魏子然 張宏祥

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)分為先張法與后張法兩種，其中后張法普遍應(yīng)用于我國橋梁建設(shè)[1]。面對我國日益增長的交通需要，大、中跨度橋梁中，箱梁是應(yīng)用形式最廣泛的橋梁，小箱梁以其施工方便，先簡支后連續(xù)小箱梁結(jié)構(gòu)體系結(jié)合了連續(xù)梁和預(yù)制梁批量生產(chǎn)的優(yōu)點,因此得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[2]。箱梁孔道壓漿是后張法施工過程中的關(guān)鍵工序，張拉力筋結(jié)束后要進行孔道壓漿?？椎缐簼{的作用主要有兩點:一是粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋和灌漿料,確?；炷僚c預(yù)應(yīng)力筋共同受力;二是防止預(yù)應(yīng)力筋受空氣、水和其他腐蝕性物質(zhì)侵入而銹蝕，從而降低應(yīng)力。如果壓漿不密實,水和空氣的進入使得處于高度張緊狀態(tài)的鋼絞線材料易發(fā)生腐蝕,造成有效預(yù)應(yīng)力降低[3]。實踐表明由于現(xiàn)場施工技術(shù)落后及施工管理的疏忽，箱梁腹板預(yù)應(yīng)力孔道壓漿往往不密實[1]。本文通過測試不同尺寸缺陷的試塊模擬箱梁腹板缺陷，通過計算頻率與實測頻率對比，總結(jié)出沖擊回波法運用于現(xiàn)場實測的規(guī)律特點，從而為箱梁預(yù)應(yīng)力孔道的養(yǎng)護提供有效建議。

1 沖擊回波法

1.1 沖擊回波法基本原理

沖擊回波法是一種基于使用由撞擊產(chǎn)生的應(yīng)力波對混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的無損檢測方法[5]。其原理為通過輕拍小鋼球，使之與混凝土或砌體表面發(fā)生短期機械碰撞，從而產(chǎn)生一種可以穿過結(jié)構(gòu)物并在去缺陷處和外表面反射的低頻應(yīng)力波(彈性沖擊主要產(chǎn)生三種波，分別為P波、S波和R波；沖擊回波法主要應(yīng)用的是P波)[6]，因為波的反射而引起的表面位移由安置在臨近沖擊點處的傳感器記錄，產(chǎn)生的位移與時間信號轉(zhuǎn)換為頻域，得到振幅與頻率的關(guān)系圖[7]。應(yīng)力波在碰撞面、缺陷和構(gòu)件外表面之間的多次反射引起結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)共振，該共振可在頻譜圖中被識別，根據(jù)共振情況檢測結(jié)構(gòu)的完整性或確定缺陷的位置[8]。其基本原理見圖1。

1.2 關(guān)鍵頻率

在有缺陷的有界固體中，反射發(fā)生在各種內(nèi)部和外部界面上，引起不同頻率和振幅的表面位移，并產(chǎn)生非常復(fù)雜的波形[9]。在許多情況下，很難去確定波的準(zhǔn)確到達時間，并且從單獨的波形檢查上確定關(guān)鍵頻率，如果將波形轉(zhuǎn)換為頻域，則重要的頻率在振幅譜中以不同的峰值出現(xiàn)，這由傅立葉轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)公式來完成。它的基本原理就是任何與時間相關(guān)的函數(shù)都可以表示為不同振幅和頻率的正弦曲線之和[10]。在數(shù)字信號分析中，快速傅立葉變換是利用一種稱為快速FFT的技術(shù)，將時域問題轉(zhuǎn)化為頻域分析。

在箱梁預(yù)應(yīng)力孔道沖擊回波測試中，由于不同材料的波阻抗不同[11](如表1所示)，其求關(guān)鍵頻率的核心公式也不一樣：板厚和普通空洞頻率公式為f=βCP/2T，鋼筋頻率為f=βCP/4d；其中，β為板狀結(jié)構(gòu)的形狀因子，取0.96；CP為測試的P波波速；T為結(jié)構(gòu)物板厚或空洞深度；d為鋼筋埋置深度。在檢測灌漿質(zhì)量時，灌漿飽滿程度不同，其特征頻率響應(yīng)也不同[12]，具體如圖2所示。

表1 常見材料波阻抗

2 模型制作及準(zhǔn)備

2.1 儀器簡介及注意事項

2.1.1儀器簡介

本次試驗所用沖擊回波儀的測試系統(tǒng)主要由6個部分組成，如圖3所示。

波速測試儀：將小球置于一側(cè)，可通過兩個傳感器接收應(yīng)力波的時間差直接計算波速。

手持傳感器：采集沖擊引起的表面位移并將其轉(zhuǎn)換為電壓—時間信號以二維數(shù)組形式輸出。

小鋼球：鋼球有10種直徑可供選擇，通過敲擊產(chǎn)生應(yīng)力波。

快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換釆集系統(tǒng)：接收、處理傳感器傳來的信號并傳送到計算機上。

筆記本電腦：連接沖擊回波儀，操作儀器。

IMPACT-E處理軟件：處理數(shù)據(jù)，提供被測結(jié)構(gòu)信息，輸出數(shù)字信息。

2.1.2注意事項

1)測試面處理：試驗前要用細砂紙對測試表面進行打磨；確保傳感器與測試面的接觸良好。

2)鋼球的選擇。本次實驗對象為厚度0.2 m的薄板，故采用直徑為3 mm的小鋼球。

3)手持傳感器的位置：將手持傳感器置于0.6 m×0.6 m平面的中心。

4)敲擊點：考慮應(yīng)力波的衰減，小鋼球敲擊點應(yīng)在傳感器直徑6 cm范圍內(nèi)。

2.2 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

本實驗主要研究箱梁不同材質(zhì)預(yù)應(yīng)力孔道灌漿飽滿度，故簡化模型，但不影響實驗結(jié)果，根據(jù)工程實踐中常見的缺陷深度，第一組為塑料波紋管，第二組為金屬波紋管共設(shè)置10種典型缺陷模型，另外設(shè)置一個實心板塊測試波速；試件均采用C50商用混凝土，灌漿料采用高強無回縮灌漿料，水灰比為3∶20；鋼筋采用直徑為8 mm的螺紋鋼筋；試件尺寸均為0.6 m×0.6 m×0.2 m，孔道直徑均為55 mm；具體情況見表2，圖4。

表2 模型尺寸及缺陷表

2.3 波速測試

通過波速測試儀直接檢測。圖5為直接波速測試裝置示意圖；傳感器單元被剛性地夾在間隔條中間，隔條將傳感器單元固定在一個固定的距離L上，通常為300 mm，目的是測量球面P波波陣面在這兩條直線上的精確到達時間，如果那些時間為t1和t2，那么波速CP由式(1)給出：

(1)

選用實心試件進行波速的測定，測試的電壓時差信號經(jīng)過處理如圖6所示。波速試驗結(jié)果匯總于表3。

表3 波速結(jié)果匯總表

從表3可以得到，本論文大量試驗數(shù)據(jù)顯示中，任取10次 混凝土波速測定范圍為4 255 m/s～4 511 m/s,10次取其平均值為4 433 m/s。最大單次測定值與平均值誤差率為4.01%，混凝土波速較為穩(wěn)定。故本次試驗以4 433 m/s進行實驗研究。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 第一組塑料波紋孔道缺陷結(jié)果分析

利用MATLAB中的快速傅立葉變化工具將儀器所測電壓及時間組成的頻域轉(zhuǎn)換為振幅及頻率組成的頻域分析。

第一組塑料波紋管的電壓—時間信號、振幅—頻率信號如圖7～圖12所示。1-1號～1-4號試件板厚/缺陷的計算頻率及實測頻率如表4所示，1-5號試件板厚/鋼筋的計算頻率及實測頻率如表5所示。

經(jīng)上述實驗數(shù)據(jù)分析，1-1號～1-5號試件的實際板厚頻率均比小于理論板厚頻率；1-1號與1-3號試件板厚與缺陷響應(yīng)基本一致；1-2號與1-4號試件板厚響應(yīng)基本一致；這說明實驗結(jié)果基本正確；但是1-1號～1-3號的板厚漂移率均較大，可1-1號～1-3號的缺陷漂移頻率基本都為0，此現(xiàn)象說明，當(dāng)P波檢測塑料波紋管內(nèi)的缺陷可以準(zhǔn)確識別，但是由于穿過塑料波紋管的P波在有缺陷的孔道內(nèi)發(fā)生多重反射，對板厚的計算出現(xiàn)偏差；通過1-4號與1-5號試件結(jié)果對比可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孔道內(nèi)有鋼筋時，鋼筋會發(fā)生5%左右的偏移，板厚頻率基本相同。

表4 板厚及深度頻率表

表5 板厚及鋼筋頻率表

3.2 第二組金屬波紋管缺陷分析

第二組金屬波紋管的電壓—時間信號、振幅—頻率信號如圖13～圖18所示。2-1號～2-4號試件板厚/缺陷的計算頻率及實測頻率如表6所示，2-5號試件板厚/鋼筋的計算頻率及實測頻率見表7。

表6 板厚及深度頻率表

表7 板厚及鋼筋頻率表

經(jīng)上述實驗數(shù)據(jù)分析，2-1號～2-5號試件的實際板厚頻率均小于理論板厚頻率；2-1號與2-3號試件板厚與缺陷響應(yīng)基本一致；2-2號與2-4號試件板厚響應(yīng)基本一致；這說明實驗結(jié)果基本正確；但是2-1號和2-3號的板厚漂移率均較大，可2-1號和2-3號的缺陷漂移頻率基本都為0，此現(xiàn)象說明，當(dāng)P波檢測塑料波紋管內(nèi)的缺陷可以準(zhǔn)確識別，但是由于穿過金屬波紋管的P波在有缺陷的孔道內(nèi)發(fā)生多重反射，對板厚的計算出現(xiàn)偏差；但是1-5號和2-5號的鋼筋頻率漂移率說明，當(dāng)孔道內(nèi)存在預(yù)應(yīng)力鋼筋時，金屬孔道壁和預(yù)應(yīng)力鋼筋之間形成四個鋼筋/混凝土界面，使P波的反射現(xiàn)象更明顯；1-2號和2-2號的板厚漂移率說明，當(dāng)孔道內(nèi)有較小缺陷且壁為金屬時，P波反射更為嚴重。

4 結(jié)語

1)無論是金屬孔道壁還是塑料孔道壁均對板厚頻率產(chǎn)生較大影響，但是對孔道內(nèi)部缺陷的探測并無太大影響；

2)當(dāng)預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)缺陷較大時，板厚漂移率越大，板厚頻率誤差較大；當(dāng)缺陷越小時，板厚漂移率越小，板厚頻率越小；

3)當(dāng)預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)缺陷較大時，缺陷漂移率越小，缺陷頻率誤差較??；當(dāng)缺陷越小時，缺陷漂移率越大，缺陷頻率誤差越大；

4)當(dāng)內(nèi)部缺陷較小時，P波在金屬孔道壁的多重反射次數(shù)比塑料波紋孔道壁多，即對缺陷的誤差較大。