褚　鋒，張　峰，齊廣志，曹　原，姚　晨

（1.山東高速四川產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，四川 成都 610225；2.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東濟(jì)南 250061）

預(yù)應(yīng)力孔道壓漿密實(shí)度模型試驗(yàn)研究

褚鋒1，張峰2，齊廣志2，曹原2，姚晨2

（1.山東高速四川產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，四川 成都 610225；2.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東濟(jì)南 250061）

基于沖擊回波法的檢測(cè)原理，通過人為設(shè)置不同的預(yù)應(yīng)力孔道壓漿密實(shí)度，文章對(duì)應(yīng)力波傳播路徑與預(yù)應(yīng)力孔道壓漿密實(shí)度的關(guān)系進(jìn)行分析，開展了不同混凝土板厚的模型測(cè)試，并對(duì)振動(dòng)時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：隨著壓漿密實(shí)度的減小，應(yīng)力波傳播路徑長度增大，主頻向低頻漂移，頻率曲線中主頻和波紋管密實(shí)度呈線性關(guān)系。

預(yù)應(yīng)力波紋管；壓漿密實(shí)度；無損檢測(cè)；沖擊回波法；試驗(yàn)研究

后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁具有長跨、質(zhì)輕、整體性好、施工成熟等優(yōu)點(diǎn)［1］，近年來在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，95%以上新建橋梁為預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁［2］。預(yù)應(yīng)力波紋管是預(yù)應(yīng)力體系的重要組成部分，其灌漿質(zhì)量直接影響預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的可靠性。金屬材料在高應(yīng)力狀態(tài)下的銹蝕速度遠(yuǎn)高于無應(yīng)力狀態(tài)下的［3］，若波紋管內(nèi)壓漿質(zhì)量較差，鋼鉸線在高應(yīng)力下易發(fā)生腐蝕，如何對(duì)波紋管密實(shí)程度進(jìn)行無損檢測(cè)成為國內(nèi)外工程界關(guān)注的重點(diǎn)。

沖擊回波法是由美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院和康奈爾大學(xué)提出的一種利用彈性波檢測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的無損檢測(cè)方法［4］。國內(nèi)外學(xué)者開展了沖擊回波法檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究，通過有限元方法來模擬缺陷、新方法解釋頻譜曲線［5-7］。相關(guān)研究主要集中在混凝土板厚、缺陷等方面，對(duì)孔道壓漿檢測(cè)的研究尚不成熟［8-9］，少有對(duì)于孔道壓漿密實(shí)性進(jìn)行定量評(píng)估的研究［10］，大多只是進(jìn)行了定性判斷。隨著現(xiàn)階段對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道壓漿質(zhì)量重視程度的逐漸加大，沖擊回波法必將成為無損檢測(cè)壓漿質(zhì)量的重要手段［11］。

本文基于沖擊回波法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)，對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道壓漿密實(shí)度與沖擊回波主頻之間的關(guān)系進(jìn)行研究。

1　沖擊回波法檢測(cè)基本原理

固體介質(zhì)的彈性波主要有縱波、橫波、表面波。在介質(zhì)表面產(chǎn)生的彈性波中，縱波、橫波在固體內(nèi)部，表面波在介質(zhì)表面呈放射狀傳播，經(jīng)過相互疊加而形成各種復(fù)雜的波形［12］。

沖擊回波法是一種通過在介質(zhì)表面施加瞬時(shí)沖擊，分析其產(chǎn)生的彈性波在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部不同介質(zhì)界面反射、繞射規(guī)律的無損檢測(cè)方法［13］。結(jié)構(gòu)體缺陷位置波阻必然和密實(shí)情況下的波阻不同，彈性波遇到缺陷界面時(shí)傳播路徑變化，在界面發(fā)生發(fā)射激振信號(hào)被傳感器接收，其檢測(cè)原理見圖1。縱波在介質(zhì)表面和缺陷界面發(fā)生多次反射，經(jīng)傳感器采集獲得周期性波形，時(shí)域信號(hào)經(jīng)傅里葉變換得到頻域信號(hào)，經(jīng)過分析即可得到混凝土結(jié)構(gòu)的厚度或缺陷的位置。

圖 1　沖擊回波法檢測(cè)原理示意圖

2　沖擊回波在不同壓漿密實(shí)程度下的傳播路徑

由沖擊回波特性可知，在混凝土上表面施加瞬時(shí)沖擊后，理想情況下其縱波的最短傳播路徑如圖2所示，包含了應(yīng)力波在預(yù)應(yīng)力管道灌漿全空、1/4密實(shí)、1/2密實(shí)、3/4密實(shí)、密實(shí)及素混凝土板等6種工況下的傳播模式，其中黑色箭頭代表應(yīng)力波的傳播方向。

圖2　 不同壓漿工況下應(yīng)力波傳播路線

在無預(yù)應(yīng)力波紋管的素混凝土板中傳播時(shí)，應(yīng)力波，在混凝土內(nèi)直接傳播至下表面后反射回頂板測(cè)試面；如圖2（f）中S1→S2→S3所示然后由接收器接收響應(yīng)信號(hào)，應(yīng)力波所經(jīng)過路程約為2倍板厚。在壓漿密實(shí)波紋管道中傳播時(shí)，應(yīng)力波在混凝土內(nèi)直接傳播至下表面后反射回頂板測(cè)試面，如圖2（e）中E1→E2→E3所示然后由接收器接收響應(yīng)信號(hào)，應(yīng)力波所經(jīng)過路程約為2倍板厚。

應(yīng)力波在完全未壓漿孔道中的傳播如圖2（a）所示。由于混凝土及空氣波阻抗的巨大差異，一部分應(yīng)力波在混凝土-空氣分界面沿路線A1→A8→A7發(fā)生反射；另一部分沿路線A1→A2→A3→A4→A5發(fā)生繞射，即繞過該分界面繼續(xù)在混凝土介質(zhì)中向前傳播，直至到達(dá)底板全部反射后返回。應(yīng)力波經(jīng)底板全反射再次到達(dá)混凝土-空氣界面時(shí)仍發(fā)生應(yīng)力波的反射及繞射，其中繞射部分繼續(xù)沿路線A5→A6→A7傳播至頂板有接收器接收響應(yīng)信號(hào)。

當(dāng)應(yīng)力波在壓漿不密實(shí)管道中傳播時(shí)（1/4密實(shí)、1/2密實(shí)、3/4密實(shí)壓漿工況），其最短傳播路徑如圖2（b）～（d）所示。在1/4密實(shí)管道傳播時(shí)，由于混凝土及空氣波阻抗的巨大差異，一部分應(yīng)力波在空洞處界面沿路線B1→B8→B7發(fā)生反射；另一部分發(fā)生繞射即繞過該分界面繼續(xù)在混凝土介質(zhì)中沿路線B2→B3向前傳播，直至到達(dá)底板全部反射后返回，如路線B4→B5→B6→B7所示。應(yīng)力波在1/2密實(shí)管道傳播時(shí)，一部分應(yīng)力波在空洞處界面沿路線C1→C8→C7發(fā)生反射；另一部分發(fā)生繞射即繞過該分界面沿路線C2→C3繼續(xù)在混凝土介質(zhì)中向前傳播，直至到達(dá)底板全部反射后沿路線C4→C5→C6→C7返回。在3/4密實(shí)管道傳播時(shí)，一部分應(yīng)力波在空洞處界面沿路線D1→D6→D5發(fā)生反射，另一部分沿路線D2→D3發(fā)生繞射即繞過該分界面繼續(xù)在混凝土介質(zhì)中向前傳播，直至到達(dá)底板全部反射后沿路線D3→D4→D5返回。

經(jīng)計(jì)算，應(yīng)力波在6種壓漿工況下的最短傳播路徑長如表1所示。

表1 18-A模型各壓漿工況下應(yīng)力波傳播路徑長 cm

由表1數(shù)據(jù)可知，應(yīng)力波傳播路徑長隨波紋管壓漿密實(shí)程度呈線性變化。擬合關(guān)系為：y = -0.605 x + 18.73，其中x代表壓漿密實(shí)程度，0＜x＜1；y代表測(cè)試的波紋管相應(yīng)工況的最短路徑。相關(guān)系數(shù)R2=0.93，即應(yīng)力波傳播的最短路徑隨密實(shí)程度增加呈近似線性變化，同時(shí)說明各波紋管孔道沖擊回波主頻隨著壓漿密實(shí)程度密實(shí)也呈線性變化。

3　模型試驗(yàn)

3.1 模型制作

設(shè)計(jì)制作3個(gè)箱梁腹板模型（見表2），其尺寸均為長350 cm、寬150 cm，厚度分別為18 cm、25 cm、40 cm，采用C50混凝土1次澆筑，同時(shí)配置適量的構(gòu)造鋼筋和預(yù)應(yīng)力管道定位鋼筋以保證波紋管道定位準(zhǔn)確，澆筑振搗時(shí)不發(fā)生偏移情況。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)各模型已經(jīng)過28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，每個(gè)模型均設(shè)置3根直徑為5.5 cm的預(yù)應(yīng)力孔道。

表2　模型尺寸及參數(shù) cm

波紋管混凝土板模型俯視、縱向截面剖面示意圖如圖3所示（以18 cm厚模型為例）。

為便于制作人工缺陷，模型制作時(shí)將波紋管切割成70 cm長，向波紋管內(nèi)灌入定量的壓漿料后平置，模擬從全空、1/4密實(shí)、2/4密實(shí)、3/4密實(shí)到密實(shí)5種壓漿密實(shí)情況。待初凝后將各類型波紋管按設(shè)計(jì)圖拼接為一條波紋管如圖4所示。為避免接頭處對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，測(cè)試時(shí)只檢測(cè)每種壓漿密實(shí)情況波紋管道中間50 cm。

圖3　18 cm板厚模型示意圖（單位：cm）

3.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

在混凝土板表面對(duì)應(yīng)彈性波紋管埋設(shè)位置，沿縱向波紋管長度方向每隔5 cm均勻標(biāo)注測(cè)點(diǎn)。進(jìn)行檢測(cè)之前必須用砂紙、打磨機(jī)將作業(yè)表面打磨平整，每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集3次數(shù)據(jù)，并對(duì)異常測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多次采樣消除檢測(cè)誤差。使用與混凝土板同期制作、強(qiáng)度相同的（C50）混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行混凝土彈性波波速標(biāo)定。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得波速約為4 400 m/s，采樣頻率為60 kHz，能夠覆蓋現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所需時(shí)域與頻譜響應(yīng)信號(hào)。

圖4　人工制作缺陷

4　模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5、表3分別為18 cm厚模型A1波紋管測(cè)試數(shù)據(jù)和擬合曲線。測(cè)點(diǎn)編號(hào)1～10為全空波紋管測(cè)點(diǎn)；11～20為1/4密實(shí)波紋管測(cè)點(diǎn)；21～30為1/2密實(shí)波紋管測(cè)點(diǎn)；31～40為3/4密實(shí)波紋管測(cè)點(diǎn)；41～50為完全密實(shí)波紋管測(cè)點(diǎn)；其他波紋管數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)編號(hào)原則同A1。

圖5　18-A1各測(cè)點(diǎn)主頻擬合曲線

由圖5可以看出，18-A1波紋管各測(cè)點(diǎn)主頻的測(cè)試數(shù)據(jù)呈現(xiàn)明顯的線性變化。

表3　18-A1各測(cè)點(diǎn)主頻 Hz

表4和圖6分別為25 cm厚模型B1波紋管測(cè)試數(shù)據(jù)和擬合曲線，由圖6可知25B1波紋管各測(cè)點(diǎn)主頻的測(cè)試數(shù)據(jù)呈現(xiàn)明顯的線性變化。圖7和表5分別為40 cm厚模型C1波紋管測(cè)試數(shù)據(jù)和擬合曲線。由圖7可知40C1波紋管各測(cè)點(diǎn)主頻的測(cè)試數(shù)據(jù)呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。A2、B2、C2測(cè)試數(shù)據(jù)及擬合曲線如圖8所示。

綜上所述在18 cm、25 cm、40 cm三種模型中，主頻均隨壓漿密實(shí)程度變化而線性變化，且變化趨勢(shì)相同，與理論分析一致，即隨著密實(shí)程度的增加，彈性波繞射的距離將會(huì)逐漸減小，從而使傳播時(shí)間減小，主頻增大。

表4　25B1各測(cè)點(diǎn)主頻 Hz

圖6　25-B1各測(cè)點(diǎn)主頻擬合曲線

圖7　40-C1各測(cè)點(diǎn)主頻擬合曲線

表5　 40C1各測(cè)點(diǎn)主頻 Hz

圖8　A2、B2、C2測(cè)試數(shù)據(jù)及擬合曲線

5　結(jié)論

本文研究得到以下結(jié)論：

（1）通過模型試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析得到頻域曲線中主頻與波紋管壓漿密實(shí)度呈現(xiàn)線性關(guān)系的規(guī)律；

（2）沖擊回波在不同壓漿密實(shí)程度下傳播路徑發(fā)生變化。

（3）在進(jìn)一步研究中，可在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立有限元模型進(jìn)行仿真模擬分析，定量分析不同壓漿密實(shí)度與測(cè)試主頻之間的數(shù)量關(guān)系。

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Experimental Model Research on Prestressed Duct Grouting Compactness

Chu Feng1， Zhang Feng2， Qi Guangzhi2， CaoYuan2， Yao Chen2
（1. Shandong Expressway in Sichuan Industrial Development Co.， Ltd.， Chendu 610225， China; 2. Geotechnical and Structural Engineering Research Center of Shandong University， Ji'nan 250061， China）

Based on the detection principle of impact-echo method， relations between propagation routes of stress wave and prestressed duct grouting compactness are analyzed by means of setting several artificial defects in pretressed duct. Vibration time history data of concrete slab with different thickness are also analyzed. The research results show that with grouting compactness decreases， length of stress wave propagation routes increases and main frequency decreases， a linear relation between main frequency and compactness is presented.

prestressed duct; grouting compactness; nondestrutive testing; impact-echo method; experimental research

U446.1

A

1672–9889（2015）05–0046–05

褚鋒（1977-），男，山東濟(jì)南人，工程師，主要從事橋梁無損檢測(cè)工作。

（2015-01-24）