预应力孔道压浆密实度模型试验研究

褚　锋，张　峰，齐广志，曹　原，姚　晨

（1.山东高速四川产业发展有限公司，四川 成都 610225；2.山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东济南 250061）

预应力孔道压浆密实度模型试验研究

褚锋1，张峰2，齐广志2，曹原2，姚晨2

（1.山东高速四川产业发展有限公司，四川 成都 610225；2.山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东济南 250061）

基于冲击回波法的检测原理，通过人为设置不同的预应力孔道压浆密实度，文章对应力波传播路径与预应力孔道压浆密实度的关系进行分析，开展了不同混凝土板厚的模型测试，并对振动时程数据进行分析，结果表明：随着压浆密实度的减小，应力波传播路径长度增大，主频向低频漂移，频率曲线中主频和波纹管密实度呈线性关系。

预应力波纹管；压浆密实度；无损检测；冲击回波法；试验研究

后张法预应力混凝土梁具有长跨、质轻、整体性好、施工成熟等优点［1］，近年来在国内得到广泛应用，95%以上新建桥梁为预应力混凝土桥梁［2］。预应力波纹管是预应力体系的重要组成部分，其灌浆质量直接影响预应力结构的可靠性。金属材料在高应力状态下的锈蚀速度远高于无应力状态下的［3］，若波纹管内压浆质量较差，钢铰线在高应力下易发生腐蚀，如何对波纹管密实程度进行无损检测成为国内外工程界关注的重点。

冲击回波法是由美国标准技术研究院和康奈尔大学提出的一种利用弹性波检测结构内部缺陷的无损检测方法［4］。国内外学者开展了冲击回波法检测混凝土结构的试验研究，通过有限元方法来模拟缺陷、新方法解释频谱曲线［5-7］。相关研究主要集中在混凝土板厚、缺陷等方面，对孔道压浆检测的研究尚不成熟［8-9］，少有对于孔道压浆密实性进行定量评估的研究［10］，大多只是进行了定性判断。随着现阶段对预应力孔道压浆质量重视程度的逐渐加大，冲击回波法必将成为无损检测压浆质量的重要手段［11］。

本文基于冲击回波法结合现场模型试验，对预应力孔道压浆密实度与冲击回波主频之间的关系进行研究。

1　冲击回波法检测基本原理

固体介质的弹性波主要有纵波、横波、表面波。在介质表面产生的弹性波中，纵波、横波在固体内部，表面波在介质表面呈放射状传播，经过相互叠加而形成各种复杂的波形［12］。

冲击回波法是一种通过在介质表面施加瞬时冲击，分析其产生的弹性波在结构体内部不同介质界面反射、绕射规律的无损检测方法［13］。结构体缺陷位置波阻必然和密实情况下的波阻不同，弹性波遇到缺陷界面时传播路径变化，在界面发生发射激振信号被传感器接收，其检测原理见图1。纵波在介质表面和缺陷界面发生多次反射，经传感器采集获得周期性波形，时域信号经傅里叶变换得到频域信号，经过分析即可得到混凝土结构的厚度或缺陷的位置。

图 1　冲击回波法检测原理示意图

2　冲击回波在不同压浆密实程度下的传播路径

由冲击回波特性可知，在混凝土上表面施加瞬时冲击后，理想情况下其纵波的最短传播路径如图2所示，包含了应力波在预应力管道灌浆全空、1/4密实、1/2密实、3/4密实、密实及素混凝土板等6种工况下的传播模式，其中黑色箭头代表应力波的传播方向。

图2　 不同压浆工况下应力波传播路线

在无预应力波纹管的素混凝土板中传播时，应力波，在混凝土内直接传播至下表面后反射回顶板测试面；如图2（f）中S1→S2→S3所示然后由接收器接收响应信号，应力波所经过路程约为2倍板厚。在压浆密实波纹管道中传播时，应力波在混凝土内直接传播至下表面后反射回顶板测试面，如图2（e）中E1→E2→E3所示然后由接收器接收响应信号，应力波所经过路程约为2倍板厚。

应力波在完全未压浆孔道中的传播如图2（a）所示。由于混凝土及空气波阻抗的巨大差异，一部分应力波在混凝土-空气分界面沿路线A1→A8→A7发生反射；另一部分沿路线A1→A2→A3→A4→A5发生绕射，即绕过该分界面继续在混凝土介质中向前传播，直至到达底板全部反射后返回。应力波经底板全反射再次到达混凝土-空气界面时仍发生应力波的反射及绕射，其中绕射部分继续沿路线A5→A6→A7传播至顶板有接收器接收响应信号。

当应力波在压浆不密实管道中传播时（1/4密实、1/2密实、3/4密实压浆工况），其最短传播路径如图2（b）～（d）所示。在1/4密实管道传播时，由于混凝土及空气波阻抗的巨大差异，一部分应力波在空洞处界面沿路线B1→B8→B7发生反射；另一部分发生绕射即绕过该分界面继续在混凝土介质中沿路线B2→B3向前传播，直至到达底板全部反射后返回，如路线B4→B5→B6→B7所示。应力波在1/2密实管道传播时，一部分应力波在空洞处界面沿路线C1→C8→C7发生反射；另一部分发生绕射即绕过该分界面沿路线C2→C3继续在混凝土介质中向前传播，直至到达底板全部反射后沿路线C4→C5→C6→C7返回。在3/4密实管道传播时，一部分应力波在空洞处界面沿路线D1→D6→D5发生反射，另一部分沿路线D2→D3发生绕射即绕过该分界面继续在混凝土介质中向前传播，直至到达底板全部反射后沿路线D3→D4→D5返回。

经计算，应力波在6种压浆工况下的最短传播路径长如表1所示。

表1 18-A模型各压浆工况下应力波传播路径长 cm

由表1数据可知，应力波传播路径长随波纹管压浆密实程度呈线性变化。拟合关系为：y = -0.605 x + 18.73，其中x代表压浆密实程度，0＜x＜1；y代表测试的波纹管相应工况的最短路径。相关系数R2=0.93，即应力波传播的最短路径随密实程度增加呈近似线性变化，同时说明各波纹管孔道冲击回波主频随着压浆密实程度密实也呈线性变化。

3　模型试验

3.1 模型制作

设计制作3个箱梁腹板模型（见表2），其尺寸均为长350 cm、宽150 cm，厚度分别为18 cm、25 cm、40 cm，采用C50混凝土1次浇筑，同时配置适量的构造钢筋和预应力管道定位钢筋以保证波纹管道定位准确，浇筑振捣时不发生偏移情况。试验进行时各模型已经过28 d标准养护，每个模型均设置3根直径为5.5 cm的预应力孔道。

表2　模型尺寸及参数 cm

波纹管混凝土板模型俯视、纵向截面剖面示意图如图3所示（以18 cm厚模型为例）。

为便于制作人工缺陷，模型制作时将波纹管切割成70 cm长，向波纹管内灌入定量的压浆料后平置，模拟从全空、1/4密实、2/4密实、3/4密实到密实5种压浆密实情况。待初凝后将各类型波纹管按设计图拼接为一条波纹管如图4所示。为避免接头处对试验结果的影响，测试时只检测每种压浆密实情况波纹管道中间50 cm。

图3　18 cm板厚模型示意图（单位：cm）

3.2 现场检测

在混凝土板表面对应弹性波纹管埋设位置，沿纵向波纹管长度方向每隔5 cm均匀标注测点。进行检测之前必须用砂纸、打磨机将作业表面打磨平整，每个测点采集3次数据，并对异常测点进行多次采样消除检测误差。使用与混凝土板同期制作、强度相同的（C50）混凝土标准试块进行混凝土弹性波波速标定。现场测得波速约为4 400 m/s，采样频率为60 kHz，能够覆盖现场测试所需时域与频谱响应信号。

图4　人工制作缺陷

4　模型试验结果及分析

图5、表3分别为18 cm厚模型A1波纹管测试数据和拟合曲线。测点编号1～10为全空波纹管测点；11～20为1/4密实波纹管测点；21～30为1/2密实波纹管测点；31～40为3/4密实波纹管测点；41～50为完全密实波纹管测点；其他波纹管数据测点编号原则同A1。

图5　18-A1各测点主频拟合曲线

由图5可以看出，18-A1波纹管各测点主频的测试数据呈现明显的线性变化。

表3　18-A1各测点主频 Hz

表4和图6分别为25 cm厚模型B1波纹管测试数据和拟合曲线，由图6可知25B1波纹管各测点主频的测试数据呈现明显的线性变化。图7和表5分别为40 cm厚模型C1波纹管测试数据和拟合曲线。由图7可知40C1波纹管各测点主频的测试数据呈现明显的线性关系。A2、B2、C2测试数据及拟合曲线如图8所示。

综上所述在18 cm、25 cm、40 cm三种模型中，主频均随压浆密实程度变化而线性变化，且变化趋势相同，与理论分析一致，即随着密实程度的增加，弹性波绕射的距离将会逐渐减小，从而使传播时间减小，主频增大。

表4　25B1各测点主频 Hz

图6　25-B1各测点主频拟合曲线

图7　40-C1各测点主频拟合曲线

表5　 40C1各测点主频 Hz

图8　A2、B2、C2测试数据及拟合曲线

5　结论

本文研究得到以下结论：

（1）通过模型试验和数据分析得到频域曲线中主频与波纹管压浆密实度呈现线性关系的规律；

（2）冲击回波在不同压浆密实程度下传播路径发生变化。

（3）在进一步研究中，可在现场试验的基础上建立有限元模型进行仿真模拟分析，定量分析不同压浆密实度与测试主频之间的数量关系。

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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

褚锋（1977-），男，山东济南人，工程师，主要从事桥梁无损检测工作。

（2015-01-24）