基于沖擊彈性波法的預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量檢測技術(shù)研究

張松雷 田建輝 張鵬 王偉

摘要：針對傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量檢測方法中存在的檢測結(jié)果誤差大，影響施工整體質(zhì)量的問題。開展對其檢測技術(shù)的研究，提出一種基于沖擊彈性波法的預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量檢測技術(shù)。通過建立預(yù)應(yīng)力孔道有限元模型計算沖擊彈性波各特征參數(shù)，實現(xiàn)基于沖擊彈性波的定性、定位檢測。通過實驗證明，該檢測技術(shù)與傳統(tǒng)檢測方法相比可有效降低檢測結(jié)果的誤差，進一步提高檢測的精準度，并實現(xiàn)對孔道注漿質(zhì)量的無損檢測。

關(guān)鍵詞：沖擊彈性波法;預(yù)應(yīng)力;孔道;注漿;質(zhì)量檢測技術(shù)

中圖分類號：U415.12

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）07-0108-04

近幾年，公路橋梁建設(shè)的發(fā)展十分迅速，尤其是以預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋梁為主的橋梁建設(shè)類型。因此預(yù)應(yīng)力鋼筋的孔道注漿質(zhì)量是保證交通順暢的重要影響因素，一旦出現(xiàn)事故問題，不僅會對人們的財產(chǎn)和安全造成嚴重的影響，同時也會導致整個交通網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，從而進一步對社會造成影響叫。橋梁的預(yù)應(yīng)力孔道在設(shè)計、施工中產(chǎn)生的問題會在橋梁運營期間導致預(yù)應(yīng)力受損、橋梁大量病害等現(xiàn)象發(fā)生，造成橋梁斷裂或倒塌。因此，對預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量檢測是修建橋梁過程中十分重要的一個環(huán)節(jié)，影響著整體橋梁的質(zhì)量。目前傳統(tǒng)檢測方法中，最簡單直觀的方法是通過對結(jié)構(gòu)鉆孔取芯的有損檢測，但這種方法存在的缺點在于極易損壞構(gòu)建，破壞其完整性，因此檢測成本更高，不適用于大面積的應(yīng)用。因此，本文提出一種基于沖擊彈性波法的預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量檢測技術(shù)。

1基于沖擊彈性波法的預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量檢測技術(shù)研究

1.1預(yù)應(yīng)力孔道有限元模型建立

本文設(shè)計的基于沖擊彈性波法的預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量檢測技術(shù)其檢測原理是利用鋼球沖擊孔道表面，從而引發(fā)孔道瞬間的應(yīng)力波變化，進而實現(xiàn)對孔道注漿質(zhì)量的檢測4+5。同時為了保證本文設(shè)計的檢測方法對孔道不構(gòu)成任何損壞威脅，本文首先構(gòu)建一個預(yù)應(yīng)力孔道有限元模型，在模型中對孔道進行彈性沖擊，從而實現(xiàn)對預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量的無損檢測。

首先根據(jù)實際的預(yù)應(yīng)力孔道將其進行簡化，并假設(shè)建立的預(yù)應(yīng)力孔道有限元模型是具有彈性的且各向同性，孔道中質(zhì)點在移動過程中的應(yīng)力和應(yīng)變都滿足胡克定律，即孔道應(yīng)力與應(yīng)變之間呈線性關(guān)系。圖1為預(yù)應(yīng)力波在孔道構(gòu)件中響應(yīng)的有限元模型。

圖1中A模型表示為無孔道模型、B模型表示為孔道內(nèi)無注漿模型、C模型表示為孔道內(nèi)部分注漿模型、D模型表示為孔道內(nèi)滿注漿模型。針對實際預(yù)應(yīng)力孔道注漿的特點，本文通過相應(yīng)的建模軟件選用適合單元構(gòu)建簡化模型，并對不同模型預(yù)先設(shè)置不同的參數(shù)指標。

設(shè)置好參數(shù)后建立相應(yīng)的模型，對模型進行離散，并劃分為多個網(wǎng)格單元。通過計算微元的結(jié)果，得到最終整體有限元方程的對應(yīng)解。，網(wǎng)格劃分的方式本文選用自由劃分以及映射劃分2種劃分方式，映射劃分的結(jié)果更加整齊，對整體單元的形狀要求更加嚴格，自由劃分更加靈活，適用于孔道內(nèi)形狀不規(guī)則的位置模型，在根據(jù)實際模型構(gòu)建時應(yīng)當根據(jù)具體情況進行選擇。

1.2沖擊彈性波各特征參數(shù)計算

完成模型構(gòu)建后，再利用鋼球?qū)椎罌_擊，激發(fā)沖擊彈性波。不同半徑的鋼球決定著沖擊彈性波的沖擊能量，因此鋼球半徑與能量之間存在的關(guān)系可用公式（1）表示：

公式（1）中，W表示為沖擊彈性波的能量;r表示為鋼球的半徑;l表示為鋼球沖擊高度，在實際檢測預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量時，沖擊高度通常為15cm～2cm。

除了計算沖擊彈性波的激發(fā)能量外，還要對其傳播與接收的相應(yīng)參數(shù)進行計算[6]。由于應(yīng)力波可看作是一種共振波，因此應(yīng)力波中含有縱波、表面波以及橫波。其中，縱波的傳播是本文基于沖擊彈性波法的預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量檢測技術(shù)中主要應(yīng)用的檢測原理，縱波在沖擊產(chǎn)生的過程中波速最大，并且在管道內(nèi)部產(chǎn)生的位移遠遠大于剪切波，其傳播速度與孔道的容變彈性之間存在一定的關(guān)系。當彈性波從孔道外的介質(zhì)垂直人射到孔道內(nèi)注漿介質(zhì)時，波速會受到介質(zhì)材料以及波阻抗等因素的影響，反映出一種與橫截面及材質(zhì)相關(guān)的抗性，根據(jù)這一特點，垂直入射的反應(yīng)系數(shù)可用如下公式表示：

公式（2）中，y表示為垂直入射的反應(yīng)系數(shù);R表示為孔道外介質(zhì)的波阻抗;R2表示為注漿介質(zhì)的波阻抗。由公式（2）可知，當彈性波由孔道外介質(zhì)入射到孔道內(nèi)注漿介質(zhì)時，由于空氣中的阻抗遠遠小于孔道外的介質(zhì)，因此彈性波在檢測時基本可以做到全部反射，再由反射波傳回到孔道外時，便被貼合在激振點附近的壓電式加速度傳感設(shè)備接收，進而轉(zhuǎn)換為一種電信號，再在模型中放大將最終的結(jié)果存儲在計算機當中。

1.3基于沖擊彈性波的定性定位檢測

本文提出的基于沖擊彈性波法的預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量檢測技術(shù)可分為定性和定位兩種檢測方式，其中定性檢測可通過分析鋼球在孔道沖擊過程中產(chǎn)生的沖擊彈性波在傳播的過程中的能量、頻率、波速等參數(shù)的變化，定性判斷預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量的好壞。定性檢測適用于對孔道注漿過程中存在的漏灌、孔道堵塞等注漿事故的無損檢測。將定性檢測的結(jié)果利用灌漿指數(shù)表示，根據(jù)實際孔道注漿質(zhì)量要求，通常，當灌漿指數(shù)超過0.95時，一般意味著灌漿質(zhì)量較好，同時也沒有大面積的漿體疏松現(xiàn)象發(fā)生。而灌漿指數(shù)低于0.80則表明灌漿質(zhì)量較差。同時定性檢測得到的檢測結(jié)果也可用于對鋼絞線與注漿料之間的機密狀況進行檢測。

定位檢測是沿著孔道的.方或側(cè)方，利用掃描的方法連續(xù)不斷地檢測沖擊彈性波的激振和受信，通過反射信號的特點測試孔道內(nèi)部的注漿情況叫。圖2為定位檢測的基本原理圖。

當孔道注漿質(zhì)量存在缺陷時，產(chǎn)生激振的沖擊彈性波會在缺陷位置上產(chǎn)生相應(yīng)的反射，并且由孔道底部反射回來的沖擊彈性波的傳播時間會比孔道內(nèi)注漿密實位置時間更長”。因此根據(jù)孔道位置反射信號的有無即可判斷出孔道注漿質(zhì)量是否存在缺陷。當預(yù)應(yīng)力孔道注漿存在質(zhì)量問題時，激振的沖擊彈性波會在缺陷位置上產(chǎn)生反射現(xiàn)象;激振的沖擊彈性波從孔道反射回來所消耗的時間會比注漿密實地方更長，因此等效波速更慢，由此得到本文檢測方法的定性和定位檢測。

2實驗論證分析

2.1實驗準備

對比實驗開始前，首先建長度為2m，厚度25cm，高度0.95m模型梁，并設(shè)置三個孔道，從上至下分別編號為N1（金屬波紋管）、N2（金屬波紋管）、N3（塑料

波紋管），其灌漿程度分別為N1孔道從檢測方向開始有0.7m全灌漿，0.6m半灌漿，0.7m全空;N2孔道從檢測方向開始有0.7m全空、0.6m半灌漿、0.7m全灌漿;N3孔道為全空孔道，標定數(shù)據(jù)在N1、N2中間部位進行標定。圖3為模型梁設(shè)置示意圖。

2.2定位檢測

本實驗主要對金屬材質(zhì)孔道和塑料材質(zhì)孔道的無注漿位置進行檢測。以孔道的軸線為基準，沿預(yù)應(yīng)力梁板的縱向，以一定間距逐點進行激振和接收信號。在模型梁3個孔道部位均進行了檢測，在N1、N2孔道間進行了波速標定，測點間隔0.1m。

通過軟件分析激振產(chǎn)生的沖擊彈性波在傳播過程中的能量、波速等參數(shù)的變化，來判斷無注漿位置，與實際無注漿位置進行比較，計算各參數(shù)值，得出實驗誤差，對預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量進行判斷。

2.3實驗結(jié)果及分析

通過試驗，所得結(jié)果如圖4所示。

圖5為N1孔道金屬波紋管檢測結(jié)果。檢測時在注漿密實的地方通過波速標定判定缺陷位置（圖4）。從云圖5可以看出（縱軸起點第一個傳感器位置為0.2m處，以下同），在0～0.73m范圍內(nèi)看見明顯梁底反射，為全灌區(qū);在0.75～1.28m處為半罐區(qū);在1.30～2m處發(fā)現(xiàn)明顯的繞射現(xiàn)象。

圖6為N2孔道塑料波紋管檢測結(jié)果。在0～0.76m范圍內(nèi)看見明顯繞射，為全空區(qū);在0.78～1.30m處為半罐區(qū);在1.33～2m處發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，為全罐區(qū)。

圖7為N3孔道塑料波紋管檢測結(jié)果。全段出現(xiàn)明顯繞射，為全空區(qū)。

將實際缺陷位置與檢測缺陷位置對比，如圖8所示，可以看到，沖擊彈性波法能對缺陷進行具體定位。而對于不同材質(zhì)波紋管的檢測效果，塑料波紋管檢測精度比金屬波紋管略差，可能和塑料波紋管波與混凝土的波阻抗相差明顯有關(guān)。通過模型實驗證明，本文提出的基于沖擊彈性波法的預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量檢測技術(shù)與傳統(tǒng)檢測方法相比，檢測誤差得到了明顯的縮小，進一步提高了檢測結(jié)果的精度。通過本文的檢測方法可以有效判斷預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)部的注漿質(zhì)量是否存在問題，并對缺陷位置進行更精確的定位，對于提高工程施工的整體質(zhì)量具有一定的積極作用并實現(xiàn)了對孔道注漿質(zhì)量的無損檢測。

3結(jié)語

文章利用沖擊彈性波法對預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量進行檢測是有效可行的。該檢測方法對沖擊彈性波各項參數(shù)的分析實現(xiàn)對預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量的定性和定位檢測。通過模型實驗證明，該檢測方法檢測誤差小，檢測精度較高，能夠有效判斷預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)部的注漿質(zhì)量以及對缺陷位置進行更精確的定位，實現(xiàn)對孔道注漿質(zhì)量的無損檢測。但文中提出的檢測技術(shù)對于實際施工過程中存在的小缺陷不具備明顯的響應(yīng)特征，可能是由于孔道壁厚度的關(guān)系分辨率還有待提高，因此針對這一問題，在后續(xù)的學習中還將進行更加深入的研究。

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