CN102507743A - 一种桥梁预应力孔道灌浆密实度无损检测方法 - Google Patents

Abstract

桥梁预应力孔道灌浆密实度无损检测的方法，属于工程建设质量检测技术领域，基于信号频率传递特性进行，按以下步骤操作，a.对于灌浆材已经固化的预应力梁；b.把加速度传感器用信号电缆连接到测试仪；c.在一端的钢绞线端面激振；d.对两个传感器采集的测试数据进行FFT频谱分析；e.根据频谱分析结果，分别计算出重心频率f_W和频率传递函数ζV_C；f.将激振端和接收端互换，重复c-e各步骤的过程；g.利用同种型号的锚索，再进行一定数量的测试和标定。该方法解决了预应力梁的灌浆孔道两段灌浆密实度，无损检测的方法。

Description

一种桥梁预应力孔道灌浆密实度无损检测方法

技术领域

本发明属于工程建设质量检测技术领域，具体涉及一种基于频率传递特性的桥梁预应力孔道灌浆密实度无损检测方法。

背景技术

目前大量的预应力混凝土桥梁在我国桥梁建设中占主导地位，被广泛应用于包括跨海大桥等重要桥梁的建设项目上。对于预应力混凝土桥梁，孔道压浆不饱满引起的预应力筋的锈蚀、是降低有效预应力的非常重要的方面。饱满的预应力孔道压浆确保预应力筋避免过早遭受腐蚀一直是施工控制的重点也是难点问题。但对于检测和评价影响结构耐久性的孔道压浆密实程度，目前国内外还缺乏系统化的、快速有效的方法和技术。

由于孔道压浆对于保证预应力混凝土结构的安全性和耐久性具有非常重要的意义，国内外相继开展了一些研究，提出了一些检测方法。主要包括冲击回波法、超声波成像法、表面波频谱成像法、基于冲击回波振幅谱的堆栈成像法、探地雷达法、超声相阵法、弹性波等。

在本领域范围内，国内外学者所进行的研究概况如下，美国学者对超声波成像(UTI)技术应用于预应力孔道压浆检测进行了相关研究。研究结果表明，试验能显示孔道的位置，但成像结果不能显示孔道内压浆的详细情况。表面波频谱成像法(SASW)也被用来对预应力孔道压浆情况进行检测。研究发现，对铁制孔道，结果显示能有效的判断孔道内部情况。表面波在通过全压浆铁制孔道时波速很快，而在通过全空铁制孔道时波速比较慢。但是，在塑料孔道中却得不出相同结果。

1992年，冲击回波法首次应用于检测预应力孔道内缺陷。目前研究表明冲击回波法是最有能力评估铁制孔道内压浆情况的方法。运用冲击回波谱图，能大概评估全压浆的塑料孔道内的压浆情况。但国外相关研究也表明用冲击回波法检测塑料孔道有效性不高。

日本学者基于冲击回波原理，对其振幅谱进行分析，提出了堆栈成像(SIBIE)法，通过分辨与高反射区相符的高振幅区来辨别此区域塑料孔道内的缺陷。研究认为堆栈成像法能发现空管并定位，甚至能发现管直径与孔道埋深之比为5以上的情况，对塑料孔道也能定位。但此方法的缺点在于检测效率不高，尚不能大范围应用于工程实际。

最近，英国专家开始研究尝试应用探地雷达对塑料孔道内缺陷进行检测，并用其验证堆栈成像法的检测结果。但其研究仅用于试验对比，并未进行系统的分析，也没开始用于实际工程。国外还提出了超声相阵法，用于对预应力孔道压浆质量的检测。该方法通过对数据的分析，能够反映出结构物内部的缺陷。但应用于具体工程还较为复杂。

综上所述，目前各种检测方法都多应用于模型试验研究，虽部分方法也进行了相关的现场检测验证工作，但由于各种方法对人员和仪器的要求较高，均未得到普遍应用。

在实际工程上为了更有效地发挥预应力的作用，预应力梁的灌浆孔道一般按照主拉应力线的方向配置。因此，常常会形成中间低两端高的U字形形状。但是，由于灌浆材料的泌水(水和浆液分离)作用，使得水分常常会在两端高的位置聚集，从而造成灌浆不密实现象。而孔道的两端为了安装锚具，梁的厚度一般会增加，同时在孔道周围还会安装大量的金属件，这些都会给从梁侧面测试灌浆密实度的各种方法测试时带来很大的困难。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就是要针对预应力梁的灌浆孔道两端灌浆密实度测试所带来的难题，为了克服这一难题，就需要开创一种对桥梁预应力孔道灌浆密实度进行检测的新方法，借助于信号频率的传递特性而实现无损性检测。

本发明的目的是提供一种桥梁预应力孔道灌浆密实度无损检测方法。在测试孔道锚索两端的露出部分安装传感器，沿锚索方向打击激振并产生弹性波。通过2个传感器分别拾取激发信号和另一端的接收信号，利用激发信号和接收信号的频率传递特性所产生的变化，无损地测定灌浆的密实度。

在描述本发明所采用的技术方案之前，先表述本发明所基于的理论背景，

1、测试的概念

预应力梁的结构如图1所示，这是一个预应力桥梁锚固体系示意图，灌浆密实度测试的基本概念如图2、图3所示，这2幅图分别表示不同角度所进行的测试装置示意图。在锚索露出的钢绞线上安装传感器，并沿锚索的轴线方向激发弹性波并引起相应的振动，该振动具有一定的频率特性，通过分析该信号的频率传播特性来检测管道灌浆的密实度。

激振所产生的弹性波在沿锚索的传播过程中，对锚索形成一个外部扰动。在该扰动的作用下，锚索会产生相应的振动。其振动的频率取决于两个方面，即扰动力的频率和锚索的固有频率。其中，扰动力的频率与激发信号相关，可以由在激振点近旁的传感器拾取的信号得到。而锚索的固有频率则取决于锚索的张力、截面积、长度和线密度。

当孔道灌浆不密实、出现空洞或者灌浆材料尚未固化时，相当于锚索空悬在两端，可以将锚索简化成两段固定的弦。容易想象得到，此时的弦的自振频率一般较高。另一方面，当灌浆密实且已经固化后，锚索外部被灌浆材料包裹。这样相当于弦的截面积增加，进而使得锚索的自振频率降低。因此，通过分析锚索的自振频率与激振频率，即可测出该部分锚索的灌浆密实度。

2、测试的基本理论

如图4所示，该图表示在锚头附近灌浆不密实的状况，将这些灌浆不密实，出现空洞的锚索简化成一个两端固定的弦，其第N阶横向自振频率f_N(如图5所示，该图表示空悬锚索的第1、2阶振型)其表述公式如下：

$f_N=\frac{N}{2L}\sqrt{\frac{T}{\mathrm{\ρ}}}$ 式(1-1)

其中，L为锚索自由部分的长度(m)；

T为锚索的张力(N)；

ρ为锚索的线密度，即单位长度的质量(kg/m)；

当灌浆密实且灌浆材料硬化后，锚索的周围包裹了硬化的浆体材料，从而质量有了较大幅度的增加，线密度ρ也会相应增加。根据(1-1)式，可以得到其自振频率f_N会相应降低。所以，通过锚索自振频率的变化即可推算灌浆密实度。

3、测试方法

在实际测试中，由于对象锚索封闭在预应力梁中，因此无法直接在锚索上拾取和激发固有振动。

3-1)振动信号的拾取(如图6所示，该图表示激振信号与接受信号，及计算部分)，利用锚索在梁两端的露出部分，按图2、图3的方式固定传感器可以拾取距离端部较近部分锚索的振动信号。

由于锚索在锚头部位受到锚具的固定，所以如图5、图6那样的锚索的横向振动会受到锚具的约束而大幅衰减。同时，锚索的露出部分在外界作用下(如风等)，容易产生横方向振动，从而给测试带来不利影响。另一方面，锚索的轴向振动受锚具的约束和外界影响相对较小，为此，我们将传感器按照锚索的轴线方向进行设置，从而拾取沿轴线方向的振动信号。根据弦振动理论，轴向振动的自振频率为式(1-1)所示的横向自振频率的2倍。

同时，在拾取的振动信号中，含有多种成分，包括：沿锚索传来的波动/振动信号，从混凝土梁传来的波动/振动信号等。其中，沿锚索传来的波动/振动信号是我们所关心的，考虑到沿锚索轴线方向传播的弹性波P波的波速要快于在混凝土中的传播速度，因此在拾取的振动信号的初始部分为有效信号，是我们分析的对象。

3-2)固有振动的激发

锚索的固有振动的激发方式有两种：一种是直接用激振装置在露出的锚索端部敲击、诱发近端锚索的固有振动，另一种是在远端激振的弹性波信号到达时诱发近端锚索的固有振动(图2)。由于在敲击时，激振信号容易受到锚具、垫板等影响，采用第一种方法的测试误差可能较大，因此我们采用第2种激发方式。

3-3)灌浆密实度的计算

如前所述，利用远端激振诱发近端锚索产生自由振动，对拾取的信号中的初始部分进行相应的频谱分析即可测试近端锚索的灌浆密实度。

进一步分析式(1-1)可以知道，锚索的自振频率中有多个振型，振型阶数越高，其频率也越高。当锚索在外界扰动(传来的弹性波等)的作用下，会被激发出多个振型。一般来说，高频扰动容易激发出高阶振型，反之亦然。因此，得到的频率值不仅与灌浆密实度有关，而且与外界扰动的频率有关。

为此，我们采用重心频率和频率传递函数来综合反映灌浆状况。利用频谱分析工具(如快速傅立叶变换FFT)，可以得到重心频率f_W：

$f_W=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i\·W_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i}$ 式(1-2)

其中、f_i：第i阶振型的频率

W_i：第i阶振型的能量(FFT分析中的振幅)

频率传递函数ζ：

$\mathrm{\ζ}=\frac{f_{\mathrm{WR}}}{f_{\mathrm{WS}}}$ 式(1-3)

其中、f_WR：为接收端信号的重心频率

f_WS：为激振端信号的重心频率

由于频率传递函数ζ实质上是接收端信号与激振端信号的频率比，所以也可以称之为“频率传递率”。

根据重心频率f_W和频率传递函数ζ，即可推测在锚头附近管道的灌浆密实度。这两个参数的值越大，往往就意味着灌浆密实度越差。

在完成理论背景描述的基础上，本发明所采用的技术方案如下，一种桥梁预应力孔道灌浆密实度无损检测的方法，基于信号频率传递特性进行，其特征在于，按照以下步骤操作，

a.对于灌浆材已经固化的预应力梁，露出两端的锚头和大于5cm长度锚索的钢绞线；

b.把加速度传感器用信号电缆连接到测试仪，并用磁性卡座固定在两端的钢绞线上，传感器的拾振方向与钢绞线的轴线平行；

c.在一端的钢绞线端面激振，激振方式可采用激振锤敲击或自动装置；

d.对两个传感器采集的测试数据进行FFT频谱分析；

e.根据频谱分析结果，分别计算出重心频率f_W和频率传递函数ζV_C，据此，可以测试在接收端附近的锚索灌浆密实度；

f.将激振端和接收端互换，重复c-e各步骤的过程；

g.利用同种型号的锚索，再进行一定数量的测试和标定。

本发明有益效果，该方法解决了预应力梁的灌浆孔道两段灌浆密实度，无损检测的方法。

附图说明

图1预应力桥梁锚固体系示意图。

图2测试示意图

图3测试示意图(端部)

图4在锚头附近灌浆不密实的状况

图5空悬锚索的第1、2阶振型

图6激振信号与接收信号及计算部分

具体实施方式

参照图1，表示一种预应力桥梁锚固体系示意图，图2、图3为测试示意图。

参见测试的接线示意图图3：

a.对于灌浆材已经固化的预应力梁，露出两端的锚头和适当长度的锚索的钢绞线(最好在5-10cm)。如果钢绞线过长，最好将其切断。如果钢绞线端部钢丝分离，则用夹具将其固定；

b.把加速度传感器用信号电缆连接到测试仪，并用磁性卡座固定在两端的钢绞线上。传感器的拾振方向与钢绞线的轴线平行；

c.在一端的钢绞线端面激振。激振方式可采用激振锤敲击(大小、材质可变的铁锤)或自动装置(超磁激振器等)。如果端面激振信号过小，无法传递到梁的对面时，也可在钢绞线根部的垫片上激振；

d.对两个传感器采集的测试数据进行FFT频谱分析；

e.根据频谱分析结果，并由(1-2)和(1-3)分别计算出重心频率f_W和频率传递函数ζV_C。据此，可以测试在接收端附近的锚索灌浆密实度；

f.将激振端和接收端互换，重复c-e各步骤的过程，及再进行。这样，梁的两端的灌浆密实度均可得到检测；

g.利用同种型号的锚索，进行一定数量的测试和标定。利用统计分析或模型验证等方式可以确定在重心频率f_W和频率传递函数ζ的界限值。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明。在本实施例中，测试对象为一60米长的箱型预应力混凝土梁。

1)首先按图3在实验装置安装好加速度传感器

用低噪声信号电缆连接到灌浆密实度测试仪

灌浆密实度测试仪采用的是四川升拓检测技术有限责任公司生产的专用测试仪，上述所需计算全部由仪器软件自动进行。

2)采用直径为30mm的铁锤激振，并采集、保存相应的数据；

3)对各点测试的数据进行频谱分析，求出对应的重心频率f_W和频率传递函数ζ；

4)将各点的重心频率f_W和频率传递函数ζ汇总，如下表。

表-1本发明的测试结果

可以看出，N2-W端的重心频率f_W和频率传递函数ζ明显地大于其它部位，因此可以推测其附近的灌浆密实度存在不密实现象。后经与施工单位确认，该处确实存在泌水引起的不密实现象。

Claims (1)

1.一种桥梁预应力孔道灌浆密实度无损检测的方法，基于信号频率传递特性进行，其特征在于，按照以下步骤操作，

a.对于灌浆材已经固化的预应力梁，露出两端的锚头和大于5cm长度锚索的钢绞线；

b.把加速度传感器用信号电缆连接到测试仪，并用磁性卡座固定在两端的钢绞线上，传感器的拾振方向与钢绞线的轴线平行；

c.在一端的钢绞线端面激振，激振方式可采用激振锤敲击或自动装置；

d.对两个传感器采集的测试数据进行FFT频谱分析；

e.根据频谱分析结果，分别计算出重心频率f_W和频率传递函数ζV_C，据此，可以测试在接收端附近的锚索灌浆密实度；f_W的表达式为

$f_W=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i\·W_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i}$

式中：f_W重心频率

f_i第i阶振型的频率

W_i第i阶振型的能量

根据接收端信号和激振端信号的重心频率，计算出频率传递函数ζ：

$\mathrm{\ζ}=\frac{f_{\mathrm{WR}}}{f_{\mathrm{WS}}}$

式中：f_WR为接收端信号的重心频率

f_WS为激振端信号的重心频率

f.将激振端和接收端互换，重复c-e各步骤的过程；

g.利用同种型号的锚索，再进行一定数量的测试和标定。

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