基于冲击弹性波法的预应力孔道注浆质量检测技术研究

张松雷 田建辉 张鹏 王伟

摘要：针对传统预应力孔道注浆质量检测方法中存在的检测结果误差大，影响施工整体质量的问题。开展对其检测技术的研究，提出一种基于冲击弹性波法的预应力孔道注浆质量检测技术。通过建立预应力孔道有限元模型计算冲击弹性波各特征参数，实现基于冲击弹性波的定性、定位检测。通过实验证明，该检测技术与传统检测方法相比可有效降低检测结果的误差，进一步提高检测的精准度，并实现对孔道注浆质量的无损检测。

关键词：冲击弹性波法;预应力;孔道;注浆;质量检测技术

中图分类号：U415.12

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）07-0108-04

近几年，公路桥梁建設的发展十分迅速，尤其是以预应力钢筋混凝土桥梁为主的桥梁建设类型。因此预应力钢筋的孔道注浆质量是保证交通顺畅的重要影响因素，一旦出现事故问题，不仅会对人们的财产和安全造成严重的影响，同时也会导致整个交通网络的瘫痪，从而进一步对社会造成影响叫。桥梁的预应力孔道在设计、施工中产生的问题会在桥梁运营期间导致预应力受损、桥梁大量病害等现象发生，造成桥梁断裂或倒塌。因此，对预应力孔道注浆质量检测是修建桥梁过程中十分重要的一个环节，影响着整体桥梁的质量。目前传统检测方法中，最简单直观的方法是通过对结构钻孔取芯的有损检测，但这种方法存在的缺点在于极易损坏构建，破坏其完整性，因此检测成本更高，不适用于大面积的应用。因此，本文提出一种基于冲击弹性波法的预应力孔道注浆质量检测技术。

1基于冲击弹性波法的预应力孔道注浆质量检测技术研究

1.1预应力孔道有限元模型建立

本文设计的基于冲击弹性波法的预应力孔道注浆质量检测技术其检测原理是利用钢球冲击孔道表面，从而引发孔道瞬间的应力波变化，进而实现对孔道注浆质量的检测4+5。同时为了保证本文设计的检测方法对孔道不构成任何损坏威胁，本文首先构建一个预应力孔道有限元模型，在模型中对孔道进行弹性冲击，从而实现对预应力孔道注浆质量的无损检测。

首先根据实际的预应力孔道将其进行简化，并假设建立的预应力孔道有限元模型是具有弹性的且各向同性，孔道中质点在移动过程中的应力和应变都满足胡克定律，即孔道应力与应变之间呈线性关系。图1为预应力波在孔道构件中响应的有限元模型。

图1中A模型表示为无孔道模型、B模型表示为孔道内无注浆模型、C模型表示为孔道内部分注浆模型、D模型表示为孔道内满注浆模型。针对实际预应力孔道注浆的特点，本文通过相应的建模软件选用适合单元构建简化模型，并对不同模型预先设置不同的参数指标。

设置好参数后建立相应的模型，对模型进行离散，并划分为多个网格单元。通过计算微元的结果，得到最终整体有限元方程的对应解。，网格划分的方式本文选用自由划分以及映射划分2种划分方式，映射划分的结果更加整齐，对整体单元的形状要求更加严格，自由划分更加灵活，适用于孔道内形状不规则的位置模型，在根据实际模型构建时应当根据具体情况进行选择。

1.2冲击弹性波各特征参数计算

完成模型构建后，再利用钢球对孔道冲击，激发冲击弹性波。不同半径的钢球决定着冲击弹性波的冲击能量，因此钢球半径与能量之间存在的关系可用公式（1）表示：

公式（1）中，W表示为冲击弹性波的能量;r表示为钢球的半径;l表示为钢球冲击高度，在实际检测预应力孔道注浆质量时，冲击高度通常为15cm～2cm。

除了计算冲击弹性波的激发能量外，还要对其传播与接收的相应参数进行计算[6]。由于应力波可看作是一种共振波，因此应力波中含有纵波、表面波以及横波。其中，纵波的传播是本文基于冲击弹性波法的预应力孔道注浆质量检测技术中主要应用的检测原理，纵波在冲击产生的过程中波速最大，并且在管道内部产生的位移远远大于剪切波，其传播速度与孔道的容变弹性之间存在一定的关系。当弹性波从孔道外的介质垂直人射到孔道内注浆介质时，波速会受到介质材料以及波阻抗等因素的影响，反映出一种与横截面及材质相关的抗性，根据这一特点，垂直入射的反应系数可用如下公式表示：

公式（2）中，y表示为垂直入射的反应系数;R表示为孔道外介质的波阻抗;R2表示为注浆介质的波阻抗。由公式（2）可知，当弹性波由孔道外介质入射到孔道内注浆介质时，由于空气中的阻抗远远小于孔道外的介质，因此弹性波在检测时基本可以做到全部反射，再由反射波传回到孔道外时，便被贴合在激振点附近的压电式加速度传感设备接收，进而转换为一种电信号，再在模型中放大将最终的结果存储在计算机当中。

1.3基于冲击弹性波的定性定位检测

本文提出的基于冲击弹性波法的预应力孔道注浆质量检测技术可分为定性和定位两种检测方式，其中定性检测可通过分析钢球在孔道冲击过程中产生的冲击弹性波在传播的过程中的能量、频率、波速等参数的变化，定性判断预应力孔道注浆质量的好坏。定性检测适用于对孔道注浆过程中存在的漏灌、孔道堵塞等注浆事故的无损检测。将定性检测的结果利用灌浆指数表示，根据实际孔道注浆质量要求，通常，当灌浆指数超过0.95时，一般意味着灌浆质量较好，同时也没有大面积的浆体疏松现象发生。而灌浆指数低于0.80则表明灌浆质量较差。同时定性检测得到的检测结果也可用于对钢绞线与注浆料之间的机密状况进行检测。

定位检测是沿着孔道的.方或侧方，利用扫描的方法连续不断地检测冲击弹性波的激振和受信，通过反射信号的特点测试孔道内部的注浆情况叫。图2为定位检测的基本原理图。

当孔道注浆质量存在缺陷时，产生激振的冲击弹性波会在缺陷位置上产生相应的反射，并且由孔道底部反射回来的冲击弹性波的传播时间会比孔道内注浆密实位置时间更长”。因此根据孔道位置反射信号的有无即可判断出孔道注浆质量是否存在缺陷。当预应力孔道注浆存在质量问题时，激振的冲击弹性波会在缺陷位置上产生反射现象;激振的冲击弹性波从孔道反射回来所消耗的时间会比注浆密实地方更长，因此等效波速更慢，由此得到本文检测方法的定性和定位检测。

2实验论证分析

2.1实验准备

对比实验开始前，首先建长度为2m，厚度25cm，高度0.95m模型梁，并设置三个孔道，从上至下分别编号为N1（金属波纹管）、N2（金属波纹管）、N3（塑料

波纹管），其灌浆程度分别为N1孔道从检测方向开始有0.7m全灌浆，0.6m半灌浆，0.7m全空;N2孔道从检测方向开始有0.7m全空、0.6m半灌浆、0.7m全灌浆;N3孔道为全空孔道，标定数据在N1、N2中间部位进行标定。图3为模型梁设置示意图。

2.2定位检测

本实验主要对金属材质孔道和塑料材质孔道的无注浆位置进行检测。以孔道的轴线为基准，沿预应力梁板的纵向，以一定间距逐点进行激振和接收信号。在模型梁3个孔道部位均进行了检测，在N1、N2孔道间进行了波速标定，测点间隔0.1m。

通过软件分析激振产生的冲击弹性波在传播过程中的能量、波速等参数的变化，来判断无注浆位置，与实际无注浆位置进行比较，计算各参数值，得出实验误差，对预应力孔道注浆质量进行判断。

2.3实验结果及分析

通过试验，所得结果如图4所示。

图5为N1孔道金属波纹管检测结果。检测时在注浆密实的地方通过波速标定判定缺陷位置（图4）。从云图5可以看出（纵轴起点第一个传感器位置为0.2m处，以下同），在0～0.73m范围内看见明显梁底反射，为全灌區;在0.75～1.28m处为半罐区;在1.30～2m处发现明显的绕射现象。

图6为N2孔道塑料波纹管检测结果。在0～0.76m范围内看见明显绕射，为全空区;在0.78～1.30m处为半罐区;在1.33～2m处发现明显缺陷，为全罐区。

图7为N3孔道塑料波纹管检测结果。全段出现明显绕射，为全空区。

将实际缺陷位置与检测缺陷位置对比，如图8所示，可以看到，冲击弹性波法能对缺陷进行具体定位。而对于不同材质波纹管的检测效果，塑料波纹管检测精度比金属波纹管略差，可能和塑料波纹管波与混凝土的波阻抗相差明显有关。通过模型实验证明，本文提出的基于冲击弹性波法的预应力孔道注浆质量检测技术与传统检测方法相比，检测误差得到了明显的缩小，进一步提高了检测结果的精度。通过本文的检测方法可以有效判断预应力孔道内部的注浆质量是否存在问题，并对缺陷位置进行更精确的定位，对于提高工程施工的整体质量具有一定的积极作用并实现了对孔道注浆质量的无损检测。

3结语

文章利用冲击弹性波法对预应力孔道注浆质量进行检测是有效可行的。该检测方法对冲击弹性波各项参数的分析实现对预应力孔道注浆质量的定性和定位检测。通过模型实验证明，该检测方法检测误差小，检测精度较高，能够有效判断预应力孔道内部的注浆质量以及对缺陷位置进行更精确的定位，实现对孔道注浆质量的无损检测。但文中提出的检测技术对于实际施工过程中存在的小缺陷不具备明显的响应特征，可能是由于孔道壁厚度的关系分辨率还有待提高，因此针对这一问题，在后续的学习中还将进行更加深入的研究。

参考文献

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