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(cè)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(shí)，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(wú)損檢測(cè)技術(shù)，裝配式建筑的質(zhì)量驗(yàn)收受到制約。因此，亟需開(kāi)發(fā)一種高效準(zhǔn)確的無(wú)損檢測(cè)方法，來(lái)對(duì)漿錨連接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。

近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道灌漿密實(shí)性的檢測(cè)相繼進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，目前應(yīng)用較多的方法有取芯法、雷達(dá)監(jiān)測(cè)法、射線(xiàn)檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、沖擊回波檢測(cè)法等。自從20世紀(jì)康奈爾大學(xué)開(kāi)展了沖擊回波法的研究以來(lái)，沖擊回波法發(fā)展迅速，且作為混凝土管道灌漿缺陷檢測(cè)最有效的方法，已被行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可，美國(guó)國(guó)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(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)評(píng)估。COLLA[1]在2003年，通過(guò)沖擊回波法成功計(jì)算了含有金屬管道的后張拉混凝土梁的厚度，并對(duì)管道內(nèi)的空洞進(jìn)行識(shí)別，準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)了管道的灌漿狀況。2005年，OLSON等[2]采用沖擊回波法檢測(cè)評(píng)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(guó)內(nèi)對(duì)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(cè)、裂縫檢測(cè)方面，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土內(nèi)部孔道灌漿密實(shí)度檢測(cè)的研究則較少。劉洋希[3]運(yùn)用該法對(duì)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(yàn)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)管道缺陷及埋置深度均可檢測(cè)得到，管道內(nèi)鋼筋束信號(hào)不明顯。王卓琳等[4]通過(guò)沖擊回波等效波速法分別對(duì)波紋管約束與螺旋箍筋約束的漿錨搭接試件進(jìn)行試驗(yàn)，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(duì)灌漿段和非灌漿段的界面判斷不夠準(zhǔn)確。袁曙輝[5]通過(guò)檢測(cè)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(cè)出來(lái)。

筆者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)，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(píng)估工況灌漿飽滿(mǎn)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(cè)試方法

1.1 測(cè)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(lái)的，基本原理是在被測(cè)構(gòu)件的表面施加一個(gè)瞬時(shí)沖擊，產(chǎn)生頻率較低的應(yīng)力波在構(gòu)件內(nèi)通過(guò)界面反射來(lái)回傳播，從而在構(gòu)件表面形成一個(gè)瞬時(shí)的類(lèi)諧振條件。若將傳感器放置于激勵(lì)設(shè)備附近，便可接收到應(yīng)力波在多次反射下的振動(dòng)信號(hào)。

圖1 沖擊回波等效波速法檢測(cè)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(jiàn)圖1，圖中MEM為信號(hào)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(hào)主頻)為：沖擊應(yīng)力波在缺陷部位會(huì)發(fā)生繞射，到達(dá)構(gòu)件底部時(shí)再反射回來(lái)，傳播路徑延長(zhǎng)，造成傳播時(shí)間也延長(zhǎng)，相應(yīng)的應(yīng)力波等效波速降低；而當(dāng)灌漿密實(shí)時(shí)，應(yīng)力波等效波速與構(gòu)件密實(shí)處的近似相同。

通過(guò)頻譜圖主頻的變化及式(1)的計(jì)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(cè)試步驟

對(duì)漿錨構(gòu)件測(cè)試前，在構(gòu)件沒(méi)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(gè)。同時(shí)應(yīng)保證檢測(cè)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(shí)可磨平或使用耦合劑。此外，周?chē)灰擞袡C(jī)械振動(dòng)和高振幅電噪聲干擾。

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

一條測(cè)線(xiàn)上所有測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集完成后，即可對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)與正?；炷翜y(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜解析并反映傳播時(shí)間的變化，當(dāng)被測(cè)點(diǎn)應(yīng)力波傳播時(shí)間大于正常混凝土測(cè)點(diǎn)應(yīng)力波傳播時(shí)間時(shí)，可判斷該測(cè)點(diǎn)處存在灌漿缺陷。

1.3 頻譜解析

信號(hào)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(shí)，遇到波阻抗發(fā)生變化的界面或邊界，會(huì)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(gè)瞬時(shí)的類(lèi)諧振條件。若將傳感器放置于激勵(lì)設(shè)備附近，便可接收到應(yīng)力波在多次反射下的振動(dòng)信號(hào)。通過(guò)MEM法將其轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，可得到一個(gè)對(duì)應(yīng)于構(gòu)件厚度的“厚度頻率”，該頻率的倒數(shù)則對(duì)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(shí)，應(yīng)力波往返一次的時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致頻譜圖中主頻降低，從而使得由式(1)計(jì)算得到的厚度要比實(shí)際厚度大。

2 試驗(yàn)制備與試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)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(yàn)共設(shè)計(jì)了9種不同工況的構(gòu)件，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)與構(gòu)件實(shí)物如圖2所示。不同構(gòu)件的工況設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)試現(xiàn)場(chǎng)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(jì)

構(gòu)件編號(hào)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(wú)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(yàn)結(jié)果

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

構(gòu)件波紋管內(nèi)灌漿高度、缺陷(空腔)位置及長(zhǎng)度，可以根據(jù)等值線(xiàn)云圖(見(jiàn)圖4)直接獲取，其中：橫軸(水平軸)表示測(cè)試結(jié)果的厚度，m；縱軸(垂直軸)表示測(cè)試的測(cè)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(jì)算；藍(lán)色實(shí)線(xiàn)為構(gòu)件的實(shí)際厚度。

圖4 各構(gòu)件的檢測(cè)結(jié)果

2.2.2 試驗(yàn)分析

(1) 對(duì)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(kāi)始向高處偏移，證明此處開(kāi)始波紋管內(nèi)未灌漿，而使得信號(hào)主頻降低，通過(guò)式(1)換算得的厚度偏高，與實(shí)際480 mm誤差為2.08%，測(cè)試效果良好。同樣，圖4(b)中，測(cè)試結(jié)果與藍(lán)色實(shí)線(xiàn)吻合良好，說(shuō)明此根波紋管灌漿飽滿(mǎn)。以上現(xiàn)象說(shuō)明沖擊產(chǎn)生的彈性波對(duì)于外壁為金屬的波紋管具有很好的穿透性能，檢測(cè)結(jié)果不受波紋管壁的影響，檢測(cè)效果較好，整體檢測(cè)效果與實(shí)際相符。

另外，由圖4(c)可見(jiàn)，對(duì)于波紋管內(nèi)無(wú)鋼筋的S-3號(hào)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(wú)法確認(rèn)是否有鋼筋存在。

(2) 對(duì)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(shí)別出50,100 mm高的缺陷，在測(cè)試云圖中表現(xiàn)為式(1)計(jì)算得到的名義厚度偏小。但是，通過(guò)云圖僅能判斷缺陷存在，無(wú)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(hào)構(gòu)件一號(hào)波紋管內(nèi)實(shí)際缺陷位置為距底部260360,430530,560660 mm，但是檢測(cè)結(jié)果顯示缺陷存在于距底部260340,430470,560660 mm處，對(duì)于缺陷大小的判斷誤差在可接受范圍內(nèi)。但是對(duì)S-4號(hào)構(gòu)件二號(hào)波紋管內(nèi)的測(cè)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(hào)構(gòu)件二號(hào)波紋管的測(cè)試結(jié)果表明，波紋管外的螺旋箍筋會(huì)使測(cè)試云圖計(jì)算的名義厚度范圍擴(kuò)大，但仍與實(shí)際相符，對(duì)實(shí)際檢測(cè)影響不大，且能準(zhǔn)確識(shí)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(cè)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(wú)法區(qū)分具體孔道。圖4(g)顯示的整體信號(hào)較為雜亂，可能是灌漿質(zhì)量存在問(wèn)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(duì)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(shí)，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(duì)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(cè)面200 mm厚處的夾心保溫層處反射，無(wú)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(duì)裝配式混凝土漿錨連接試件進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果分析后得到以下結(jié)論。

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

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

(3) 對(duì)于雙排漿錨密實(shí)(飽滿(mǎn))或空均可以測(cè)試判定，不足的是無(wú)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(duì)雙排漿錨實(shí)施質(zhì)量監(jiān)控。彈性波測(cè)試沒(méi)有問(wèn)題的可認(rèn)定沒(méi)問(wèn)題，對(duì)于有問(wèn)題的，可以有針對(duì)性地開(kāi)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(shí)，夾心保溫層和螺旋箍筋的存在會(huì)對(duì)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(wú)法作為有效的判斷依據(jù)。