樊海林

（重慶交通大學河海學院 重慶 400074）

引 言

近年來，我國交通工程建設(shè)事業(yè)發(fā)展迅速，尤其是高速公路、高速鐵路的建設(shè)勢頭最為強勁。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，現(xiàn)有公路、鐵路、市政橋梁總數(shù)中接近4/5為預應(yīng)力混凝土梁橋，而其中箱型截面梁橋占相當大一部分，預應(yīng)力混凝土箱梁橋發(fā)展成為目前在橋梁設(shè)計、建設(shè)、養(yǎng)護中最為常見的橋型。預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受外力荷載作用前，先人為地通過在內(nèi)部穿入鋼絞線再張拉對其施加壓力，最后進行灌漿密實的結(jié)構(gòu)。但由于孔道灌漿具有一定的隱蔽性和復雜性，而且在橋梁上基本不會設(shè)置灌漿質(zhì)量的檢查孔，因此很難對灌漿效果做出精確的估計。當管道內(nèi)灌漿不足時，會對鋼絞線的耐久性和結(jié)構(gòu)的可靠性等多個方面都產(chǎn)生不利影響，嚴重者甚至直接導致橋梁的垮塌。因此，如何準確檢測管道灌漿飽滿度極其重要。

我國從20世紀50年代起，無損檢測技術(shù)開始被相繼使用。之前，大多使用有損檢測的方法，其包括切片法和開槽法。該法檢測具有極強的客觀性，但卻有嚴重的缺點，會對混凝土造成局部破損，進而使孔道內(nèi)預應(yīng)力鋼筋銹蝕。而且檢測效率低，檢測成本比較高。因此，無損檢測得到了大規(guī)模推廣使用。無損檢測不破壞混凝土結(jié)構(gòu)，能夠直接對構(gòu)筑物進行檢測，檢測完成后可以立即對工程質(zhì)量做出評定，此外，無損檢測也可以對微小的金屬構(gòu)件或者較大的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的表層或內(nèi)部進行缺陷檢測，且操作方便快捷，所需費用較低。下面主要針對預應(yīng)力混凝土孔道灌漿質(zhì)量檢測最常見的三種方法：超聲波法、地質(zhì)雷達法、沖擊回波法進行對比[1-3]。

一、預應(yīng)力孔道灌漿檢測方法對比

（一）超聲波法

超聲波法，其基本原理就是依據(jù)高頻脈沖在混凝土中傳播時，各聲學參數(shù)會隨著孔道內(nèi)灌漿飽滿度的變化而變化，最后進行信號分析處理以判斷缺陷。超聲波信號在混凝土內(nèi)部傳播時會把孔道內(nèi)部構(gòu)造、缺陷情況以波的形式傳遞出來，借以頻率、波幅、聲速等相關(guān)參數(shù)的變化情況進行判別。但是，超聲波作為聲波，受到測試面、鋼筋、波紋管以及環(huán)境的影響較大，因其頻率較高，衰減亦快；超聲波信號容易受到預應(yīng)力鋼筋的影響，需要進行進一步甄別；材質(zhì)方面，塑料波紋管對超聲波的反射比較大，對于準確定位缺陷相對困難。

（二）地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達法，依據(jù)高頻電磁波來確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷情況。其基本原理是檢測儀器發(fā)射的電磁波在傳播時隨磁場強度、波形形態(tài)及路徑的不同，都將發(fā)生相應(yīng)的變化，通過分析接收天線接收到的頻率、振幅以及傳播時間的變化，利用檢測儀器后期處理轉(zhuǎn)化的雷達剖面圖，從而判斷、分析結(jié)構(gòu)體內(nèi)部缺陷情況。但是，由于預應(yīng)力混凝土箱梁中配有鋼筋，鋼筋為金屬，其誘電率極大，極可能會屏蔽雷達波信號，使得孔道內(nèi)部狀況難以被反映。倘若梁體配筋較多，那么電磁波會在鋼筋之間進行多次反射，使得最終接收器接收到的波形不是單純的反射信號，而是幾種信號波形的疊加，使得測試精度很難保證。

（三）沖擊回波法

沖擊回波法，使用沖擊錘通過對預應(yīng)力混凝土梁表面進行機械瞬時敲擊而產(chǎn)生低頻應(yīng)力波，此波會從梁表面向結(jié)構(gòu)內(nèi)部深處傳播，當遇到結(jié)構(gòu)底面或分界面時將會發(fā)生反射，通過接收器以及示波器，對信號進行采集和時頻處理分析，進而判斷梁孔道內(nèi)部有無缺陷以及缺陷的大小、位置。沖擊回波等效波速法采用頻譜分析的方法，以MEN代替常規(guī)的FFT，能夠有效地識別反射信號，極大提高了檢測精度，而且對于局部缺陷也能夠準確地識別，具有廣泛的適用性。

綜合上述優(yōu)缺點對比，且基于本工程實際工況，采用沖擊回波等效波速法對灌漿飽滿度進行定位檢測[4-5]。

二、沖擊回波等效波速法基本原理

沖擊回波等效波速法（IEEV）測試的基本原理如下：當預應(yīng)力混凝土箱梁孔道內(nèi)部存在缺陷時，那么經(jīng)激振產(chǎn)生的彈性波會在缺陷處反射，則接收器接收到從梁底部反射回來的彈性波所用的時間就會比在灌漿密實的管道中所用的時間長（見圖1）。因此，通過測試梁底反射時間的變化長短來判斷缺陷及其位置。

然而，實際工程中由于梁的厚度不是定值，經(jīng)常會發(fā)生變化，僅采用反射時間來進行缺陷判別不夠精確。因此，將厚度和傳播時間進行相除得到等效波速Ve為：

式中：H為梁的厚度；T為彈性波的往返時間，該值可以通過頻譜分析得到[6]。依此來對缺陷進行判別，通過此式可知，等效波速在有缺陷的部位要慢于灌漿飽滿的部位。

測試方法；以掃描的方式，順著鋼束的走向?qū)艿纼?nèi)部的壓漿情況進行連續(xù)的激振和受信檢測，憑借反射信號的特性判斷管道內(nèi)灌漿的狀況。同時，在測線上方的混凝土結(jié)構(gòu)位置也布置相同測線，以便提高判定精度（見圖2）。

圖1 測試原理示意圖

圖2 鋼束孔道壓漿密實度定位測試

三、工程實例應(yīng)用

（一）項目背景

某匝道橋，全長117m，跨徑組成：25+2×30+25m，上部結(jié)構(gòu)型式為預應(yīng)力混凝土（后張）現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，單箱四室，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、肋板式臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。在檢查過程中發(fā)現(xiàn)0#臺側(cè)梁端兩鋼束Z31內(nèi)、T3內(nèi)錨墊板開裂，因此施工方對0#臺側(cè)梁端T3內(nèi)、Z31內(nèi)鋼束錨墊板后混凝土空隙進行了壓注環(huán)氧漿液，同時對預應(yīng)力鋼束管道進行了補壓漿處理。為掌握補壓漿后T3內(nèi)和Z31內(nèi)鋼束以及其余未補壓漿預應(yīng)力鋼束孔道壓漿飽滿度，采取無損檢測中沖擊回波法和微破損檢測相結(jié)合的方式進行。

（二）檢測設(shè)備

本次測試采用預應(yīng)力混凝土梁多功能無損測試儀（SPCMATS），儀器外觀如下圖3。

圖3 多功能無損測試儀（SPC-MATS）

（三）檢測方案：

1.確定典型測區(qū)

本橋箱梁斷面為單箱四室，且每跨跨中設(shè)置1道30cm厚橫隔板，將全橋分割為32個箱室；全橋預應(yīng)力鋼束沿縱向通長布設(shè)，設(shè)頂板束10束（單層），腹板束30束（每道腹板處2列3層）；鑒于上述實際情況本次預應(yīng)力鋼束孔道密實度無損檢測范圍為：

（1）箱內(nèi)選取第1跨和第4跨箱梁的第1號、第2號和第4號箱室的頂板束（T2～T5）和腹板束（B22、B32、Z21、Z31、Z2和Z33），測區(qū)縱向范圍相對于鋼束全長為抽檢，測區(qū)具體位置根據(jù)箱梁斷面形式及現(xiàn)場實際情況選取?？缰薪孛驿撌贾脠D如圖4所示。箱外選取外側(cè)面縱橫向可到達區(qū)域（第1跨和第4跨箱梁外側(cè)面）。

圖4 跨中截面預應(yīng)力鋼束布置圖（單位：cm）

（2）箱外選取外側(cè)面縱橫向可到達區(qū)域（第1跨和第4跨箱梁外側(cè)面）。

2.預應(yīng)力鋼束定位

通過查閱相關(guān)設(shè)計圖紙，根據(jù)設(shè)計圖紙?zhí)峁?shù)據(jù)坐標采用皮尺在箱梁腹板和底板位置進行放樣，從而確定位預應(yīng)力鋼束孔道位置，見下圖5。

圖5 預應(yīng)力鋼束孔道定位

本次測試使用掃描式?jīng)_擊回波測試系統(tǒng)IES，該系統(tǒng)可以根據(jù)每個測點的坐標信息和測點的主頻進行成像，掃描方式為由端部逐級至中間掃描。

3.鋼束孔道局部微破損開槽

根據(jù)上述預應(yīng)力鋼束孔道在箱梁的放樣，對鋼束沿程選擇在壓漿端、水平段和彎起段進行局部開槽（20cm×20cm），縱向開孔位置不能設(shè)置在同一斷面（見下圖6），抽檢鋼束孔道壓漿飽滿度，驗證沖擊回波等效波速法無損檢測結(jié)果的準確性。本次開設(shè)的箱梁底板人孔在檢測完畢后需進行恢復。

圖6 箱梁底板開孔及檢測范圍示意圖

4.數(shù)據(jù)分析及檢測結(jié)果

因篇幅有限，只分析互通A匝道0#臺側(cè)梁端T3、Z31鋼束孔道壓漿飽滿度，檢測云圖如下：

1）匝道橋0#臺1號箱頂板T3(1.5-2.5m)：

2）匝道橋0#臺1號箱頂板T3(2.5-6.5m)

3）匝道橋0#號臺1號箱頂板T3(6.5-10.5m)

4）匝道橋0#臺1號箱腹板Z31(2.5-10.5m)

波速標定圖為：

通過測試云圖與波速標定圖對比可得：互通A匝道0#臺側(cè)梁端T3、Z31鋼束孔道均壓漿飽滿，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷情況。

此外，采用人工開槽微破損檢查的方式對無損檢測結(jié)果進行了抽檢驗證。驗證結(jié)果表明所抽檢的測區(qū)鋼束孔道壓漿飽滿，均與上述檢測結(jié)果一致。

四、結(jié)論

本文基于沖擊回波法在工程實例的應(yīng)用，得出以下結(jié)論：使用沖擊回波等效波速法，以最大熵法（MEM）對測試結(jié)果進行頻譜分析，能夠準確、直觀地反應(yīng)預應(yīng)力混凝土孔道灌漿的缺陷狀況，而且操作簡單，實用價值很高；此外，采用開孔驗證結(jié)果都很好地證明了IEEV法在適用性和精測試度方面巨大的優(yōu)越性。