CN102590343B - 波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波检测桥梁、T梁、厢梁预应力孔道波纹管注浆密实度（缺陷）的装置及方法。由大功率信号源激励超声信号发射模块产生高频大功率超声波，超声信号接收模块阵列接收由空腔（缺陷）反射的超声波信号并转化为电信号，然后经检测信号处理及显示单元模块进行处理并对超声信号进行成像输出，根据得到的图像可以判断波纹管内注浆饱满度，是否存在缺陷以及缺陷所在的位置，为工程人员判断灌浆的质量，及其桥梁的使用状态提供判断依据。本发明的装置易于携带，使用方便，适合施工现场的快速检测，特别适用于桥梁施工过程中对施工质量的现场判断及其为桥梁的日常检测维修提供依据，并且对空腔位置的判断准确、直观可靠。

Description

波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于超声波检测桥梁波纹管内部注浆密实度的装置及方法，属于超声无损检测技术领域。

背景技术

随着桥梁技术的发展，在工程技术中越来越多的桥梁建设都采用预应力桥梁，预应力桥梁钢绞线是该类桥梁的关键承载结构，其波纹管的注浆密实度关系到钢绞线承载能力的发挥，对桥梁波纹管注浆密实度进行评价具有重要的意义。波纹管灌浆的作用主要有两个方面：一是保护预应力筋不锈蚀；二是保证预应力筋与构件混凝土共同工作，并控制超载时裂缝的间距和宽度，同时避免预应力筋锚固端的应力过分集中。

目前，预应力波纹管灌浆施工过程中经常出现的质量问题有：1、灌浆不密实；2、波纹管未被水泥浆完全充满、存在空隙；3、水泥浆体由于硬化收缩过大而与波纹管分离；4、硬化后的水泥浆体强度不能满足要求等。由于波纹管灌浆不密实，国内外一些预应力桥梁已经出现梁体下垂或突然坍塌等现象。波纹管注浆密实度检测在大型桥梁建设和现有桥梁安全性检测方面具有重大的指导意义。

目前检测波纹管注浆密实度的方法主要有：

(1)钻心检测法：先按规定的抽检比例取若干有代表性的样品进行检测，最后得出波纹管注浆密实度否。该方法操作简单、直观有效，但工作量大(要得到注浆的真实密实度必须大量采样)、效率低、费用较高，并且易对预应力刚束造成损伤。一般在无损检测中发现异常时，作进一步的确认判断时使用。

(2)电磁波雷达法：利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式由结构物表面通过发射天线定向传入地下，经过存在电性差异的混泥土反射后返回地面，接收天线接收。当发射与接收天线以固定的间距沿测线同步移动时，就可以得到反映混凝土缺陷分布情况的雷达图像。该方法可根据波形记录直接分析混凝土内部缺陷的分布和形态，但衰减快、测试范围窄，且铁制波纹管内的灌浆密实度是无法进行测试的。

(3)弹性波反射法：对所测预应力筋发射超磁弹性波信号，利用加速度传感器拾取反射信号，通过对反射回来的弹性波信号的振幅、频率和相位特征进行分析，从而辨别波纹管注浆密实度。该方法虽然在一定程度上能够检测出波纹管的缺陷但还处于探索阶段，存在一定的认识盲区。

(4)X射线法：在梁或板的两端分别发射和接收X射线，通过像片中感光的浓淡程度即可测试孔道的灌浆密实度。该方法具有一定的可视性，测试精度相对较高，但测试设备庞大、测试费用高，且具有一定的危险性(放射性)。

上述各种方法都是从桥梁、T梁、厢梁中预应力孔道波纹管的外部进行检测，在一定的程度上能够实现对波纹管注浆密实度进行检测的目的，但是由于外部检测时检测信号(包括声波、射线、电磁波信号)在进出波纹管前后都需要穿透厚厚的包含螺纹钢的混凝土层，信号损失较大，不能完全满足波纹管注浆密实度检测的要求。

发明内容

本发明的技术目的是克服现有各类检测方法中的弊端，提供一种波纹管孔道注浆密实度(缺陷)超声检查的装置及方法，做到方便快捷、直观准确、无二次损害的对桥墩、桥梁波纹管内的混凝土密实度进行检测，从而达到检测桥梁或者桥墩内部混凝土注浆质量及施工质量，对桥梁运行状况进行维护和监测的目的。

为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

包含在桥梁、T梁或厢梁内部提前预留一条与注浆波纹管平行的检测通道，且检测通道内充满用于超声耦合传播用的水；设在所述检测通道内并可同时运动的超声信号发射模块和超声信号接收模块阵列；与所述超声信号发射模块连接并激励其产生超声信号的大功率信号源；对所述超声信号接收模块阵列接收的超声信号进行处理的检测信号处理及显示单元模块；所述检测信号处理及显示单元模块将接收的超声信号采用辉度调制形成连续的波纹管二维切面断层图像。

所述超声信号发射模块和超声信号接收模块阵列设置于一安装基座上，并由所述安装基座带动沿所述检测通道轴向匀速运动。

所述超声信号发射模块垂直于管壁发射超声信号，所述超声信号接收阵列垂直于管壁接收反射回来的超声信号。

所述的大功率信号源包含以信号发生器为核心的超声信号模块、以高频功率放大器为核心的功率放大模块。

所述的超声信号发射模块包含与所述大功率信号源相匹配的大功率压电陶瓷发射换能器。

所述的超声信号接收模块阵列包含与所述超声信号发射模块相匹配的超声信号检波换能器。

所述的检测信号处理及显示单元模块包含滤波组件、信号差分放大组件、将所述超声成像模块的输出图像采集出来并压缩存储到计算机中的数据存储组件、算法组件和显示输出组件。

所述算法组件包含参数初始化的数据初始化模块和计算波纹管注浆密实度、缺陷位置及大小的算法模块。

一种基于权利要求1所述的装置的波纹管孔道注浆密实度超声检查的方法，其特征是，包含以下步骤：

(1)在对波纹管外部桥梁加注混凝土时，预留一与波纹管平行的检测通道，通道内注满信号耦传播用的水；

(2)在所述检测通道内设置可同时运动的超声信号发射模块和超声信号接收模块阵列，并共同安装于安装基座上；

(3)由大功率信号源激励所述超声信号发射模块产生超声信号；

(4)所述超声信号接收模块阵列接收所述超声信号发射模块产生的超声信号；

(5)检测信号处理及显示单元模块对所述超声信号接收模块阵列接收的超声信号进行处理，并采用辉度调制，以亮度强弱反映接收到的信号强弱，形成连续的波纹管二维切面断层图像，图像信息可表征注浆密实度及是否存在缺陷。并根据超声信号发射模块和超声信号接收模块阵列所处的位置，计算出缺陷所处的位置。

步骤(5)中计算缺陷位置的步骤为：

超声信号发射模块、超声信号接收模块阵列及其安装基座的匀速运动速度为

其中，l_O为波纹管的长度，t_O始、t_O终分别为信号接收的初始时刻和信号接收的终止时刻，

图像中缺陷出现时间t_始，

计算得到缺陷所在位置

本发明所达到的有益效果：

本发明利用超声波的波速、衰减及频散特性与介质的密度有关，根据接收到注浆后波纹管混凝土内部透射信号的强弱，采用辉度调制的方式形成超声波的二维图像，然后根据图像特征来确认波纹管内部混凝土注浆是否饱满，是否存在空腔，从而达到检测桥梁内部混凝土注浆质量的目的。

本发明由大功率信号源激励超声信号发射模块产生高频大功率超声波，超声信号接收模块阵列接收超声波信号并转化为电压信号，超声波信号经由检测信号处理模块进行处理，得到超声信号经波纹管反射回来的图像并由显示单元模块显示输出，最后根据得到的图像可以判断波纹管内注浆饱满度，是否存在空腔，空腔的尺寸，以及空腔所在的位置，为工程人员判断灌浆的质量，及其桥梁的使用状态提供判断依据。

本发明的装置易于携带，使用方便，适合施工现场的快速检测，特别适用于桥梁施工过程中对施工质量的现场判断及其为桥梁的日常检测维修提供依据，并且对空腔位置的判断准确、直观可靠。

附图说明

图1是桥梁的横剖面；

图2是桥梁的纵剖面；

图3是波纹管内混凝土存在空腔时桥梁的横剖面；

图4是波纹管内混凝土存在空腔时桥梁的纵剖面；

图5是本发明的检测方法流程图；

图中，001桥梁波纹管外侧混凝土；002波纹管内侧混凝土；003钢绞线；004波纹管；005预置检测通道；006空腔；007检测信号处理及显示单元模块；008大功率信号源；009超声信号发射模块；010超声信号接收模块阵列；011安装基座；012检测通道内耦合用的水。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1、图2所示，本发明的波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置包括：大功率信号源008，超声信号发射模块009，超声信号接收模块阵列010，检测信号处理及显示单元模块007，安装基座011，耦合用的水012。为了让检测的结果更加直观可靠，在施工过程中必须在波纹管004外平行地预留一个通道即预置检测通道005，以便安装超声信号发射模块009、超声信号接收模块整列010和耦合用的水012，通过接收空腔反射的超声信号特征来表征波纹管内的注浆密实度。而其它的检测方法都是在桥梁、T梁或厢梁的外部设置检测装置，检测结果受混凝土内部(波纹管外部)螺纹钢影响很大。

预置检测通道005距离波纹管004较近布置，以保证超声信号能进入波纹管内部并发射回来，超声发射与反射时受螺纹钢及混凝土的影响较小。

较佳地，预置检测通道005采用非金属的PVC材料，减少对声波散射的影响，预置检测通道005位于波纹管004左侧(或右侧)，以最大限度地不影响波纹管钢绞线应力分布。

大功率信号源008包含以信号发生器为核心的超声信号模块、以高频功率放大器为核心的功率放大模块。

超声信号发射模块009包含与大功率信号源008频率相匹配的大功率压电陶瓷发射换能器、壳体及连接电缆。

超声信号接收模块阵列010包含与超声信号发射模块009相匹配的超声信号检波换能器及连接电缆。

大功率信号源008通过电缆与超声信号发射模块009相连；超声信号发射模块009安装于安装基座011内；超声信号接收模块阵列010通过电缆与检测信号处理及显示单元模块007相连，并安装于安装基座011内；安装基座011最后放置于与波纹管004平行的预置检测通道005内，预置检测通道005内充满用于信号耦合用的水012。

预置检测通道005内充满耦合用的水012，其作用是将超声信号发射模块009产生的超声信号传播到波纹管004内部，将从空腔006反射回的超声信号传播到超声信号接收模块阵列010。

检测信号处理及显示单元模块007包含滤波组件、信号差分放大组件、数据存储组件、算法组件、显示输出组件。其中，数据存储组件将超声成像模块的输出图像采集出来并且进行高效可靠的压缩存储到计算机硬盘中；算法组件包含参数初始化的数据初始化模块和计算波纹管注浆密实度、缺陷位置及大小的算法模块。

大功率信号源008输出功率高，其可以驱动超声信号发射模块产生超声的强度足以穿透混凝土、波纹管、内部钢绞线及灌注的水泥浆，并最终将带有混凝土灌浆密实度信息的信号反射回预留孔道中，由超声信号接收模块阵列接收。超声信号发射模块发射超声的方向是垂直于管壁发射，超声信号接收模块阵列的特点是其接受超声信号的方向是垂直于管壁正对波纹管。

实施例2

以本发明的装置检测波纹管内的空腔为例，如图3、图4所示，大功率信号源008产生足够的电功率用以驱动超声信号发射模块009，使之产生足够功率和规定频率的超声信号；超声信号发射模块朝预置检测通道005侧面发射超声波，并且对所发射超声的指向性要求较高，副瓣能量不能过大，超声信号发射模块009产生的超声信号经过桥梁波纹管外侧混凝土001、波纹管004、波纹管内侧混凝土002及其钢绞线003、遇到空腔006便产生反射信号，反射信号传播到预置检测通道005内并由超声信号接收模块阵列010接收，超声信号接收阵列010朝侧面接收超声波信号，且超声信号接收模块阵列010要与所接收的超声信号频率相匹配，以便达到最大的解释精度。超声信号接收模块阵列010将接收到的超声信号转换为电信号，通过电缆发送到检测信号处理及显示单元模块007的差分放大组件进行信号放大，再送入滤波组件进行滤波，然后送入算法组件进行分析处理，形成图像信息存储到存储组件，并将图像信息通过显示输出组件进行显示。

工作原理是空腔对超声波的反射隔离作用，由超声成像模块采用辉度调制，以亮度强弱反映接收到超声信号的强弱，形成连续的波纹管二维切面断层图像。由超声波的图像信息可以看出接受到的超声信号是否明显增强，如果存在则说明灌浆不严实或者存在空腔。而空腔的位置可以通过安装基座011的位置进行计算判断。

实施例3

用上述实施例中的装置检测波纹管注浆密实度的方法，不同于其它波纹管内注浆密实度无损检测，而是通过安装在混凝土内部与波纹管平行的PVC管道内的超声信号发射模块009和超声信号接收模块阵列010发送与接受超声波信号，并通过对比超声信号穿透波纹管时表现出的不同特性来表征波纹管内的注浆情况。具体检测方法流程如图5所示，安装基座011上的超声信号发射模块009和超声信号接收模块阵列010顺着预置检测通道005同时缓慢匀速移动。大功率信号源008产生足够的电功率用以驱动超声信号发射模块009向波纹管内发射超声，超声信号接收模块阵列010将接收到的超声信号转换为电信号，通过电缆发送到检测信号处理及显示单元模块007的差分放大组件进行信号放大，再送入滤波组件进行滤波，然后送入算法组件进行分析处理，形成图像信息存储到存储组件并将图像信息通过显示输出组件进行显示。当存在空腔或者混凝土灌注不严实的地方，其信号与灌注严实的部位会出现明显的加强，对比接收信号的强弱便能推断出空腔的大小或者判断混凝土灌注不严实的程度，并能根据安装基座011所处的位置，判断空腔所处的位置，以便进行相应的补救处理。

计算波纹管注浆缺陷(如空腔)所在位置z_k的方法：

超声信号发射模块、超声信号接收模块阵列及其安装基座的匀速运动速度为其中，l_O为波纹管的长度，t_O始、t_O终分别为信号接收的初始时刻和信号接收的终止时刻；

图像中缺陷出现时间t_始；

计算得到缺陷所在位置

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置，其特征是，包含在桥梁、T梁或厢梁内部提前预留一条与注浆波纹管平行的检测通道，且检测通道内充满用于超声耦合传播用的水；设在所述检测通道内并可同时运动的超声信号发射模块和超声信号接收模块阵列；与所述超声信号发射模块连接并激励其产生超声信号的大功率信号源；对所述超声信号接收模块阵列接收的超声信号进行处理的检测信号处理及显示单元模块；所述检测信号处理及显示单元模块将接收的超声信号采用辉度调制形成连续的波纹管二维切面断层图像；

所述超声信号发射模块和超声信号接收模块阵列设置于一安装基座上，并由所述安装基座带动沿所述检测通道轴向匀速运动。

2.根据权利要求1所述的波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置，其特征是，所述超声信号发射模块垂直于管壁发射超声信号，所述超声信号接收模块阵列垂直于管壁接收所述超声信号发射模块发射的超声信号。

3.根据权利要求1所述的波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置，其特征是，所述的大功率信号源包含以信号发生器为核心的超声信号模块、以高频功率放大器为核心的功率放大模块。

4.根据权利要求1或3所述的波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置，其特征是，所述的超声信号发射模块包含与所述大功率信号源相匹配的大功率压电陶瓷发射换能器。

5.根据权利要求1或3所述的波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置，其特征是，所述的超声信号接收模块阵列包含与所述超声信号发射模块相匹配的超声信号检波换能器。

6.根据权利要求1或2所述的波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置，其特征是，所述的检测信号处理及显示单元模块包含滤波组件、信号差分放大组件、将所述超声成像模块的输出图像采集出来并压缩存储到计算机中的数据存储组件、算法组件和显示输出组件。

7.根据权利要求6所述的波纹管孔道注浆密实度超声检查的装置，其特征是，所述算法组件包含参数初始化的数据初始化模块和计算波纹管注浆密实度、缺陷位置及大小的算法模块。

8.一种基于权利要求1所述的装置的波纹管孔道注浆密实度超声检查的方法，其特征是，包含以下步骤：

（1）在对波纹管外部桥梁加注混凝土时，预留一与波纹管平行的检测通道；

（2）在所述检测通道内设置可同时运动的超声信号发射模块和超声信号接收模块阵列；

（3）由大功率信号源激励所述超声信号发射模块产生超声信号；

（4）所述超声信号接收模块阵列接收所述超声信号发射模块产生的超声信号；

（5）检测信号处理及显示单元模块对所述超声信号接收模块阵列接收的超声信号进行处理，将接收的信号与预先测得的标准信号进行比对，由超声成像模块采用辉度调制，以亮度强弱反映接收到的信号与标准信号比对结果，形成连续的波纹管二维切面断层图像，由图像信息显示注浆密实度及浆和钢绞线间是否存在缺陷，并根据超声信号发射模块和超声信号接收模块阵列所处的位置，计算判断出缺陷所处的位置；

步骤（5）中计算缺陷位置的步骤为：

超声信号发射模块、超声信号接收模块阵列及其安装基座的匀速运动速度为：

，其中，l₀为波纹管的长度，t_0始、t_0终分别为信号接收的初始时刻和信号接收的终止时刻；

图像中缺陷出现时间t_始；

计算得到缺陷所在位置

。

Images