趙仲杰，顧 盛2，潘永東

(1.同濟(jì)大學(xué) 航空航天與力學(xué)學(xué)院，上海 200092；2. 昆山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，蘇州 215337)

漿錨連接是裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)的一種連接方式，用于受力鋼筋的連接。其工作原理是：預(yù)制構(gòu)件底部留有孔道，孔道邊預(yù)埋鋼筋、螺旋箍筋或波紋管。灌漿作業(yè)時，將待連接構(gòu)件的鋼筋插入預(yù)留孔道內(nèi)，在孔道內(nèi)灌漿錨固該鋼筋，使其與孔道旁邊的縱筋形成搭接。兩根搭接鋼筋再被預(yù)埋的箍筋或波紋管約束，由此傳遞鋼筋的軸向力。目前由于缺乏成熟的漿錨連接質(zhì)量的無損檢測技術(shù)，裝配式建筑的質(zhì)量驗收受到制約。因此，亟需開發(fā)一種高效準(zhǔn)確的無損檢測方法，來對漿錨連接質(zhì)量進(jìn)行評估。

近幾十年來，國內(nèi)外針對預(yù)應(yīng)力孔道灌漿密實(shí)性的檢測相繼進(jìn)行了大量的試驗研究，目前應(yīng)用較多的方法有取芯法、雷達(dá)監(jiān)測法、射線檢測法、超聲波檢測法、沖擊回波檢測法等。自從20世紀(jì)康奈爾大學(xué)開展了沖擊回波法的研究以來，沖擊回波法發(fā)展迅速，且作為混凝土管道灌漿缺陷檢測最有效的方法，已被行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院在20世紀(jì) 80年代中期率先提出應(yīng)用沖擊回波法對混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測評估。COLLA[1]在2003年，通過沖擊回波法成功計算了含有金屬管道的后張拉混凝土梁的厚度，并對管道內(nèi)的空洞進(jìn)行識別，準(zhǔn)確地評價了管道的灌漿狀況。2005年，OLSON等[2]采用沖擊回波法檢測評估了后張混凝土橋梁的橋面狀況以及橋體內(nèi)預(yù)應(yīng)力管道的灌漿質(zhì)量，得到了較好的結(jié)果。而國內(nèi)對于沖擊回波法的研究起步較晚，主要集中在混凝土厚度檢測、裂縫檢測方面，對預(yù)應(yīng)力混凝土內(nèi)部孔道灌漿密實(shí)度檢測的研究則較少。劉洋希[3]運(yùn)用該法對未灌漿、灌漿密實(shí)、部分灌漿三種不同灌漿情況、不同材料的管道進(jìn)行試驗檢測，發(fā)現(xiàn)管道缺陷及埋置深度均可檢測得到，管道內(nèi)鋼筋束信號不明顯。王卓琳等[4]通過沖擊回波等效波速法分別對波紋管約束與螺旋箍筋約束的漿錨搭接試件進(jìn)行試驗，結(jié)果表明該法在一定程度上可以發(fā)現(xiàn)灌漿不密實(shí)的情況，但對灌漿段和非灌漿段的界面判斷不夠準(zhǔn)確。袁曙輝[5]通過檢測箱梁腹板、頂板、底板模型的管道灌漿質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)灌漿管道內(nèi)鋼筋束的埋置深度并不一定能檢測出來。

筆者通過室內(nèi)試驗檢測，采用沖擊回波等效波速法分析不同工況試件中管道的灌漿質(zhì)量，判斷灌漿質(zhì)量的影響因素，評估工況灌漿飽滿度，為沖擊回波法應(yīng)用于工程實(shí)踐提供可行性研究。

1 測試方法

1.1 測試原理

沖擊回波法是根據(jù)應(yīng)力波在固體介質(zhì)中的傳播理論發(fā)展而來的，基本原理是在被測構(gòu)件的表面施加一個瞬時沖擊，產(chǎn)生頻率較低的應(yīng)力波在構(gòu)件內(nèi)通過界面反射來回傳播，從而在構(gòu)件表面形成一個瞬時的類諧振條件。若將傳感器放置于激勵設(shè)備附近，便可接收到應(yīng)力波在多次反射下的振動信號。

圖1 沖擊回波等效波速法檢測原理示意

隨著沖擊回波法的進(jìn)一步發(fā)展，沖擊回波等效波速法的概念被提出，該方法的基本原理(見圖1，圖中MEM為信號處理所用的最大熵法;f1,f2,f3為3種不同工況下得到的信號主頻)為：沖擊應(yīng)力波在缺陷部位會發(fā)生繞射，到達(dá)構(gòu)件底部時再反射回來，傳播路徑延長，造成傳播時間也延長，相應(yīng)的應(yīng)力波等效波速降低；而當(dāng)灌漿密實(shí)時，應(yīng)力波等效波速與構(gòu)件密實(shí)處的近似相同。

通過頻譜圖主頻的變化及式(1)的計算可以更直觀地判斷波紋管內(nèi)部的灌漿質(zhì)量情況[6]。

T=βCp/(2fT)

(1)

式中：β為幾何結(jié)構(gòu)形狀系數(shù)，板狀結(jié)構(gòu)取0.96；Cp為標(biāo)定的等效波速；fT為頻譜圖中的峰值頻率；T為構(gòu)件厚度。

1.2 測試步驟

對漿錨構(gòu)件測試前，在構(gòu)件沒有波紋管且不受混凝土結(jié)構(gòu)邊界影響的位置進(jìn)行波速標(biāo)定，標(biāo)定數(shù)據(jù)不得少于46個。同時應(yīng)保證檢測部位混凝土表面平整，且不應(yīng)有蜂窩、孔洞等外觀質(zhì)量缺陷,必要時可磨平或使用耦合劑。此外，周圍不宜有機(jī)械振動和高振幅電噪聲干擾。

測試時，測點(diǎn)間距為5 cm，由下往上在漿錨管中心處沿長度方向布置測線，每測點(diǎn)采集3組數(shù)據(jù)。為避免邊界效應(yīng)，所有測點(diǎn)應(yīng)避開構(gòu)件邊緣，距離不應(yīng)小于構(gòu)件厚度的0.3倍。

一條測線上所有測點(diǎn)數(shù)據(jù)采集完成后，即可對測試數(shù)據(jù)與正?；炷翜y試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜解析并反映傳播時間的變化，當(dāng)被測點(diǎn)應(yīng)力波傳播時間大于正?；炷翜y點(diǎn)應(yīng)力波傳播時間時，可判斷該測點(diǎn)處存在灌漿缺陷。

1.3 頻譜解析

信號處理所用的最大熵法(MEM),相比常規(guī)的傅里葉變換(FFT)法，具有頻譜分辨率高、適用于短數(shù)列等特點(diǎn)。其原理是：當(dāng)應(yīng)力波在混凝土的結(jié)構(gòu)中傳播時，遇到波阻抗發(fā)生變化的界面或邊界，會在這些界面處不斷發(fā)生反射和透射，從而在結(jié)構(gòu)表面形成一個瞬時的類諧振條件。若將傳感器放置于激勵設(shè)備附近，便可接收到應(yīng)力波在多次反射下的振動信號。通過MEM法將其轉(zhuǎn)化為頻域信號，可得到一個對應(yīng)于構(gòu)件厚度的“厚度頻率”，該頻率的倒數(shù)則對應(yīng)應(yīng)力波往返傳播一次的周期。因此，當(dāng)構(gòu)件中存在缺陷或灌漿不密實(shí)時，應(yīng)力波往返一次的時間延長，導(dǎo)致頻譜圖中主頻降低，從而使得由式(1)計算得到的厚度要比實(shí)際厚度大。

2 試驗制備與試驗結(jié)果

2.1 試驗制備

為了模擬實(shí)際裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中的漿錨連接質(zhì)量，試驗共設(shè)計了9種不同工況的構(gòu)件，試驗現(xiàn)場與構(gòu)件實(shí)物如圖2所示。不同構(gòu)件的工況設(shè)計及漿錨波紋管尺寸如圖3，表1所示，其中構(gòu)件S-6深色部分表示距測試面較遠(yuǎn)的一排波紋管的灌漿高度，構(gòu)件S-4，5，8，9中放置密封吸管模擬小缺陷。

圖2 測試現(xiàn)場與構(gòu)件實(shí)物

圖3 不同波紋管構(gòu)件剖面示意

表1 不同波紋管構(gòu)件的工況設(shè)計

構(gòu)件編號構(gòu)件尺寸(高×寬×厚)/mm波紋管直徑/mm工況S-1,S-2800×1 000×200423列波紋管灌漿高度不同S-3800×1 000×200423列波紋管灌漿高度不同;波紋管內(nèi)無鋼筋S-4800×700×200502列波紋管全灌漿,波紋管內(nèi)預(yù)制50,100 mm高的缺陷S-5800×700×200左42,右502列波紋管半灌漿,波紋管內(nèi)預(yù)制50 mm高的缺陷S-6800×1 000×20042雙排波紋管,3列波紋管灌漿高度不同S-7800×700×30050距正面200 mm處有一保溫層,2列波紋管灌漿高度不同S-8800×700×20042波紋管內(nèi)預(yù)制100 mm高的缺陷,一根波紋管外有螺旋箍筋S-9780×700×200422列波紋管灌漿高度不同,一根波紋管內(nèi)預(yù)制50,100 mm高的缺陷

2.2 試驗結(jié)果

2.2.1 試驗結(jié)果

構(gòu)件波紋管內(nèi)灌漿高度、缺陷(空腔)位置及長度，可以根據(jù)等值線云圖(見圖4)直接獲取，其中：橫軸(水平軸)表示測試結(jié)果的厚度，m；縱軸(垂直軸)表示測試的測點(diǎn)位置，m；紅、黃色部分表示能量集中區(qū)域，其與激振點(diǎn)所在平面的垂直距離按式(1)計算；藍(lán)色實(shí)線為構(gòu)件的實(shí)際厚度。

圖4 各構(gòu)件的檢測結(jié)果

2.2.2 試驗分析

(1) 對于灌漿高度不同的構(gòu)件，可以看到圖4(a)在距底部470 mm處，厚度開始向高處偏移，證明此處開始波紋管內(nèi)未灌漿，而使得信號主頻降低，通過式(1)換算得的厚度偏高，與實(shí)際480 mm誤差為2.08%，測試效果良好。同樣，圖4(b)中，測試結(jié)果與藍(lán)色實(shí)線吻合良好，說明此根波紋管灌漿飽滿。以上現(xiàn)象說明沖擊產(chǎn)生的彈性波對于外壁為金屬的波紋管具有很好的穿透性能，檢測結(jié)果不受波紋管壁的影響，檢測效果較好，整體檢測效果與實(shí)際相符。

另外，由圖4(c)可見，對于波紋管內(nèi)無鋼筋的S-3號構(gòu)件，沖擊回波法可有效判斷波紋管內(nèi)是否灌漿以及灌漿高度，但是無法確認(rèn)是否有鋼筋存在。

(2) 對于預(yù)埋在波紋管內(nèi)的小缺陷，如圖4(d),(e),(i),(j)所示(小缺陷位置由綠框標(biāo)出),不論是42 mm還是50 mm直徑的波紋管，使用單點(diǎn)式?jīng)_擊回波法均能有效識別出50,100 mm高的缺陷，在測試云圖中表現(xiàn)為式(1)計算得到的名義厚度偏小。但是，通過云圖僅能判斷缺陷存在，無法確定小缺陷所處的深度。此外，在精度方面，云圖所示的結(jié)果也與缺陷實(shí)際大小與定位存在一定誤差。如S-8號構(gòu)件一號波紋管內(nèi)實(shí)際缺陷位置為距底部260360,430530,560660 mm，但是檢測結(jié)果顯示缺陷存在于距底部260340,430470,560660 mm處，對于缺陷大小的判斷誤差在可接受范圍內(nèi)。但是對S-4號構(gòu)件二號波紋管內(nèi)的測試結(jié)果顯示缺陷存在于距底部370470 mm和540640 mm處，與實(shí)際255355 mm和580630 mm處的誤差較大，判斷是灌漿不密實(shí)形成空洞、預(yù)設(shè)缺陷疊加或波紋管干擾造成。

另外，圖4(j)所示的S-8號構(gòu)件二號波紋管的測試結(jié)果表明，波紋管外的螺旋箍筋會使測試云圖計算的名義厚度范圍擴(kuò)大，但仍與實(shí)際相符，對實(shí)際檢測影響不大，且能準(zhǔn)確識別缺陷所在位置及其大小。

(3) 雙排波紋管的灌漿質(zhì)量檢測結(jié)果如圖4(f)，(g)所示。從圖4(f)中可判斷波紋管內(nèi)為空，從而導(dǎo)致厚度向高處偏移，但無法區(qū)分具體孔道。圖4(g)顯示的整體信號較為雜亂，可能是灌漿質(zhì)量存在問題所致，在距底部400670 mm處(綠色方框)出現(xiàn)如前文所述的小缺陷對應(yīng)的云圖情況，與實(shí)際一根波紋管灌漿到400 mm,一根到600 mm處較為吻合。

(4) 當(dāng)在構(gòu)件內(nèi)預(yù)制夾心保溫層時，如圖4(h)所示，在距底部430 mm往上部分厚度向高處偏移，判斷波紋管內(nèi)為空。此外，與圖4(a)，(b)對比可知，夾心保溫層的存在使得云圖顯示的厚度特征不穩(wěn)定，大部分彈性波在距檢測面200 mm厚處的夾心保溫層處反射，無法作為有效的判斷依據(jù)。

3 結(jié)論

運(yùn)用單點(diǎn)式?jīng)_擊回波等效波速法對裝配式混凝土漿錨連接試件進(jìn)行了測試，對測試結(jié)果分析后得到以下結(jié)論。

(1) 對于單排漿錨，單點(diǎn)式?jīng)_擊回波等效波速法可有效檢測灌漿飽滿與否，所識別的灌漿高度與實(shí)際情況相符，但無法識別波紋管內(nèi)是否存在鋼筋。

(2) 對于單排漿錨設(shè)計有灌漿小缺陷的，測試圖像均有所反映，即對于漿錨彈性波不僅能測試孔道是否飽滿，也能反映漿料密實(shí)情況。

(3) 對于雙排漿錨密實(shí)(飽滿)或空均可以測試判定，不足的是無法確定具體孔道。在目前的技術(shù)條件下，可以采用彈性波法和內(nèi)窺鏡相結(jié)合的方法，對雙排漿錨實(shí)施質(zhì)量監(jiān)控。彈性波測試沒有問題的可認(rèn)定沒問題，對于有問題的，可以有針對性地開孔且采用內(nèi)窺鏡確認(rèn)。

(4) 單排漿錨內(nèi)預(yù)制夾心保溫層和螺旋箍筋時，夾心保溫層和螺旋箍筋的存在會對單點(diǎn)式?jīng)_擊回波等效波速法的云圖厚度特征產(chǎn)生一定影響，但無法作為有效的判斷依據(jù)。