张家松 肖戈

湖南致力工程科技有限公司 现代投资股份有限公司潭耒分公司

摘 要： 预应力钢绞线是桥梁承受自重和活载的主要受力部分，预应力孔道存在注浆不密实、脱空、浆体不凝固和泌水等注浆缺陷时，不仅影响预应力钢绞线有效应力的发挥，还会引发钢绞线锈蚀，严重时甚至断裂或者桥梁垮塌，直接影响桥梁结构的运营安全和耐久性。三维超声阵列法可以实现桥梁预应力孔道注浆质量的检测。首先对桥梁预应力孔道注浆质量不同的检测方法、检测设备进行研究，然后重点介绍三维超声阵列法的检测原理、现场检测参数选择和测线布置方法，最后以桥梁预应力孔道注浆质量检测数据为例进行解译并现场开孔验证，快速、准确地检测出了桥梁预应力孔道内的注浆缺陷，该方法可以为桥梁预应力孔道注浆缺陷的后期处治提供技术指导，具有重要的推广和应用价值。

关键词： 桥梁工程;预应力管道;注浆缺陷;三维超声阵列;

1 概述

预应力钢绞线是桥梁承受自重和活载的主要受力部分，与管道内的灌浆材料、管道外的钢筋混凝土结构形成共同受力的结构。桥梁预应力孔道灌浆过程中，由于现场技术人员操作技巧、管道线形不平顺及梁体混凝土振捣施工对管道产生破坏等因素，预应力孔道内极易产生注浆不密实、脱空、浆体不凝固和泌水等注浆缺陷。桥梁预应力孔道内的注浆缺陷不仅影响预应力钢绞线有效预应力的发挥，由于钢绞线与空气、水等接触，易引发锈蚀，造成钢绞线有效截面积降低，严重时甚至断裂或造成桥梁的垮塌，对桥梁结构的承载能力、运营安全和耐久性留下隐患。

境内诸多学者通过不同的检测方法和检测设备，对不同类型的预应力混凝土桥梁，在理论研究、数值模拟、实验模拟和现场应用方面进行了大量和深入的研究。方志等采用冲击回波法对桥梁预应力孔道内的注浆不密实和预应力孔道内浆体收缩导致的脱空进行实验，认为通过不同时间连续数据的主频和频谱才能对这两种缺陷有效识别[1]。密士文等采用地质雷达法对塑料波纹管注浆进行了数值模拟和缺陷特征的总结，通过在现场检测和开窗验证，准确探测出了塑料波纹管内的注浆缺陷[2]。杨铠铨等采用超磁法在实验梁上对桥梁预应力孔道进行纵向穿透检测，为桥梁预应力孔道注浆质量检测提供了新的检测方法[3]。柯玉军等采用声波透射法的工作原理有效检测出预应力孔道内注浆质量缺陷的位置，但工作效率低且透射检测时要求透射扫描测点要求高，无法满足现场快速、实时检测的需求[4]。朱自强等采用超声波数值模拟方法，对桥梁预应力金属孔道检测的可行性、检测频率和测线布置方式进行了探索，并得到了孔道内注浆缺陷的异常特征，从理论上验证了方法的可行性[5]。杨忠等采用超声波法首先对桥梁预应力孔道中的注浆不密实区域进行缺陷的定性识别，而后利用合成孔径聚焦成像算法，对缺陷的位置和大小进一步判别[6]。

本文针对桥梁预应力孔道注浆质量检测方法进行了调查和研究，通过采用三维超声阵列法对桥梁预应力金属孔道注浆密实性进行现场检测，并对检测过程中发现的异常信息开孔验证，准确、快速地识别出了预应力孔道内的注浆缺陷，可以为桥梁预应力孔道内注浆缺陷的后期处治提供技术指导。

2 超声阵列法检测原理

2.1超声阵列法检测原理

超声阵列法是利用超声波(横波)在混凝土结构中传播时，遇声阻抗存在差异的交界面会产生反射的原理进行探测，工作原理见图1。超声阵列设备在工作时，超声换能器以一定规律向混凝土结构发射并接收超声波，超声波在混凝土结构中传播发生散射、衍射和折射等现象，若混凝土结构中存在孔隙、空洞、不密实等缺陷时，会使接收到的超声波波形发生畸变。通过对接收到的波形数据进行振幅、相位、速度等方面的分析，可准确定位缺陷位置和判定缺陷大小、形态。采用超声阵列法对桥梁预应力孔道注浆质量进行检测时，由于其采集点密度较高，可以实现对注浆不密实、脱空、含水等质量问题的高精度成像。

图1 超声阵列法(横波)工作原理示意 *载下**原图

2.2桥梁预应力孔道注浆质量检测物性特征和依据

超声波横波在混凝土中的散射比纵波弱，采用横波法得到接收信号更强；因横波只能在固体介质中传播，当遇到空气层或空洞、不密实时几乎全反射，所以采用超声阵列法(横波)可以实现对注浆不密实、脱空、含水等存在阻抗差异的介质的探测。采用超声阵列法探测桥梁预应力孔道注浆质量时，所探测的主要介质为混凝土、钢筋和空气，其阻抗见表1。

表1 主要介质超声波阻抗 导出到EXCEL

3 工程应用

3.1参数选择和测点布置

桥梁预应力孔道注浆质量检测设备是1个由12个模块组成的阵列式超声检测设备，其中每个模块包含4个横波传感器，共计48个采集通道，超声阵列检测设备见图2。横波传感器工作频率为25～85 kHz, 最大探测深度2 500 mm。传统的传感器需要使用耦合剂才能在平整的混凝土结构表面采集数据，该设备可以采用干耦合的方式，通过传感器的弹簧弹力在不平整的表面实现数据采集。

图2 超声阵列检测设备 *载下**原图

当传感器工作频率较大时，可提高设备数据采集的精度，但因混凝土结构中碎石、钢筋、局部密实性差等因素的影响，会加剧超声波信号散射现象，造成超声波传播深度降低；当传感器工作频率较低时，容易造成有用信息的漏判，因此，在选择传感器的工作频率时，应综合考虑检测深度和检测精度。桥梁预应力孔道埋深通常在50～500 mm, 为了提高探测精度，宜选择较高的工作频率，本次现场实际探测中，结合桥梁预应力梁板设计图，传感器工作频率选择85 kHz, 探测深度选择500 mm。对桥梁预应力孔道注浆质量采用三维超声阵列法检测时，测线进行网格化布设，采集设备的长轴方向与预应力孔道轴线方向近似垂直。

3.2三维超声阵列成像检测应用及成果解译

超声阵列设备采用合成孔径成像算法的原理对检测数据进行快速、高精度成像。传感器以一定的步长沿线性轨迹移动，在轨迹上的孔径位置向成像区域发射脉冲信号，同时接收和存储检测信号，然后下一孔径位置进行相同的发射、接收和存储，直至扫描完成；接着按重建点对应孔径检测信号的回波做延时调整、信号叠加和平均等处理，逐点实现数字聚焦处理，最终重建整个成像区域的信号反射图。对所有检测区域形成的二维检测数据，在同一增益条件下，以插值的方式形成三维空间的检测数据信息，根据现场缺陷判别工作需要，对不同水平位置和不同深度位置的数据信息进行切片查看。

以桥梁预应力混凝土T型梁为例，由于该类型梁孔道内注浆缺陷主要集中在梁端头部位，且端头部位0～0.5 m钢筋加密和螺旋筋的影响，采集效果较差，在初步检测中，T1、T2束孔道发现了异常反射信号，T3束孔道未见异常反射信号。因此，本次探测取距离两端0.5～1.6 m范围且覆盖T1、T2束的梁体腹板区域，测线横向间距0.2 m, 纵向间距0.5 m, 测点取测线的交叉点位置，从左至右、从上至下以点测的方式依次进行，检测测区测点布置示意见图3。

图3 现场测区测点布置示意 *载下**原图

图4为采用三维超声阵列法检测桥梁预应力金属孔道注浆质量切片结果，由图4可以看出，孔道T1束局部呈现间断、不连续的强反射信号，推测该异常区域预应力孔道内波阻抗与混凝土结构的波阻抗有较大差异，主要是孔道内存在局部注浆缺陷造成；孔道T2束呈现近似连续的强反射信号，推测该预应力孔道内波阻抗与混凝土结构的波阻抗存在较大差异，主要是孔道内存在连续的注浆缺陷造成。由于T梁结构的腹板厚度渐变，从梁端到梁中位置厚度逐渐变薄，T2孔道的异常反射信号在该切片上呈现近似连续，因此，对不同深度和不同水平位置的切片断面进行判读，可以准确地得到注浆缺陷体的尺寸信息。从三维超声阵列法检测结果进行现场开孔验证，开孔结果见图5,由图5可以看出：该金属波纹管孔道内虽然浆液饱满，但是灌浆材料未凝固(孔道灌浆完成第27 d时开展现场检测和开孔工作),该缺陷属严重缺陷，现场开窗结果有效验证了三维超声阵列法检测金属波纹管注浆缺陷的准确性。

图4 三维超声阵列法检测结果 *载下**原图

图5 T2孔道现场开窗结果 *载下**原图

4 结语

本文采用三维超声阵列法对桥梁预应力孔道注浆质量进行了现场检测和结果分析，根据检测过程中发现的缺陷异常信息现场开孔验证，由开孔结果可知，该检测方法可以为桥梁预应力金属孔道注浆缺陷的后期处治提供技术指导，对我国桥梁结构的运营安全性和耐久性具有重要的意义：

( 1 )桥梁预应力金属孔道注浆质量采用三维超声阵列法检测时，检测速度快、结果判别简单，具有重要的推广和应用价值；

( 2 )三维超声阵列法应用于桥梁预应力金属孔道注浆质量检测，根据不同深度和不同水平位置切片信号特征，可以实现桥梁预应力孔道注浆缺陷尺寸的判别。

参考文献

[1] 方志，蒋国俊，卢江波.预应力孔道注浆脱黏缺陷的冲击回波响应特征[J].湖南大学学报：自然科学版，2018,45(11):1-9.

[2] 密士文，彭凌星，张家松.地质雷达在桥梁预应力管道注浆质量检测中的应用[J].湖南交通科技，2018,44(1):134-137.

[3] 杨铠铨，魏连雨，袁宾.基于超磁波的后张预应力混凝土梁波纹管注浆密实度检测法[J].河北工业大学学报，2013,42(4):85-88.

[4] 柯玉军，龙士国.基于弹性波原理的预应力桥梁波纹管注浆密实度检测方法的机理研究与应用[J].水利规划与设计，2014,(2):48-50.

[5] 朱自强，密士文，鲁光银，等.金属预应力管道注浆质量超声检测数值模拟[J].中南大学学报：自然科学版，2012,43(12):4888-4894.

[6] 杨忠，梁俊辉，张升彪，等.超声成像法在桥梁预应力管道注浆质量检测中的应用[J].公路工程，2012,35(5):168-171.

声明： 我们尊重原创，也注重分享。有部分内容来自互联网，版权归原作者所有，仅供学习参考之用，禁止用于商业用途，如无意中侵犯了哪个媒体、公司、企业或个人等的知识产权，请联系删除，另本头条号推送内容仅代表作者观点，与头条号运营方无关，内容真伪请读者自行鉴别，本头条号不承担任何责任。