基于冲击回波法的预应力管道压浆密实性检测

doi:10.11720/wtyht.2019.1098

基于冲击回波法的预应力管道压浆密实性检测

渠广镇¹^,², 周广利², 张科超³, 王彦伟²

1. 长安大学公路学院,陕西西安 710064

2. 山东省交通科学研究院,山东济南 250014

3. 交通运输部公路科学研究院,北京 100088

The detection of grouting compactness of pre-stressed ducts based on the impact-echo method

QU Guang-Zhen¹^,², ZHOU Guang-Li², ZHANG Ke-Chao³, WANG Yan-Wei²

1. School of Highway,Chang'an University,Xi'an 710064,China

2. Shandong Transportation Institute,Jinan 250014,China

3. Research Institute of Highway Ministry of Transport,Beijing 100088,China

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2018-03-9 修回日期: 2019-04-17 网络出版日期: 2019-08-20

基金资助:

山东交通科技创新项目. 2015B48

Received: 2018-03-9 Revised: 2019-04-17 Online: 2019-08-20

作者简介 About authors

渠广镇(1985-),男,山东郓城人,工学博士研究生,高级工程师,主要研究方向为在役桥梁检测评定。Email:286824872@qq.com 。

摘要

首先阐述冲击回波检测方法的原理,然后通过制作试验模型构件模拟了预应力管道由空到密实的四种工况,采用冲击回波法对管道预应力注浆质量进行检测,得出如下结论:随着灌浆密实的增加,板底反射时刻和板名义厚度逐渐减小;从腹板半空方向测试,反射时刻和板名义厚度最大,管道密实的底部反射时刻和无管道处的反射时刻基本相当。最后提出预应力管道压浆中易于出现不密实的部位。通过工程实例验证了该方法的可靠性,在预应力管道损伤检测中具有一定的实用价值。

关键词： 预应力管道 ; 冲击回波法 ; 灌浆密实度

Abstract

A detailed description of impact-echo method was given firstly,then four different situations of grouting quality were modified from empty to dense through making test model.After that,the impact-echo method was adopted to detect the grouting quality of tendon ducts.The study was summarized as follows:If the reflection time of slab bottom and nominal thickness of slab increased,the degree of density would increase;the reflection time and nominal thickness of slab was the biggest when testing was from half-hole of web.At the same time,the reflection time of compacted and uncompacted tendon ducts was basically the same.In the end,the uncompacted parts of the prestressed pipe grouting were put forward.The method was verified by the engineering project and was proved to be of reference value.

Keywords： pre-stressed duct ; impact-echo method ; grouting compactness

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本文引用格式

渠广镇, 周广利, 张科超, 王彦伟. 基于冲击回波法的预应力管道压浆密实性检测. 物探与化探[J], 2019, 43(4): 919-924 doi:10.11720/wtyht.2019.1098

QU Guang-Zhen, ZHOU Guang-Li, ZHANG Ke-Chao, WANG Yan-Wei. The detection of grouting compactness of pre-stressed ducts based on the impact-echo method. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2019, 43(4): 919-924 doi:10.11720/wtyht.2019.1098

0 引言

预应力混凝土结构是在结构构件受外力荷载作用前,先人为地通过在内部穿入钢绞线再张拉对其施加压力的结构,其在桥梁结构中广泛应用。但预应力管道压浆质量得不到有效的保证,有时会出现管道内无水泥浆或仅有部分水泥浆等问题,据此可以把缺陷类型分为空洞型缺陷和疏松型缺陷。当管道内灌浆严重不足时,不仅会影响钢绞线的耐久性,而且对结构的整体性等多个方面都会产生不利影响。国内外曾出现因钢绞线腐蚀而引起桥梁结构失效或垮塌^[1],如欧洲的Ynys-y-Gwas大桥,国内沪宁高速在加宽整修中发现多座连续梁桥中预应力管道注浆部饱满,钢绞线锈蚀较重。因此,准确的判断管道注浆密实度成了研究重点问题。

目前,可用的无损检测方法有超声波法、射线检测法、探地雷达法、冲击回波法等等。超声波方法测试时其频率高,衰减快,受钢筋的影响大,同时塑料波纹管对超声波的反射较大,不利于内部缺陷的检测^[2,3];射线检测法检测费用高,对人体辐射作用大^[4];探地雷达方法金属管道对其有屏蔽作用^[5];冲击回波法仅需要单一测试面,反射信号明显,是混凝土波纹管灌浆质量检测中较为有效的一种方法^[6,7,8]。

文中通过在模型试件中模拟测试时不同激振方向,研究冲击回波方法对不同灌浆状况下响应特征,为科学评价管道灌浆质量提供基础数据。

1 冲击回波原理及测试仪器

1.1 测试原理

冲击回波方法是一种基于机械应力波在固体介质中传播原理的一种无损检测方法。它利用瞬时机械冲击(用一个小钢球或小锤轻敲混凝土表面)产生的低频应力波来对结构内部进行探测。应力波在构件表面、内部缺陷表面或构件表面底部边界之间来回反射产生瞬态共振,其共振频率能在振幅谱中辨别出, 用于确定内部缺陷^[9,10]。

波在固体内的传播方式有两种:P波(纵波)和S波(横波)。这些波遇到声阻抗有差异的介质界面就会发生透射、反射或折射,不同界面之间的来回反射就会产生瞬态共振,再由放置在冲击点附近的传感器接收共振引起的信号。冲击回波信号经过采集设备的A/D(模/数)转换后并被采集、存储下来,A/D的采样频率根据测试的厚度、精度来确定,采样频率范围多采用100~500 kHz。计算机对所采集的信号进行滤波平滑、快速傅里叶变换(FFT)等处理,将采集到的时域信号转化为频域信号,用于确定内部缺陷的深度和构件的厚度。冲击回波法示意图见图1所示。

图1

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图1 冲击回波法示意

Fig.1 Schematic of impact echo method

在混凝土板中,从无预应力管道、灌满浆管道及未灌满浆管道采集冲击回波信号,得出3种不同的响应特征,分别见图2a、图2b、图2c所示。

图2

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图2 3种预应力管道冲击回波响应

Fig.2 Impact echo response of three kinds of prestressed pipelines

通过对比分析以上冲击回波信号,可得如下结论^{[11,12,13,14,15]}:

1)无预应力管道部分。在无预应力管道的混凝土板中,应力波直接传播至板底后反射回测试面,由接收器接收响应信号,应力波所经过的路程为2倍板厚,经频域分析可获得有一明显峰值f_D的频谱,对应的冲击回波响应如图2a所示,共振频率f_D是与P波波速V_P和板厚D相关的量:

(1)

f_{D} = a_{s} V_{P} / (2 D),

式中:a_s是截面形状系数,板的截面形状系数取 0.96。

2)管道灌浆填充密实。不同界面存在不同的纵波反射形式,当第2种材料的波阻抗高于纵波入射材料,则应力在界面处不改变方向。因此,当反射波返回冲击点时,接收器接收不到相应信号,直到波在冲击点附近(混凝土/空气界面)发生改变,变成拉力波,即到第二次反射信号被接收,如图2b所示。此时,密实管道的埋深计算公式为:

(2)

f_{steel} = a_{s} V_{P} / (4 d) 。

3)管道灌浆填充不密实。在管道灌浆不密实的情况下,应力波需绕过气孔传播,其比实心板的厚度频率略有偏移,此时灌浆管道相当于多相(多孔)介质,冲击波在此介质中传播会产生高频吸收衰减或损失,波传播路径加长,故反射频率降低。

根据混凝土—钢材界面反射作用的位移频率与混凝土—空气界面反射作用的位移频率之间的差别,可以鉴别预应力管道内的灌浆缺陷。对于具有给定保护层厚度的管道,在灌浆后存在气孔的不密实管道内预应力筋的反射频率为灌浆完满密实的相同管道的2倍,如图2c所示。

(3)

f_{P, G} = a_{s} V_{P} / (2 d) 。

1.2 测试仪器

本次冲击回波法采用四川升拓SPC-MATS型预应力混凝土梁多功能检测仪,见图3所示。检测系统包括采集及处理仪、放大器、传感器、激振设备和专用附件等。配有直径分别为10、17、30 mm的钢球激振锤,可产生不同宽度的应力脉冲。冲击持续时间t_c(激振锤与混凝土表面的接触时间)决定了所产生的应力脉冲的频率成分,进而影响振幅谱中振幅峰值的大小,从而影响主频率的确定,要想获得高质量数据就应选择合适的冲击持续时间。对于直径为D(单位:m)的钢珠冲击混凝土表面产生的冲击持续时间为^[16,17]:

(4)

T_{S} = 0.0043 D 。

产生的最大频率为:

(5)

f_{S} = 1.25 / T_{S} = 291 / D 。

表1给出了不同厚度的结构应优先选择的激振锤直径。

图3

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图3 预应力混凝土梁多功能检测仪

Fig.3 Multifunctional detector for prestressed concrete beams

表1 激振锤直径选择

Table 1 Shock hammer diameter selection

构件厚度b	b≤20 cm	20 cm<b≤40 cm	40 cm<b≤60 cm
首选激振锤直径Dxx	D10	D17	D17
备选激振锤直径Dxx	D17	D10	D30

注:Dxx中D为激振锤名称代号,xx为激振锤直径,单位mm。

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2 试验研究

2.1 试验模型简介

试验模型尺寸为:长×宽×高=100 cm×90 cm×20 cm的混凝土立方体,在立方体中轴线截面内置直径5.5 cm铁皮管(图4),图中阴影部分为浇筑混凝土。试件采用C25的混凝土浇筑,浇筑时及时振捣混凝土,在成型后28 d用冲击回波扫描仪对试件进行检测。对于管道内缺陷测试方向,理论上存在如图5所示的顶板方向激振和腹板方向激振,因此在试验模型中模拟4种工况:①密实;②顶板半空;③全空;④腹板半空。

图4

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图4 试验模型

a—模型尺寸;b—模型实体

Fig.4 The test model

a—the model size;b—model entity

图5

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图5 激振方向

a—顶板方向激振;b—腹板方向激振

Fig.5 Excitation direction

a—roof direction excitation;b—web direction excitation

2.2 试验结果

利用冲击回波法检测预应力管道的压浆状况一般根据信号的峰值频谱分布来确定。频谱分析中传统的FFT转换方法可能产生畸变,本文使用MEM分析法^[18],即最大熵法(maximum entropy method),MEM分析的含义就是,在不增加熵的条件下推定信号的自相关系数,从而推算其频谱的方法。MEM在1967年由John Parker Burg提出,最早用于地震波的解析。此方法与FFT相比,具有频谱分辨率高、适用于短数列等特点。

图6a为无管道处测点的时域曲线,图6b为该点的MEM卓越周期。根据图6中的频谱图,由于构件的设计厚度为20 cm,本次测试自振反射时刻0.118 ms,自振频率8 475 Hz,根据式(1)可得应力波的传播速度V_P=3 531 m/s。

图6

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图6 试件无管道处时域及卓越周期

a—测点时域曲线;b—测点MEM卓越周期

Fig.6 Time domain and predominance period of pipeless specimens

a—time domain curve of measuring point;b—measuring point MEM predominance period

同时对试验模型中的4种管道注浆状况测试,现列出工况2即图5a顶板方向激振时域及卓越周期如图7所示。图中对应两个自振反射时刻,t₁=0.096 ms,t₂=0.121 ms,波纹管为钢制材料,其波阻抗大于混凝土波阻抗,因此对应t₁时刻厚度计算用式(2),可以得到管道埋深d=8.5 cm,应用式(3)得到板名义厚度D=21.4 cm。其他缺陷类型的计算结果汇总见表2。

图7

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图7 试件顶板方向激振时域及卓越周期

a—测点时域曲线;b—测点MEM卓越周期

Fig.7 Time domain and predominant period of specimen roof directional excitation

a—time domain curve of measuring point;b—measuring point MEM predominance period

表2 各缺陷类型结果汇总

Table 2 Summary results for each defect type

工况类型		顶部反射时刻 t₁/ms	底部反射时刻 t₂/ms	d/cm	D/cm	D中和密实管道差率
1	密实	0.094	0.116	8.3	20.4	/
2	顶板半空	0.096	0.121	8.5	21.4	4.9%
3	全空	0.100	0.123	8.8	21.7	6.4%
4	腹板半空	0.104	0.125	9.7	23.5	15.2%

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从测试结果来看,管道密实的底部反射时刻和无管道处的反射时刻基本一致;密实程度由空到密实的工况随灌浆密实反射时刻和板名义厚度逐渐减小,全空管道和密实管道名义板厚差率为6.4%。

从腹板半空方向测试,反射时刻和板名义厚度最大,和密实管道名义板厚差率为15.2%。在一般的预制小箱梁腹板管道测试中,一般为图4所示的侧方向激振,即表2中的工况4腹板半空情况,测试效果较为理想。

3 工程实例

在工程实践中,用冲击回波法结合钻孔验证对预应力管道饱满度进行检测。选择某梁场的30 m预制小箱梁腹板束进行测试,所测腹板处设计厚度20 cm,采用C50混凝土,预应力管道采用直径5.5 cm的铁皮波纹管。

首先根据设计图纸,对腹板预应力管道进行定位,管道编号从上向下依次为N1、N2、N3、N4。沿梁走向从距梁端1 m位置处(避开锚固端)开始竖向布置测线,自上而下敲击测试,各测点间隔5 cm,在管道位置处适当加密,测线纵向间隔50 cm,如图8所示。测试完毕后,对数据处理,发现距梁端5 m处的一条竖向测线中N2管道底部反射时刻和无管道处差率12.6%,初步判定此处不密实。而后对该处进行钻孔检验,见图9,发现该位置注浆不密实,这与判定结论相符。

图8

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图8 测线布置示意

Fig.8 Schematic of survey line layout

图9

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图9 管道灌浆不密实钻孔验证

Fig.9 Verification of uncompacted pipeline grouting

4 结论

本研究基于冲击回波方法原理,根据应力波在管道不同灌浆状况下反射特性,可以判断管道内部是否有缺陷存在。同时根据检测经验和模型试验发现,对于后张法预应力梁的腹板管道,在管道的起弯点和出浆口及反弯点顶部易出现灌浆不密实现象,对上述检测部位重点关注。另外应该看到,冲击回波方法测试数据的提取与分析受管道定位、检测人员经验的影响较大,因此建议在今后研究中,建立基于大数据的信号智能化分析系统,避免了人工读取的主观偏差,提高检测的准确性。

(本文编辑:叶佩)

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

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冲击回波主频对箱梁预应力孔道注浆饱满度的响应及应用

[J]. 公路交通科技, 2010,27(1):72-77.

Magsci [本文引用: 1]

<p>通过用冲击回波法比较箱梁在不同注浆饱满度下冲击回波信号的主频,研究主频对不同注浆饱满度的响应规律和无浆孔道的判断依据。根据不同类型测区的试验数据,总结出全空孔道箱梁的主频经验方程。依据实测主频对这些测区进行成像,通过比较实测主频和同等情况下全空管道的理论主频,判断孔道的注浆质量。最终判定4个测区的注浆有缺陷,凿开后验证为空洞,并给出了相应的照片。研究结果表明,冲击回波主频可以有效地评价箱梁预应力孔道的注浆饱满情况。</p>

Zou C

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, et al.

Impact-echo characteristic frequencies response to grouting fullness in ducts of prestressed box beam and application

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