预应力管道压浆密实度定位测试新技术

一、引言

预应力钢绞线要在桥梁使用过程中确保长期发挥作用，达到设计要求，孔道压浆的质量效果是重要的影响因素之一。如果压浆不密实，水和空气的进入使得处于高度张拉状态的钢绞线材料易发生腐蚀，造成有效预应力降低。严重时，钢绞线会发生断裂，从而极大地影响桥梁的耐久性、安全性。此外，压浆质量缺陷还会导致混凝土应力集中，进而改变梁体的设计受力状态，从而影响桥梁的承载力和使用寿命。

灌浆不密实不仅对预应力混凝土桥梁的耐久性有很大的影响，而且对桥梁的即时承载力也有相当的影响。王一等人在模型试验和数值分析的基础上，指出，对于全空管道，其开裂荷载较全密实孔道低10%左右，而最大挠度则可能增加50%。

因此准确的确定孔道压浆不密实位置，并采用适当的方法对其进行修补，对提高桥梁的承载力及耐久性有重要意义。而桥梁的预应力体系非常复杂，首先是波纹管保护层厚度不同的现浇梁和预制梁，其次是管道材质包括塑料波纹管和铁皮波纹管。因此基于以上的2方面原因，对测试媒介及信号分析方法有较高的要求。

四川升拓研发预应力多功能检测仪（SPC-MATS）在原有冲击回波的基础上从测试方法、信号处理等方法创新，经过大量的工程实际应用，其测试效率、精度达到了工程应用标准。现从该方法的测试原理、典型验证案例、影响因素等方面进行介绍。

二、冲击回波等效波速法（IEEV）基本原理

根据在波纹管位置反射信号的有无以及梁底端的反射时间的长短，即可判定灌浆缺陷的有无和类型。当管道灌浆存在缺陷时，有：

 灌浆密实          灌浆有缺陷         未灌浆

图2-1 冲击回波等效波速法IEEV测试原理

（1）激振的弹性波在缺陷处会产生反射（IE法的理论基础）；

（2）激振的弹性波从梁对面反射回来所用的时间比灌浆密实的地方长。因此，等效波速（2倍梁厚/梁对面反射来回的时间）就显得更慢（IEEV法的理论基础）；

（3）当激振信号产生的结构自由振动的半波长与缺陷的埋深接近时，缺陷反射与自由振动可能产生共振的现象，使得自由振动的半波长趋近于缺陷埋深（即共振偏移，IERS法的理论基础）。

灌浆密实          灌浆缺陷（自振频谱移位）

图 22 冲击回波共振偏移法（IERS）测试原理

1)测试方法的选择

上述三种方法均采用同一数据和同一频谱分析，仅在云图判读上有所不同。一般而言，IE法是基础，各种状况均适用。IEEV法适合于壁厚较小，底部反射明显的情形。而IERS法则相反，适合于壁厚较大，底部反射不明显的情形。

2)定位测试的特点

（1）IEEV法测试精度高，但相对速度较慢；

（2）测试精度与壁厚/孔径比（D/Φ）有关，D/Φ越小，测试精度越高；

（3）当边界条件复杂（拐角处）或测试面有斜角（如底部有马蹄时），测试精度会受较大的影响。

图 23 马蹄形部位的测试方法

冲击回波法的基本概念在90年代即被提出。我们通过改进频谱分析方法和增加“等效波速”专利技术，从而大幅提高了该方法的测试精度和应用范围。

三、波纹管材质的影响

在交通工程中，孔道主要采用2类波纹管，即铁皮和PVC波纹管。尽管PVC波纹管在与混凝土间粘结性能等方面要低于铁皮波纹管[7]，但由于其施工方便因而也得到了广泛的应用。

由于阻抗的关系，两类波纹管对弹性波的反射不同，从而对灌浆密实度缺陷的检测也有一定的影响。

根据弹性波的反射理论，机械阻抗（即密度、波速与面积的乘积）的变化决定了反射信号大小和相位。铁皮管壁、PVC管壁、混凝土、缺陷的阻抗的大小顺序为：铁皮>混凝土>PVC>缺陷空洞。因此，铁皮波纹管处对弹性波是逆向反射，PVC和缺陷则是正向反射。由于管壁很薄，会出现铁皮波纹管的反射和缺陷处的反射互相抵消，而PVC与缺陷的反射则是相互增强的现象。

图 3-1 铁皮波纹管反射概念

所以，不能仅凭缺陷处的反射信号的强弱来判断，而是要结合等效波速法，即梁底部（壁面）反射信号的传播时间进行综合考虑。

表3-1 波纹管材质对缺陷判别的影响

受某大型建设集团委托，对位于杭州的某桥梁进行灌浆密实度检测，测试对象为现浇箱梁的箱室隔板管道进行检测。测试部位内部为1根波纹管，板厚度为70cm，波纹管外径为10cm。

图4-1 检测场景及测试云图

测试结果表明，在端头附近发现不密实区域，并经钻孔得到验证，并得到了相关单位的认同。经过及时处理，保证了施工质量。

图4-2 钻孔验证结果（穿铁丝验证）