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1、 超声波检测预应力波纹管孔道压浆质量的试验研究 王锋张峰摘 要：针对应用超声波检测预应力波纹管孔道压浆质量的问题，通过人为对波纹管孔道设置缺陷，在波纹管孔道全空、1/4密实、1/2密实、3/4密实、完全密实并埋入混凝土板中的各种情况下，再使用超声波检测。试验结果证明：超声波法可有效评价预应力波纹管孔道的压浆质量。关键词：预应力波纹管；压浆质量；超声波检测；首波声时：U446.1 文献标志码：B0 引 言近年来，桥梁建设得到了突飞猛进的发展，不同类型的桥梁工程纷纷涌现。由于预应力混凝土与钢筋混凝土结构相比，具有抗裂性好、刚度大、节省材料、结构安全及质量可靠等优点，而逐渐被人们重视并应用到各种大型
2、建筑中1。预应力钢筋作为预应力混凝土结构的重要组成部分，在结构承载方面发挥着巨大的作用，其中预留孔道的压浆质量对于保证预应力效果、增强结构耐久性等有重要意义。工程设计中要求预应力束管道内必须压满砂浆，以防止水分侵入而锈蚀钢筋；但在实际工作操作中，由于压浆方法不当导致管道堵塞、压浆不密实等情况时有发生。针对此类问题，前苏联的弗格瓦罗首次将超声波检测与回弹检测一起运用，来检测混凝土的密实度和强度，开辟了综合检测的新途径。自20世纪70年代开始，中国多次组织力量合作攻关，在无损检测技术的研究和应用方面不断创新，使得超声波缺陷检测技术得以规范化。鉴于超声波首波声时参数受外界环境影响较小，因此在混凝土缺
3、陷测定中可以将其作为主要的判断依据2。本文将研究以超声波首波声时作为主要检测手段，对混凝土缺陷进行准确定量的评估。1 超声波检测原理混凝土是非均质的弹粘塑性材料，它对超生脉冲波的吸收、散射衰减较大，其中高频成分更易衰减，而且混凝土声速会在相当大的范围内变化，不可能事先设置一个判断缺陷的指标。因此，用于混凝土检测的超声法，系指采用带波形显示功能的超声波检测仪和频率为20250 kHz的声波换能器，测量超声脉冲波在混凝土中的传播速度（简称声速）、首波波幅（简称波幅）、接收信号波形及主频率（简称主频）等声学参数，并根据这些参数及其变化，判断混凝土中的缺陷情况。利用超声脉冲波检测混凝土缺陷依据的是以下
4、原理3。（1） 超声脉冲波在混凝土中遇到缺陷时会产生绕射，可根据声时及声程的变化、波幅变化，判别和计算缺陷的性质和大小。（2） 超声脉冲波在缺陷界面产生散射和反射，到达接收换能器的声波能量（波幅）显著减小，可根据波幅变化的程度判断缺陷的性质和大小。（3） 超声脉冲波通过缺陷时，部分声波的路径和相位会产生变化，不同路径或不同相位的声波叠加后，会造成接受信号波形畸变。（4） 超声脉冲波中各频率成分在缺陷截面衰减程度不同，接受信号的频率程度不同，可根据接收信号主频或频率谱的变化分析判别缺陷情况。超声波法是由发射换能器在预留孔道位置的混凝土表面施加瞬时声波能量，产生的声波有纵波、横波和表面波三种波形，
5、这些波在混凝土内部进行传播，在缺陷处发生明显绕射现象3-4。在固体弹性介质中，纵波波速（CL）最大，横波波速（CS）次之，表面波波速（CR）最小。对于一般材料而言，CL2CS，CR09CS。考虑到质点的振动方向与波的传播方向一致，故主要研究纵波的传播效应。本文采用了超声波检测方法中的对测法作为检测手段，通过缩小采样间隔，可以较为准确地确定出首波声时的具体时间，进一步寻找首波声时与板厚、缺陷之间的关系。检测流程如图 1所示。图1 超声波对测法检测流程超声波首波声时法可以用于波纹管孔道中缺陷大小的判定。通过超声波在混凝土中的传播速度V和超声波在混凝土中的传播路径D，得到首波声时公式t=1/f=D/
6、V（1）式中：V为超声波在混凝土中的传播速度；D为超声波传播路径；t为首波声时；f为通过傅里叶变换得到的波的共振频率。首波声时检测原理依据公式（1）中不同缺陷程度下的首波声时t，对波纹管缺陷进行定量评估。其中，波纹管缺陷越大，超声波的绕射现象越明显，传播路径D也就越大。超声波在金属管道内的传播速度是其在混凝土中传播速度的13倍，考虑到金属波纹管壁厚较薄，该影响可以忽略不计5。2 预应力孔道超声波响应超声波在混凝土内部经过均质混凝土、压浆密实孔道、压浆未密实孔道、未压浆孔道后，由接收器采集到不同的首波声时信号6。2.1 均质混凝土无波纹管孔道的混凝土超声波响应与测量混凝土板厚的原理相同，超声波由
7、安置在混凝土构件一侧的发射换能器发射，沿直线传播并抵达对侧面，由传感器接收。此时，首波声时t1的计算公式为t1=1/f1=D1/V式中：D1为均质混凝土构件的板厚；f1为响应频率。2.2 压浆密实孔道考虑到金属波纹管对首波声时的影响非常小，超声波经过压浆密实的波纹管孔道与无波纹管孔道混凝土中的传播原理相同。此时，首波声时t2的计算公式为t2=1/f2=D2/V式中：D2为压浆密实孔道混凝土构件的板厚；f2为响应频率。2.3 压浆未密实孔道当超声波经过压浆未密实孔道时，超声波会产生明显的绕射现象，传播路径D大于板厚。图2可以清楚地显示出，混凝土缺陷越大，传播路径D越大。此时，首波声时t3的计算公式为t3=1/f3=D3/V式中：D3为压浆未密实孔道的混凝土构件的厚度；f3为响应频率。图2 超声波检测纵断面2.4 未压浆孔道未压浆孔道超声波响应与压浆未密实孔道类似：传播路径比压浆未密实孔道还要长，其首波声时t4t2，响应频率f4
