沖擊回波法檢測孔道注漿密實(shí)度的研究

肖金軍，羅國民，吳 迪，孔海望，韓亞芳

（1、佛山市廣佛肇高速公路有限公司 廣東佛山 528000；2、廣東建科交通工程質(zhì)量檢測中心有限公司 廣州 510500）

1 研究背景

目前，我國交通壓力越來越大，對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)要求也逐年增加，尤其是道路、橋梁的建設(shè)既要滿足百年工程需求又要加快緩解交通壓力。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)因其顯著的技術(shù)優(yōu)勢在實(shí)際橋梁工程中得到大量的推廣，該技術(shù)也逐漸成熟。目前，在預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量檢測方向仍有一些不足，如密實(shí)度檢測技術(shù)，預(yù)應(yīng)力孔道注漿效果的好壞將直接影響到預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性［1］。根據(jù)相關(guān)部門的調(diào)查顯示，已建成的部分大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁經(jīng)過多年的運(yùn)營后，已出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)開裂的現(xiàn)象，少數(shù)預(yù)應(yīng)力橋梁已相繼出現(xiàn)了可能影響結(jié)構(gòu)正常使用的病害。相關(guān)文獻(xiàn)指出通過對(duì)實(shí)際梁體預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量進(jìn)行檢測，預(yù)應(yīng)力橋梁脫空長度約占檢測長度的10%至20%，少數(shù)病害達(dá)到30%［2］。

因此，為保證橋梁的使用性能，需要定期對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)灌漿密實(shí)度進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。目前常用的檢測方法包括：探地雷達(dá)法、沖擊回波法、超聲波法、紅外熱成像法等［3］。本文主要針對(duì)沖擊回波法進(jìn)行了分析研究及應(yīng)用驗(yàn)證。

2 沖擊回波法原理

沖擊回波法是利用瞬時(shí)機(jī)械沖擊（一般選用一個(gè)小鋼球或小錘輕敲固體表面）產(chǎn)生的低頻應(yīng)力波來進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)部探測，小鋼球敲擊北側(cè)結(jié)構(gòu)表面，沖擊會(huì)產(chǎn)生P波（縱波）和S波（橫波），P波的傳播方向與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向一致，S 波與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直［4］。這些波遇到波阻抗會(huì)發(fā)生反射、折射或繞射，不同界面之間的會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)共振，沖擊點(diǎn)附近的P 波振幅是最大的，沖擊點(diǎn)附近的傳感器接收的主要是由P 波引起的［5］。當(dāng)應(yīng)力P波傳播過程中遇到阻抗不同的介質(zhì)界面時(shí)就會(huì)發(fā)生反射，在預(yù)應(yīng)力管道的混凝土板中，應(yīng)力波直接傳播至板底后反射回測試面，由接收器接收響應(yīng)信號(hào)，應(yīng)力波所經(jīng)過的路程即為2倍板厚［6］。

式中：αs為構(gòu)件的截面形狀系數(shù)；T為材料厚度；Cp為構(gòu)件中沿沖擊方向傳播的P波速度［7］。

3 沖擊回波法檢測的有限元仿真分析

3.1 有限元建模分析及模型設(shè)計(jì)［8-11］

通過動(dòng)力有限單元軟件ANSYS/LS-DYNA 來分析不同預(yù)應(yīng)力孔道壓漿質(zhì)量的沖擊回波響應(yīng)，為了能使模型計(jì)算得到簡單化，現(xiàn)引入以下基本假定：

⑴每個(gè)單元的近似函數(shù)是連續(xù)的，單元之間的邊界是連續(xù)的；

⑵動(dòng)力學(xué)基本計(jì)算方程中不考慮重力因素的影響；

⑶在沖擊荷載作用下，模型始終處于線彈性狀態(tài)，服從胡克定律；

⑷材料性質(zhì)均為線彈性各項(xiàng)同性。

實(shí)驗(yàn)研究所需分析的波紋管管道內(nèi)情況可分為以下3類：全缺陷、部分缺陷和無缺陷。為了避免在模擬計(jì)算過程中建立過于復(fù)雜的有限單元模型，且能兼顧工程實(shí)際情況，在建模時(shí)進(jìn)行了以下簡化處理：波紋管等效為圓柱，將波紋管內(nèi)外混凝土材料一致；建立有缺陷模型時(shí)假定波紋管上方半圓全空，下方灌漿混凝土密實(shí)包裹鋼絞線。簡化后所使用的材料參數(shù)如表1所示，有限元模型的波紋管管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)由3部分組成：鋼絞線、孔道壓漿的混凝土以及缺陷部分空洞區(qū)域［8］。

表1 模型材料參數(shù)Tab.1 Material Parameters of the Model

3.2 信號(hào)接收點(diǎn)與沖擊點(diǎn)的距離對(duì)回波結(jié)果的影響

本實(shí)驗(yàn)研究主要探究的有缺陷模型為波紋管正上方一半全空的模型。建立一塊長為50 cm、寬為25 cm、高為25 cm 的方形板，內(nèi)有半徑為2.5 cm 的半圓柱體貫穿空洞，其直線邊與板的長邊平行，圓心位于板的高度方向正中，預(yù)設(shè)到?jīng)_擊面的距離分別為9 cm，即波紋管埋深（保護(hù)層厚度）6.5 cm。側(cè)面敲擊的敲擊點(diǎn)位于半圓形空洞底邊延長線上方1 cm 處，如圖1 所示。由缺陷頻率計(jì)算公式知，若應(yīng)力波的往返總路程按13 cm 計(jì)算，則該模型中缺陷所對(duì)應(yīng)的理論峰值頻率為28.918 kHz。

圖1 半空缺陷模型（保護(hù)層厚度6.5 cm）Fig.1 Half-air Defect Model（Protective Layer Thickness：6.5 cm）

首先研究信號(hào)接收點(diǎn)與沖擊點(diǎn)的距離變化對(duì)回波解析結(jié)果的影響。由于半圓柱體缺陷的存在，模型呈非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即使是距離沖擊點(diǎn)相同距離的信號(hào)接收點(diǎn)，其所接收到的應(yīng)力波的反射情況也不盡相同。因此對(duì)采樣點(diǎn)的選取分為沿波紋管方向和垂直波紋管方向2種狀況來進(jìn)行探討。

⑴沿波紋管方向設(shè)定不同采集距離

沿波紋管方向上且與沖擊點(diǎn)有相同距離信號(hào)接收點(diǎn)的具有對(duì)稱性，因此只需提取單側(cè)的信號(hào)進(jìn)行分析，提取距離沖擊點(diǎn)分別為1 cm、2 cm、3 cm和4 cm處節(jié)點(diǎn)的位移-時(shí)程數(shù)據(jù)（見圖2），并進(jìn)行FFT變換，如圖3所示。

圖2 不同采集間距的示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Different Collection Spacing

圖3 沿波紋管方向不同采集間距的解析頻譜Fig.3 Analytical Spectra of Different Acqui?sition Spacing along the Direction of Bellows

根據(jù)圖3分析可知，在沿波紋管方向上，當(dāng)測點(diǎn)距離沖擊點(diǎn)為1 cm時(shí)，其解析頻譜圖存在明顯波峰對(duì)應(yīng)板厚頻率，但對(duì)應(yīng)缺陷深度頻率的波峰顯示不夠突出；當(dāng)距離沖擊點(diǎn)遠(yuǎn)于2 cm時(shí)，板厚頻率和缺陷深度頻率對(duì)應(yīng)的波峰顯示效果都不夠明顯，且缺陷深度頻率還會(huì)向高頻處偏移。而距離沖擊點(diǎn)為2 cm處節(jié)點(diǎn)的頻率-振幅曲線既能反映板厚頻率5 kHz，又能在29 kHz處顯示較為明顯的波峰對(duì)應(yīng)缺陷深度頻率，綜合響應(yīng)情況較為良好。

⑵垂直波紋管方向

垂直波紋管方向上且與沖擊點(diǎn)具有相同距離信號(hào)接收點(diǎn)，由于缺陷為半圓柱體空洞，因此沖擊點(diǎn)兩側(cè)的信號(hào)接收點(diǎn)不具有對(duì)稱性，需要分別提取敲擊點(diǎn)上下兩側(cè)的信號(hào)進(jìn)行分析，首先提取在沖擊點(diǎn)上方距離沖擊點(diǎn)分別為1 cm、2 cm、3 cm 和4 cm 處節(jié)點(diǎn)的位移-時(shí)程數(shù)據(jù)（見圖4），并進(jìn)行FFT變換，如圖5所示。

圖4 測試點(diǎn)上方不同間距的采樣示意圖Fig.4 Sampling Diagram of Different Spacing above the Test Point

根據(jù)圖5 分析可知，在垂直波紋管方向的上方測點(diǎn)數(shù)據(jù)中，當(dāng)測點(diǎn)距離沖擊點(diǎn)為1 cm 時(shí)，其解析頻譜圖存在明顯波峰對(duì)應(yīng)板厚頻率，但對(duì)應(yīng)缺陷深度頻率的波峰顯示不夠突出；當(dāng)距離沖擊點(diǎn)遠(yuǎn)于2 cm 時(shí)，板厚頻率和缺陷頻率對(duì)應(yīng)的波峰顯示效果都不夠明顯，且缺陷深度頻率還會(huì)向高頻處偏移。而距離沖擊點(diǎn)為2 cm 處節(jié)點(diǎn)的頻率-振幅曲線既能反映板厚頻率5 kHz，又能在29 kHz 處顯示較為明顯的波峰對(duì)應(yīng)缺陷深度頻率，綜合響應(yīng)較為良好。

圖5 垂直波紋管（上方）不同測距解析頻譜Fig.5 Analytical Spectrum of Different Ranging of Vertical Bellows（above）

然后提取在沖擊點(diǎn)下方距離沖擊點(diǎn)分別為1 cm、2 cm、3 cm 和4 cm 處節(jié)點(diǎn)位移-時(shí)程數(shù)據(jù)（見圖6），并進(jìn)行FFT變換，如圖7所示。

圖6 缺陷下方不同間距的采樣示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Sampling with Different Spacing below the Defect

圖7 垂直波紋管（下方）不同測點(diǎn)的解析頻譜Fig.7 Analytical Spectra of Different Measuring Points of the Vertical Bellows（Bottom）

根據(jù)圖6分析可知，在垂直波紋管方向的下方中，距離沖擊點(diǎn)為1 cm處的節(jié)點(diǎn)的綜合響應(yīng)相對(duì)較好，其頻譜圖依然能反映板厚頻率，但仍存在缺陷深度頻率的波峰不夠明顯的問題；當(dāng)距離沖擊點(diǎn)遠(yuǎn)于1 cm 時(shí)，缺陷頻率的波峰都不能得到顯示。對(duì)比可知，下方信號(hào)接收點(diǎn)的整體表現(xiàn)不如上方的原因它們距離缺陷區(qū)域更遠(yuǎn)以及缺陷形狀的非對(duì)稱性，所接收的反射缺陷區(qū)域的應(yīng)力波不如上方集中。

最后，對(duì)比沿波紋管方向距離沖擊點(diǎn)2 cm的節(jié)點(diǎn)和垂直波紋管方向的上方中距離沖擊點(diǎn)2 cm的節(jié)點(diǎn)，如圖8所示。

由圖8可知，兩處節(jié)點(diǎn)在板厚頻率和缺陷深度頻率的響應(yīng)上基本一致，因此推薦沖擊點(diǎn)與接收點(diǎn)的間距為2 cm，該測點(diǎn)能較好反映缺陷反應(yīng)及板底反應(yīng)。

圖8 垂直波紋管和沿波紋管水平方向采樣點(diǎn)的頻譜（距沖擊點(diǎn)2 cm）Fig.8 Spectrum of Sampling Points in the Vertical and Horizontal Direction of the Bellows（2 cm from the Impact Point）

4 結(jié)論

本文通過有限元建模分析及模型設(shè)計(jì)，主要研究了信號(hào)接收點(diǎn)與沖擊點(diǎn)的距離對(duì)回波結(jié)果的影響。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于信號(hào)接收點(diǎn)的選擇，當(dāng)它與沖擊點(diǎn)的距離過近（＜2 cm）時(shí)會(huì)受到表面波的干擾導(dǎo)致解析異常，當(dāng)距離過遠(yuǎn)（＞3 cm）時(shí)應(yīng)力波的傳播能量會(huì)衰減過多，推薦沖擊點(diǎn)與接收點(diǎn)的間距為2 cm，該測點(diǎn)能較好反映缺陷反應(yīng)及板底反應(yīng)。