低頻超聲陣列法負(fù)彎矩管道壓漿質(zhì)量檢測(cè)

張居旺

(中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，廣西臨桂 541109)

1 預(yù)應(yīng)力壓漿管道檢測(cè)方法簡(jiǎn)介

預(yù)應(yīng)力管道又稱波紋管，波紋管壓漿的作用主要包括:①保護(hù)預(yù)應(yīng)力束免遭銹蝕，保證結(jié)構(gòu)物的耐久性;②預(yù)應(yīng)力束通過灰漿與周圍混凝土結(jié)成整體，增加錨固的可靠性，提高結(jié)構(gòu)的抗裂性和承載能力。其壓漿密實(shí)性好壞對(duì)橋梁的耐久性具有重要影響。

研究發(fā)現(xiàn)，眾多“短命”橋梁出現(xiàn)垮塌事故都出現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量問題，顯然，橋梁“短命”問題關(guān)鍵不是預(yù)應(yīng)力，而是預(yù)應(yīng)力施工的質(zhì)量。進(jìn)行預(yù)應(yīng)力橋梁的預(yù)應(yīng)力管道(波紋管)的注漿質(zhì)量檢測(cè)，是確保橋梁施工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求和合理受力狀態(tài)的一個(gè)重要控制環(huán)節(jié)。

目前國(guó)內(nèi)外最常用的檢測(cè)預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量的方法，主要有以下幾種:

1)沖擊回波法:利用短時(shí)的機(jī)械沖擊產(chǎn)生低頻應(yīng)力波，通過應(yīng)力波在混凝土介質(zhì)中的傳播，遇到分界面缺陷和構(gòu)件底面形成反射波，通過安裝在沖擊點(diǎn)附近的寬帶換能器接收下來，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，確定缺陷的位置及缺陷情況。該法普通工程技術(shù)人員難于掌握(數(shù)據(jù)處理要求較高)。

2)探地雷達(dá)法:通過天線向地下發(fā)射高頻電磁波，經(jīng)目標(biāo)體反射，為另一天線所接收，并以脈沖反射波的波形形式記錄，經(jīng)處理得到二維雷達(dá)圖像。區(qū)別于普通單個(gè)發(fā)射裝置、單個(gè)接收裝置的探地雷達(dá)，采用多發(fā)射裝置或多個(gè)接收裝置的為多陣列雷達(dá)(三維圖像)。該法不適用于金屬波紋管的壓漿質(zhì)量檢測(cè)。

3)超聲波法:用超聲波檢測(cè)混凝土預(yù)留管道壓漿質(zhì)量與檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷的基本原理一樣，是利用超聲脈沖波在混凝土中傳播的聲時(shí)(或聲速)、波幅和頻率等聲學(xué)參數(shù)的相對(duì)變化來分析判斷缺陷情況的。

4)超聲波層析成像法:超聲層析成像的工作原理與醫(yī)學(xué)CT類似，超聲波在混凝土內(nèi)部穿透或在界面發(fā)生反射，其接收信號(hào)將攜帶有關(guān)混凝土材料性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等諸多信息，通過對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行分析與判讀，進(jìn)而對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行測(cè)厚、測(cè)缺、測(cè)強(qiáng)，全面地鑒定混凝土的內(nèi)部質(zhì)量，進(jìn)一步還可直觀地反映出混凝土的內(nèi)部質(zhì)量和存在的問題。

針對(duì)上述各種檢測(cè)方法的利弊，某公司采用低頻超聲陣列法，自主研發(fā)設(shè)備，對(duì)貴廣高鐵負(fù)彎矩管道壓漿質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

2 檢測(cè)原理及檢測(cè)步驟

2.1 檢測(cè)原理

低頻超聲陣列法是檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷的有限元超聲成像方法，包括將超聲發(fā)射器和接收器放置在混凝土表面，以一定規(guī)律向梁體換發(fā)射并接收超聲波，超聲波在注漿管道里傳播發(fā)生散射、衍射、折射等現(xiàn)象，若預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)存在孔隙、空洞、不密實(shí)等缺陷時(shí)會(huì)使接收到的超聲波波形發(fā)生畸變。對(duì)采集到的超聲信號(hào)進(jìn)行濾波預(yù)處理后(振幅、相位、速度等)，可以定性判斷缺陷的有無;用有限元方法對(duì)混凝土內(nèi)部物理參數(shù)進(jìn)行重建(自主研發(fā)的反演軟件進(jìn)行二維或三維成像)，通過選擇超聲傳播的模型，信號(hào)前處理，有限元迭代重建，以及圖像后處理，可準(zhǔn)確定位缺陷位置和判定缺陷大小形態(tài)。

采用該法研制的儀器選用有限元軟件Wave3000及數(shù)學(xué)軟件Matlab進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和陣列數(shù)據(jù)融合處理，形成混凝土結(jié)構(gòu)斷面成像圖，與傳統(tǒng)SAFT算法相比，陣列SAFT算法充分利用陣列中相隔探頭間形成的掃描信號(hào)，最大限度增加數(shù)據(jù)融合處理的有效數(shù)組維數(shù)，使合成孔徑成像目標(biāo)定位能力增強(qiáng)，成像分辨率更高。由于脈沖信號(hào)頻率成分豐富，使得混凝土材料中晶粒散射嚴(yán)重，成像圖中缺陷波高部位會(huì)產(chǎn)生振蕩信號(hào)，為此提出一種基于互相關(guān)處理的方法來濾除振蕩信號(hào)，這種方法對(duì)表面直達(dá)波的幅度也有很好的抑制作用。

工作原理示意圖如圖1～圖3所示。

圖1 BQT－G1檢測(cè)儀系統(tǒng)

圖2 BQT－G1檢測(cè)儀面板

圖3 管道壓漿質(zhì)量檢測(cè)工作原理示意圖

2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)步驟

采用低頻超聲陣列法研制的預(yù)應(yīng)力橋梁管道注漿質(zhì)量檢測(cè)儀(BQT－G1)相比其它檢測(cè)設(shè)備，操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，適用于廣大工程技術(shù)人員。其具體現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)施過程如下:

1)將檢波器陣列垂直波紋管走向貼在梁體表面，確保良好的耦合。

2)設(shè)置檢測(cè)參數(shù)，正確連接發(fā)射探頭和檢波器陣列。

3)儀器采樣參數(shù):采樣通道:1～8道并行采樣;聲時(shí)測(cè)量精度:±0.1μs;幅度分辨率:1‰;發(fā)射方式:單次采樣，連續(xù)采樣。

4)檢測(cè)時(shí)在同樣耦合條件下，連續(xù)采集3次，以保證檢測(cè)結(jié)果可靠性。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

貴廣高鐵某大橋預(yù)制箱梁設(shè)計(jì)跨徑為30m，梁全長(zhǎng) 29.96m，梁高2.90m，頂板寬度 12.20m?；炷翉?qiáng)度等級(jí)采用C55;縱向預(yù)應(yīng)力束及負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力束均采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa的鋼絞線，張拉錨固體系采用群錨體系，Φ70mm塑料波紋管，內(nèi)壓M40水泥凈漿。

為了確保梁體施工質(zhì)量，了解孔道的內(nèi)部灌漿狀況，根據(jù)業(yè)主及相關(guān)部門的要求，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 檢測(cè)成果

通過對(duì)各個(gè)合同段預(yù)應(yīng)力預(yù)制梁負(fù)彎矩管道壓漿飽滿度的檢測(cè)，結(jié)合開窗驗(yàn)證結(jié)果，本次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)異常的負(fù)彎矩管道基本為壓漿不飽滿，管道頂部均存在0.5～1.0cm左右的空腔，鋼絞線未被完全握裹。

各個(gè)典型檢測(cè)圖像及開窗驗(yàn)證照片見圖4～圖11。

圖4 大橋左4－4至左5－4跨負(fù)彎矩成像圖

根據(jù)圖4所示，大橋左4－4至左5－4跨梁中5－4梁側(cè)第2束負(fù)彎矩管道距墩中心里程1.5～2.0m范圍，存在異常反應(yīng)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開窗驗(yàn)證后，壓漿管道頂部存在約0.5cm高的空腔。

根據(jù)圖5所示，大橋右2－2至1－2跨梁中2－2梁側(cè)第2束負(fù)彎矩管道距墩中心里程0～2.9m范圍，存在異常反應(yīng)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開窗驗(yàn)證后，壓漿管道頂部存在約0.5cm高的空腔，且鋼絞線未被全部握裹。

圖5 大橋右2－2至1－2跨負(fù)彎矩成像圖

圖6 大橋左34－2至35－2跨負(fù)彎矩成像圖

根據(jù)圖6所示，大橋左34－2至35－2跨梁中34－2梁側(cè)負(fù)彎矩管道的第2束負(fù)彎矩管道距墩中心里程1m附近，存在異常反應(yīng)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開窗驗(yàn)證后，壓漿管道頂部存在約0.5cm高的空腔。

圖7 大橋10－2#至9－2#跨負(fù)彎矩成像圖

根據(jù)圖7所示，大橋10－2#至9－2#跨梁負(fù)彎矩中1#、4#束在距大里程端端頭12.5m位置有異常反應(yīng);經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開窗驗(yàn)證后，壓漿不飽滿。

圖8 大橋10－3#至9－3#跨負(fù)彎矩成像圖

根據(jù)圖8所示，大橋10－3#至9－3#跨梁負(fù)彎矩中1#、3#、4#束在距大里程端端頭12.0m位置有異常反應(yīng);經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開窗驗(yàn)證后，壓漿不飽滿。

根據(jù)圖9所示，大橋10－4#至9－4#跨梁中2#、3#束在距大里程端端頭12.0m位置有異常反應(yīng);經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開窗驗(yàn)證后，壓漿不飽滿(驗(yàn)證照片:由于下雨開窗未能看清波紋管，但可以用鋼筋插入，頂部存在空腔)。

圖9 大橋10－4#至9－4#跨負(fù)彎矩成像圖(Ⅰ)

圖10 大橋10－4#至9－4#跨負(fù)彎矩成像圖(Ⅱ)

根據(jù)圖10所示，大橋10－4#至9－4#跨梁中1#、4#束在距大里程端端頭5.5m位置有異常反應(yīng);經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開窗驗(yàn)證后，壓漿不飽滿。

圖11 大橋10－2#至11－2#跨負(fù)彎矩成像圖

根據(jù)圖11所示，大橋10－2#至11－2#跨梁中2#束在距大里程端端頭12.0m位置有異常反應(yīng);經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開窗驗(yàn)證后，壓漿不飽滿。

4 結(jié)束語

本文首先介紹了預(yù)應(yīng)力管道壓漿檢測(cè)及其意義，并對(duì)幾種常見的檢測(cè)方法進(jìn)行介紹;其次詳細(xì)介紹了低頻超聲陣列法檢測(cè)預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量的原理，最后結(jié)合某實(shí)際工程進(jìn)行了檢測(cè)，取得了令人滿意的效果。通過檢測(cè)及開窗驗(yàn)證，證明了該檢測(cè)方法的可靠性，同時(shí)也證明了該設(shè)備的有效及可靠性。

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