地铁预应力桥梁孔道灌浆密实度超声波检测技术

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(1.中国石油大学(北京)理学院，北京 102249；2.北京城建设计发展集团北京环安工程检测有限责任公司，北京 100082)

混凝土预应力桥梁作为重要的城市轨道交通结构，不但对城市交通运行起到举足轻重的作用，其安全性还关系到广大人民群众的生命财产安全。我国市内桥梁主要采用预应力混凝土结构形式建造，其病害多为构件裂缝、预应力孔道灌浆不密实以及环境因素导致的钢筋锈蚀等耐久性损伤。相对于普通钢筋而言，预应力钢筋由于本身存在预加应力，一旦发生锈蚀就会在蚀坑处产生应力集中现象，导致预应力下降，甚至发生结构断裂而带来严重的安全隐患。例如，2015年7月，北京地铁某条线路中出现的预应力桥梁损伤事件，暴露出运营单位对预应力桥梁病害认识不足及预应力桥梁隐蔽病害难以发现等问题。为了提高地铁预应力桥梁孔道灌浆密实度检出率从而保障运营安全，笔者通过模拟试验和现场试验研究了针对预应力桥梁隐蔽病害的超声波检测技术。

1 超声检测原理及试验方法

当混凝土的原材料、配合比、内部质量及测试距离一定时，超声波在其中传播的速度、首波的幅度及接收信号的频率等声学参数的测量值应基本一致[1-3]。如果结构混凝土局部区域内存在空洞、不密实等缺陷，则测得的声时值将偏大，波幅及频率将降低[4-5]。

混凝土超声检测法是通过测量超声波在混凝土中的传播速度、回波幅度和接收信号主频率等声学参数的相对变化来判定待测混凝土桥梁内部的状态，从而发现内部缺陷的方法[6-7]。

2 超声检测设备性能及参数

模拟试验和现场检测采用A1220 EYECON超声检测仪，仪器参数为：回波信号的最大可视化深度,2 150 mm;工作时间,8 h;混凝土最大检测厚度,600 mm;工作温度范围,-20～45 ℃;最小缺陷识别尺寸,30 mm;超声波频率,10 kHz～300 kHz;探测深度误差范围,±10%;电源,内置充电电池。该仪器用于解决混凝土结构、石材、沥青的缺陷和厚度检测等问题，其特性是可在诸如建筑物、桥梁、隧道等建筑的一端通过回声的方法测试物体内部结构，最主要的优势是检测时使用干点接触传感器天线阵列，所以测试时不需要使用任何耦合剂[8]。

3 预应力孔道检测工艺设计

针对预应力混凝土梁由于施工等因素造成的梁内蜂窝空洞等问题，在试验梁内埋置泡沫块与空塑料瓶进行隐蔽病害模拟。

采用预应力混凝土试验梁作为主要的试验试件，混凝土设计强度等级为C50，梁内布置3个预应力孔道，每个预应力孔道布置1根预应力钢绞线，纵筋采用φ20 mm的HRB 400钢筋，箍筋采用φ12 mm的HRB 335钢筋。波纹管采用塑料波纹管、金属波纹管与抽拔橡胶棒三种方式成孔，波纹管内径为50 mm。灌浆采用普通工艺，灌浆材料具有足够的抗压强度和黏结强度，试验梁的整体尺寸(长×高×宽)为4 000 mm×600 mm×300 mm，预制梁隐蔽病害模拟示意如图1所示，梁内泡沫布置示意如图2所示，试验梁截面如图3(图中A1表示箍筋，N1表示底部受力筋，N2表示加力筋)所示。

图1 混凝土梁隐蔽病害模拟示意

图2 梁内泡沫布置示意

图3 试验梁截面示意

试验梁内布置3孔预应力孔道，孔道直径为50 mm，采用预埋波纹管和抽拔橡胶棒成孔方法，在竖向平面内呈曲线布置。试验设置的不同组合形式如表1所示。

为了模拟梁体内的蜂窝夹层等不密实情况，需要在梁内设置塑料泡沫(尺寸为1～10 cm3，间距为30 cm)，将其固定在箍筋上，布置示意如图4所示。

图4 预应力孔道泡沫布置示意

试验梁编号箍筋形式/mm通长筋形式/排不密实区域/cmL15021～10L25031～10L35051～10L410021～10L510031～10L610051～10L715021～10L815031～10L915051～10

针对目前已有混凝土结构检测技术的特点，考虑不密实区域尺寸(边长为1～10 cm的立方块泡沫)对测量的影响，在试验梁内埋置泡沫块进行隐蔽病害模拟。

另外，考虑钢筋数量和间距对测量的影响，设置不同配筋的试验梁(箍筋间距为5，10，15 cm；纵向架立钢筋0，2，6根)进行检测分析。

为了模拟预应力孔道灌浆不密实情况，需要在孔道内设置塑料泡沫，泡沫每间隔10 cm固定在钢绞线上，穿入波纹管中，其定位布置及布置形式如图5，6所示。

图5 钢绞线上泡沫的定位布置示意

图6 孔道内泡沫布置形式

4 试验结果及分析

模拟梁预制完成并满足设计要求后，对梁内的模拟缺陷隐蔽病害进行超声检测，现场检测如图7所示，部分检测结果如图8～10所示。现场检测完成后对数据进行分析对比，结果如下所述。

图7 超声波现场检测图片

(1) 缺陷大小对检测结果的影响

从图8(a)可以看出，在无缺陷无钢筋的区域，超声波在首波与梁底反射信号(约300 mm处)之间基本无强反射信号，说明该处混凝土较密实，且内部无异物(空洞或钢筋)。

图8 L1梁不同尺寸缺陷超声波信号

图9 不同钢筋配置对检测结果的影响

从图8(b)～(f)中可以看出，在距离表面75 mm处有一强反射信号，且基本无底部反射，说明该处混凝土存在空洞，且空洞较大，超声波信号基本全部被反射。

从图8(g),8(h)中可以看出，在距离表面50～150 mm之间存在强反射信号，根据试验梁的设计情况，判断其为钢筋、波纹管或预设缺陷所致。但考虑到钢筋与预设缺陷埋深基本一致，并不能区分两者信号的差别，也就不能判断梁体内部是否存在缺陷。试验得出，超声波检测技术能够检测到梁内最小尺寸为5 cm的缺陷。

(2) 钢筋对检测结果的影响

选取钢筋配置情况相同的梁，分析钢筋对检测结果的影响，选取1号,3号,4号,6号梁进行对比。从图9(a)～(d)可以看出，缺陷反射基本无差别，底部反射信号不明显，说明钢筋对10 cm缺陷超声信号基本无影响。从图9(e)～(h)可以看出，缺陷反射差异比较大，说明1号梁及3号梁可见缺陷反射，4号梁及6号梁缺陷反射信号不明显，钢筋对7 cm缺陷超声信号有一定影响，说明钢筋位置对检测结果有影响。

(3) 波纹管材料对检测结果的影响

从图10(a)～(f)(以L1梁和L2梁为例)可以看出，在距离表面约150 mm处均存在一强反射信号，对试验梁的设计资料进行分析可知，该反射可能为波纹管、钢绞线或预设缺陷的反射，并不能明确说明是否存在缺陷。

5 结论

在对地铁预应力桥梁孔道缺陷的无损检测方法中，超声波检测技术适用性强，检测效果较好，能够检测出最小尺寸为5 cm的不密实缺陷，且能确定波纹管的位置。但是，预应力梁内的钢筋位置对检测结果有一定影响。

图10 不同类型波纹管对超声波信号的影响