沖擊回波法檢測預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量的研究

■熊盡柯 ■中鐵二十四局集團貴溪橋梁廠有限公司，江西 貴溪 335400

在多數(shù)工程中，混凝土結(jié)構(gòu)都處于非保護狀態(tài)下，因此混凝土結(jié)構(gòu)受到來自自然環(huán)境、使用環(huán)境以及材料內(nèi)部因素的損耗，其材料會隨著時間推移逐漸老化，進而將影響整個結(jié)構(gòu)的性能，這是一個必然的發(fā)展結(jié)果。對于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，這種現(xiàn)象主要表現(xiàn)在混凝土的材性降低、腐蝕預(yù)應(yīng)力束，進而造成有效預(yù)應(yīng)力的損失和普通鋼筋的銹蝕，預(yù)應(yīng)力及普通鋼筋力學(xué)性能一但銹蝕，預(yù)應(yīng)力束及普通鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度必然降低，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)與開展。這些因素的存在，對橋梁的耐久性和力學(xué)性能都會產(chǎn)生十分重大的影響，嚴(yán)重時將直接出現(xiàn)工程事故。

在預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)中，黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的所有優(yōu)勢都是建立在預(yù)應(yīng)力筋與混凝土黏結(jié)完好的基礎(chǔ)之上的［1］，所以保證孔道內(nèi)部質(zhì)量是保證預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的主要質(zhì)量控制部分。怎樣檢測預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)混凝土的缺陷是保證預(yù)應(yīng)力筋與混凝土黏結(jié)完好的重要手段，是確保后張法預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁順利發(fā)展的關(guān)鍵內(nèi)容。對我國橋梁的建設(shè)和發(fā)展以及檢測有重大意義。

1 沖擊彈性波法檢測原理

1.1 沖擊彈性波的激發(fā)

沖擊回波法作為一種新式檢測方法，其基本原理是用不同直徑的的鋼球沖擊混凝土表面引起瞬態(tài)的應(yīng)力波。這里不同直徑的鋼球決定了彈性波的沖擊能量，能量與球徑的關(guān)系如式(1)所示。

式中D 是鋼珠直徑，h 是沖擊高度。由于h 一般在10cm～20cm［1］，所以可以直接將上式簡化成式(2)。

所產(chǎn)生的沖擊波頻率和振幅分別如式(3)和(4)獲得。

式中fmax是最大頻率;

式中λ 為波長;CP為P 波波速(由現(xiàn)場測得)，C50 混凝土一般值為4000m/s。

1.2 沖擊彈性波的傳播與接收

應(yīng)力波作為一種擊振波，含有縱波、橫波和表面波。而縱波的傳播特點是沖擊回波法對混凝土結(jié)構(gòu)進行無損檢測的基本原理，縱波在激振產(chǎn)生的波中波速最大，在介質(zhì)表面引起的位移比剪切波大，其傳播速度與介質(zhì)的容變彈性有關(guān)。當(dāng)彈性波從材料1 垂直入射到材料2 時，波速受材料和波阻抗及界面形式影響，即彈性波遇到截面變化或材質(zhì)變化情況下時，其反映為一種與截面和材質(zhì)相關(guān)的一種抗性，我們稱為波阻抗［2］。垂直入射的反射系數(shù)R 由(5)式給出:

其中Z1、Z2 表示材料1 和材料2 的波阻抗，由此可知，當(dāng)彈性波由混凝土入射到空氣界面時，由于空氣阻抗遠(yuǎn)小于混凝土，即R≈1，表明彈性波基本全部反射，產(chǎn)生一反射波，反射波傳回混凝土表面，并被貼合在激振點附近的壓電式加速度傳感器接收，轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大后存儲于計算機中。因為縱波為信號中的主要部分，因此厚度頻率的幅值峰在頻譜圖中可以清晰讀取。依據(jù)彈性波速度和回波頻率，利用公式(6)計算得到混凝土厚度或缺陷位置。

是形狀系數(shù)，對板或墻取0.96［3］，對于梁和柱該值更小，根據(jù)厚度和寬度的比值來確定。

混凝土與鋼材或其他硬質(zhì)材料之間界面的反射形式不同。其厚度響應(yīng)與無預(yù)應(yīng)力管道部分相對應(yīng)，但由于預(yù)應(yīng)力束的存在，會出現(xiàn)一個較高的頻率幅值，大小可按公式(7)計算。

d 為鋼束距沖擊面的深度。

2 試驗部分

2.1 前期試驗

試驗將獲得兩組數(shù)據(jù)，分別為實體模型已知數(shù)據(jù)、有限元模擬試驗數(shù)據(jù)。前期試驗采用沖擊彈性波檢測混凝土板內(nèi)部缺陷與回波響應(yīng)頻率相關(guān)性的試驗已經(jīng)完成［5］，獲得彈性波在混凝土內(nèi)部不同工況下的回波頻譜響應(yīng)，此次試驗將研究管道內(nèi)部壓漿質(zhì)量與彈性波回波頻率的相關(guān)性。

2.2 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

2.2.1 實體模型

建立長寬均為0.5m，厚度為0.35m 的板6 塊，板內(nèi)擱置120mm 的管道，管道材質(zhì)分別為金屬和塑料，金屬管道壁厚1mm，塑料管道壁厚為2mm。管內(nèi)預(yù)應(yīng)力束鋼絞線將并排捆綁在一起，共四根(為與有限元模擬工況相同)，寬度為35mm(17.5mm×2)，并位于孔道底部，如圖1 所示?？椎纼?nèi)注漿情況分別為密實注漿、部分注漿和空管。

圖1 試驗板尺寸圖

實體模型的檢測將使用基于沖擊彈性波原理的多功能預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量檢測儀。在對孔道注漿檢測前，在非孔道位置進行聲速標(biāo)定，獲得該批次混凝土的聲速CP為均值為3860m/s，將此數(shù)據(jù)作為反算基礎(chǔ)數(shù)值［4］。后對已經(jīng)達到28d 齡期的模型，分別在頂板和底板進行檢測，這里只取注漿密實孔道數(shù)據(jù)作為對比數(shù)據(jù)，故只列出該組結(jié)果，反射數(shù)據(jù)如下表3 所示:

表3 實體梁檢測結(jié)果

2.2.2 有限元模型

建模使用軟件ANSYS/LS-DYNA，采用SOLID164 單元，假設(shè)沖擊彈性波檢測板結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷時，結(jié)構(gòu)響應(yīng)處于線彈性狀態(tài)［7］。實際工程中，預(yù)應(yīng)力混凝土梁強度等級一般大于C50，故取混凝土彈性模量為34GPa，泊松比0.2，密度為2400kg/m3，Cp 為4000m/s，沖擊采用17mm鋼錘，由式2 得沖擊時間曰為80us。鋼束位置、尺寸與實體相同。如圖1 所示，在頂部和底部來模擬梁頂板和底板兩種不同部位的檢測情況。孔道內(nèi)注漿情況分別為滿灌、部分注漿和空管。

忽略管壁厚，鋼束位于預(yù)應(yīng)力管道上部時，鋼束距測試面距離為0.115m;鋼束位于預(yù)應(yīng)力管道下部時，鋼束距測試面距離為0.2m。

2.3 試驗結(jié)果

由于已知板厚及內(nèi)部注漿情況已知，可以獲得以下數(shù)據(jù):

由公式6 可以算出注漿密實孔道對應(yīng)板厚頻率fT為:

由公式7 可以計算出注漿密實孔道鋼束反射頻率fs為:

2.3.1 注漿密實孔道數(shù)據(jù)

由圖2 和圖3 可以讀出首波峰值，分別為5.673kHz、5.428kHz。與接近，可以判定以上兩個數(shù)據(jù)為板厚頻率。另外兩個波峰頻率為8.443kHz 和8.512kHz，對應(yīng)孔道鋼絞線埋深頻率。

由圖4 和圖5 可以看到板厚頻率比較清晰與很接近，可以判定為板厚頻率;但無法識別鋼束的反射頻率，主要由于這是在頂板沖擊工況下，鋼束的反射頻率與過于接近，產(chǎn)生重疊，無法讀出頻譜值。

2.3.2 部分注漿孔道數(shù)據(jù)

由圖6 和圖7 可以看出，首波峰值為3.871kHz 和3.653kHz 雖然較板厚響應(yīng)頻率減少，但仍可認(rèn)為是板厚響應(yīng)頻率，因為此工況是在預(yù)應(yīng)力孔道部分注漿時測定的，應(yīng)力波需要繞行空洞進行反射，所用時間加長，反射頻率值相應(yīng)變小。再由圖1 可以了解，此時敲擊產(chǎn)生的彈性波經(jīng)過孔道先發(fā)生的是混凝土/金屬界面反射，同樣的從圖6 和圖7 的二波峰值分別為8.642kHz 和7.947kHz，此時與滿灌時的鋼束反射基本相同［8］。

由圖8 和圖9 可以讀出首波峰值為3.653kHz 和3.476kHz，板厚頻率基本沒有變化，原理與地板沖擊基本相同。而二波峰值卻接近變化為前面的兩倍。這是由于鋼束位于孔道的下半部，其上孔道部分為空氣，如應(yīng)力波傳遞至此界面需要經(jīng)過混凝土/空氣界面，基本全反射，所以此二波峰實為孔道表面到內(nèi)部空氣面的反射，應(yīng)由公式6 計算，為:

2.3.2 全空孔道數(shù)據(jù)

圖10 全空孔道反射路徑圖

全空孔道發(fā)生兩種反射如圖10 所示，路徑1，所得頻值可以理解為向低頻移動的板厚頻率;路徑2，所得頻值可以理解為孔道深度，都將偏離密實注漿工況的頻譜圖值，但不含有孔道內(nèi)部鋼束的反射信息。

3 結(jié)論與展望

在結(jié)構(gòu)表面敲擊后產(chǎn)生的應(yīng)力波在混凝土內(nèi)部不同界面間發(fā)生透射或者反射，形成不同的回波頻譜數(shù)據(jù)，沖擊彈性波檢測預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中孔道注漿質(zhì)量的關(guān)鍵是就是讀取沖擊后的回波響應(yīng)。當(dāng)內(nèi)部出現(xiàn)缺陷，將導(dǎo)致板厚和鋼束反射的明顯變化，并且在經(jīng)過分析實體模型和有限元模擬數(shù)據(jù)后，更加明確相對于無注漿質(zhì)量問題的孔道，有缺陷的孔道回波響應(yīng)將出現(xiàn)異動，即數(shù)據(jù)偏移［6］，在今后的試驗中，為了能更好的使用沖擊彈性波法檢測預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)孔道注漿質(zhì)量情況，必然需要更多的模擬驗證試驗來確定偏移規(guī)律，從而總結(jié)一套合理的判定標(biāo)準(zhǔn)來應(yīng)用于實際工程中。

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