容和檢測方法較少，特別是對預(yù)應(yīng)力管道的注漿效果基本憑經(jīng)驗(yàn)評定，尚無成熟完善的無損檢測方法。

為此，我們在進(jìn)行多方面研究的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)應(yīng)力孔道灌漿密實(shí)度檢測方法與技術(shù)，并結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行了檢測技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用研究，取得良好工程效果。

2 預(yù)應(yīng)力管道注漿密實(shí)度檢測原理

預(yù)應(yīng)力管道注漿密實(shí)度聲波檢測方法基于彈性波傳播理論，采用超聲壓力波反射法和透射法進(jìn)行注漿密實(shí)度檢測。

2.1 超聲波反射法

超聲波反射法基于一維桿件彈性理論，即：

式中：U 為波紋管中鋼絞線在截面方向的位移，m；x為鋼絞線軸向距離，m；t為彈性波傳播時間，s；V 為彈性波在鋼絞線中的傳播速度，m/s；E為彈性模量，MPa。

當(dāng)激發(fā)振源在波紋管一端的鋼絞線端部激發(fā)產(chǎn)生振動后，彈性壓力波在鋼絞線中按一維桿件規(guī)律，以波速V傳播。當(dāng)存在注漿不密實(shí)區(qū)時，其波動方程的形式變?yōu)椋?/p>

式中，Cρ、CE為波紋管中注漿質(zhì)量正常區(qū)域的密度、彈性模量；rρ、rE為波紋管中鋼絞線的密度、彈性模量；CS、fS為正常區(qū)、異常區(qū)的截面積所占比例（無量綱物理量）；K為彈性系數(shù)；KU為彈性恢復(fù)力；F為初始激發(fā)力；δ為時間函數(shù)。

在這種情形下，彈性波在波紋管中的傳播速度為：

由上式可知：

（2）當(dāng)波紋管中沒有注漿時，CS→0，V→波速趨向于鋼絞線的速度(約為5300m/s)，波速較高；

（3）當(dāng)波紋管中注漿情況介于以上二者之間時，速度V在3800～5300m/s之間。

鋼絞線在實(shí)際波紋管中的分布方式，一方面在垂直軸線方向幾根鋼絲是絞合在一起的，另一方面沿其軸線整根鋼絞線也是呈一定弧度彎曲的。這并不影響彈性波沿鋼絞線傳播，因?yàn)檫@時的彈性波遵從導(dǎo)波理論，彈性波的絕大部分能量在鋼絞線中向前傳播。

2.2 超聲波透射法

超聲波透射法是利用波的散射原理。根據(jù)惠更斯原理，在波的傳播過程中，每個波前（波陣面）都可以當(dāng)作一個新的振源。一般情況下，散射波的能量比入射波弱得多，滿足Born近似。散射方程為：

式中：()Xα為沿x方向的密實(shí)程度系數(shù)（亦為表征波速差異程度系數(shù)）。

據(jù)此，探測出遇到不同密實(shí)程度的注漿體時波的能量、頻率、速度的微小變化，進(jìn)而分析獲取波紋管中的注漿密實(shí)情況。

3 波紋管注漿密實(shí)度超聲檢測方法

采用超聲波法檢測波紋管注漿密實(shí)程度的基本思想是采用聲波透射法或反射法。具體做法分2步。

第1步：用聲波透射法或反射法，在預(yù)應(yīng)力孔道兩端快速確定鋼絞線的固結(jié)波速，根據(jù)相關(guān)性找出灌漿等級較差的預(yù)應(yīng)力孔道。鋼絞線的固結(jié)波速測試和預(yù)應(yīng)力孔道側(cè)面聲波掃描測試示意圖如圖1所示。

圖1 聲波透射法檢測示意圖

固結(jié)波速是指激發(fā)應(yīng)力波通過鋼絞線灌漿段的速度，是評價灌漿密實(shí)度的重要參數(shù)。固結(jié)波速的大小介于鋼絞線與灌漿劑的波速之間，受灌漿密實(shí)度(強(qiáng)度)影響，灌漿劑密實(shí)度越好，固結(jié)波速越低。表1、表2是根據(jù)實(shí)驗(yàn)推算的預(yù)應(yīng)力孔道灌漿質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)。

表1 透射法評價標(biāo)準(zhǔn)

表2 反射法評價標(biāo)準(zhǔn)

第2步：在灌漿不密實(shí)的預(yù)應(yīng)力孔道側(cè)面用聲波散射掃描式方法確定灌漿不密實(shí)區(qū)域的位置。測試示意圖如圖2所示。

圖2 聲波散射法檢測示意圖

預(yù)應(yīng)力孔道灌漿不密實(shí)區(qū)域的聲波散射信號是典型的非穩(wěn)態(tài)過程。聲波散射信號是構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)散射的總合，包含豐富的信息。我們采用瞬時非穩(wěn)態(tài)信號變換，進(jìn)行灌漿不密實(shí)區(qū)域散射信號定向識別，把聲波散射的時間、能量、頻率等重要信息相結(jié)合進(jìn)行分析，是傳統(tǒng)的處理技術(shù)和理念無法實(shí)現(xiàn)的，能夠更有效的檢測出預(yù)應(yīng)力孔道灌漿不密實(shí)區(qū)域的位置。

4 工程應(yīng)用

采用超聲應(yīng)力波方法，對山西省忻州環(huán)城高速公路部分箱梁的波紋管進(jìn)行了注漿密實(shí)度檢測。忻州環(huán)城高速公路全長 31.704km，設(shè)計速度100km/h，路基寬度26m。項(xiàng)目計劃于2012年12月建成通車。

對其3座橋梁（暫用代號QLA、QLB、QLC）的部分箱梁進(jìn)行了檢測。圖 3為 QLA橋梁的 01號孔道測試數(shù)據(jù)經(jīng)處理軟件處理后的成果圖，表3為檢測結(jié)果簡表。

圖3 橋梁A的01號孔道測試結(jié)果

表3 QLA波紋管注漿質(zhì)量檢測結(jié)果簡表

5 結(jié)語

依據(jù)超聲應(yīng)力波傳播理論和散射理論，采用應(yīng)力波透射法、反射法，檢測預(yù)應(yīng)力橋梁波紋管注漿密實(shí)度，可以較為準(zhǔn)確、直觀地反映出波紋管施工質(zhì)量。該方法不僅檢測速度快，而且解決了檢測預(yù)應(yīng)力管灌漿情況的大難題。處理軟件的結(jié)果成像可清楚、直觀的顯示結(jié)構(gòu)的厚度變化、缺陷類型及位置。通過在山西忻州環(huán)城高速等項(xiàng)目實(shí)踐證明，超聲應(yīng)力波檢測法是一種可靠、有效的方法，必將為國內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測起到非常積極的作用。