張松雷 田建輝 張鵬 王偉

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量檢測(cè)方法中存在的檢測(cè)結(jié)果誤差大，影響施工整體質(zhì)量的問(wèn)題。開(kāi)展對(duì)其檢測(cè)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(cè)技術(shù)。通過(guò)建立預(yù)應(yīng)力孔道有限元模型計(jì)算沖擊彈性波各特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)基于沖擊彈性波的定性、定位檢測(cè)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比可有效降低檢測(cè)結(jié)果的誤差，進(jìn)一步提高檢測(cè)的精準(zhǔn)度，并實(shí)現(xiàn)對(duì)孔道注漿質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)。

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

中圖分類號(hào)：U415.12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(wèn)題，不僅會(huì)對(duì)人們的財(cái)產(chǎn)和安全造成嚴(yán)重的影響，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，從而進(jìn)一步對(duì)社會(huì)造成影響叫。橋梁的預(yù)應(yīng)力孔道在設(shè)計(jì)、施工中產(chǎn)生的問(wèn)題會(huì)在橋梁運(yùn)營(yíng)期間導(dǎo)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(duì)預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量檢測(cè)是修建橋梁過(guò)程中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，影響著整體橋梁的質(zhì)量。目前傳統(tǒng)檢測(cè)方法中，最簡(jiǎn)單直觀的方法是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)鉆孔取芯的有損檢測(cè)，但這種方法存在的缺點(diǎn)在于極易損壞構(gòu)建，破壞其完整性，因此檢測(cè)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(cè)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(cè)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(jì)的基于沖擊彈性波法的預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)其檢測(cè)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)孔道注漿質(zhì)量的檢測(cè)4+5。同時(shí)為了保證本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)方法對(duì)孔道不構(gòu)成任何損壞威脅，本文首先構(gòu)建一個(gè)預(yù)應(yīng)力孔道有限元模型，在模型中對(duì)孔道進(jìn)行彈性沖擊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)。

首先根據(jù)實(shí)際的預(yù)應(yīng)力孔道將其進(jìn)行簡(jiǎn)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(diǎn)在移動(dòng)過(guò)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(wú)孔道模型、B模型表示為孔道內(nèi)無(wú)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(duì)實(shí)際預(yù)應(yīng)力孔道注漿的特點(diǎn)，本文通過(guò)相應(yīng)的建模軟件選用適合單元構(gòu)建簡(jiǎn)化模型，并對(duì)不同模型預(yù)先設(shè)置不同的參數(shù)指標(biāo)。

設(shè)置好參數(shù)后建立相應(yīng)的模型，對(duì)模型進(jìn)行離散，并劃分為多個(gè)網(wǎng)格單元。通過(guò)計(jì)算微元的結(jié)果，得到最終整體有限元方程的對(duì)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(duì)整體單元的形狀要求更加嚴(yán)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(shí)際模型構(gòu)建時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。

1.2沖擊彈性波各特征參數(shù)計(jì)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(shí)際檢測(cè)預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量時(shí)，沖擊高度通常為15cm～2cm。

除了計(jì)算沖擊彈性波的激發(fā)能量外，還要對(duì)其傳播與接收的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)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(cè)技術(shù)中主要應(yīng)用的檢測(cè)原理，縱波在沖擊產(chǎn)生的過(guò)程中波速最大，并且在管道內(nèi)部產(chǎn)生的位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dāng)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(shí)，波速會(huì)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(diǎn)，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(dāng)彈性波由孔道外介質(zhì)入射到孔道內(nèi)注漿介質(zhì)時(shí)，由于空氣中的阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于孔道外的介質(zhì)，因此彈性波在檢測(cè)時(shí)基本可以做到全部反射，再由反射波傳回到孔道外時(shí)，便被貼合在激振點(diǎn)附近的壓電式加速度傳感設(shè)備接收，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為一種電信號(hào)，再在模型中放大將最終的結(jié)果存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)當(dāng)中。

1.3基于沖擊彈性波的定性定位檢測(cè)

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(cè)技術(shù)可分為定性和定位兩種檢測(cè)方式，其中定性檢測(cè)可通過(guò)分析鋼球在孔道沖擊過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊彈性波在傳播的過(guò)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(cè)適用于對(duì)孔道注漿過(guò)程中存在的漏灌、孔道堵塞等注漿事故的無(wú)損檢測(cè)。將定性檢測(cè)的結(jié)果利用灌漿指數(shù)表示，根據(jù)實(shí)際孔道注漿質(zhì)量要求，通常，當(dāng)灌漿指數(shù)超過(guò)0.95時(shí)，一般意味著灌漿質(zhì)量較好，同時(shí)也沒(méi)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(shí)定性檢測(cè)得到的檢測(cè)結(jié)果也可用于對(duì)鋼絞線與注漿料之間的機(jī)密狀況進(jìn)行檢測(cè)。

定位檢測(cè)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(cè)沖擊彈性波的激振和受信，通過(guò)反射信號(hào)的特點(diǎn)測(cè)試孔道內(nèi)部的注漿情況叫。圖2為定位檢測(cè)的基本原理圖。

當(dāng)孔道注漿質(zhì)量存在缺陷時(shí)，產(chǎn)生激振的沖擊彈性波會(huì)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(lái)的沖擊彈性波的傳播時(shí)間會(huì)比孔道內(nèi)注漿密實(shí)位置時(shí)間更長(zhǎng)”。因此根據(jù)孔道位置反射信號(hào)的有無(wú)即可判斷出孔道注漿質(zhì)量是否存在缺陷。當(dāng)預(yù)應(yīng)力孔道注漿存在質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，激振的沖擊彈性波會(huì)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(lái)所消耗的時(shí)間會(huì)比注漿密實(shí)地方更長(zhǎng)，因此等效波速更慢，由此得到本文檢測(cè)方法的定性和定位檢測(cè)。

2實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

對(duì)比實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，首先建長(zhǎng)度為2m，厚度25cm，高度0.95m模型梁，并設(shè)置三個(gè)孔道，從上至下分別編號(hào)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(cè)方向開(kāi)始有0.7m全灌漿，0.6m半灌漿，0.7m全空;N2孔道從檢測(cè)方向開(kāi)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(biāo)定數(shù)據(jù)在N1、N2中間部位進(jìn)行標(biāo)定。圖3為模型梁設(shè)置示意圖。

2.2定位檢測(cè)

本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)金屬材質(zhì)孔道和塑料材質(zhì)孔道的無(wú)注漿位置進(jìn)行檢測(cè)。以孔道的軸線為基準(zhǔn)，沿預(yù)應(yīng)力梁板的縱向，以一定間距逐點(diǎn)進(jìn)行激振和接收信號(hào)。在模型梁3個(gè)孔道部位均進(jìn)行了檢測(cè)，在N1、N2孔道間進(jìn)行了波速標(biāo)定，測(cè)點(diǎn)間隔0.1m。

通過(guò)軟件分析激振產(chǎn)生的沖擊彈性波在傳播過(guò)程中的能量、波速等參數(shù)的變化，來(lái)判斷無(wú)注漿位置，與實(shí)際無(wú)注漿位置進(jìn)行比較，計(jì)算各參數(shù)值，得出實(shí)驗(yàn)誤差，對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量進(jìn)行判斷。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)試驗(yàn)，所得結(jié)果如圖4所示。

圖5為N1孔道金屬波紋管檢測(cè)結(jié)果。檢測(cè)時(shí)在注漿密實(shí)的地方通過(guò)波速標(biāo)定判定缺陷位置（圖4）。從云圖5可以看出（縱軸起點(diǎn)第一個(gè)傳感器位置為0.2m處，以下同），在0～0.73m范圍內(nèi)看見(jiàn)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(cè)結(jié)果。在0～0.76m范圍內(nèi)看見(jiàn)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(cè)結(jié)果。全段出現(xiàn)明顯繞射，為全空區(qū)。

將實(shí)際缺陷位置與檢測(cè)缺陷位置對(duì)比，如圖8所示，可以看到，沖擊彈性波法能對(duì)缺陷進(jìn)行具體定位。而對(duì)于不同材質(zhì)波紋管的檢測(cè)效果，塑料波紋管檢測(cè)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(guò)模型實(shí)驗(yàn)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(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比，檢測(cè)誤差得到了明顯的縮小，進(jìn)一步提高了檢測(cè)結(jié)果的精度。通過(guò)本文的檢測(cè)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(wèn)題，并對(duì)缺陷位置進(jìn)行更精確的定位，對(duì)于提高工程施工的整體質(zhì)量具有一定的積極作用并實(shí)現(xiàn)了對(duì)孔道注漿質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)。

3結(jié)語(yǔ)

文章利用沖擊彈性波法對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)是有效可行的。該檢測(cè)方法對(duì)沖擊彈性波各項(xiàng)參數(shù)的分析實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量的定性和定位檢測(cè)。通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)證明，該檢測(cè)方法檢測(cè)誤差小，檢測(cè)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(duì)缺陷位置進(jìn)行更精確的定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)孔道注漿質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)。但文中提出的檢測(cè)技術(shù)對(duì)于實(shí)際施工過(guò)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(duì)這一問(wèn)題，在后續(xù)的學(xué)習(xí)中還將進(jìn)行更加深入的研究。

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