CN102818852B - 一种桥梁预应力孔道灌浆密实度测试方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁预应力孔道灌浆密实度测试方法及***，一种桥梁预应力孔道灌浆密实度测试，该方法包括：确定被测试预应力孔道的中心线位置，在所述中心线位置上固定加速度传感器；在所述加速度传感器周边用激振锤敲击激振，所述加速度传感器采集激振产生的弹性波数据；根据所述弹性波数据计算等效反射波速，根据所述等效弹性波速确定桥梁预应力孔道灌浆密实度。本发明实施例采用无损检测技术对预应力结构的孔道整体灌浆质量进行检测，有着精度高、效率高、成本低的特点，对客观评价预应力结构的质量状况意义重大，适宜在工程中大量应用。

Description

一种桥梁预应力孔道灌浆密实度测试方法及***

技术领域

本发明涉及道桥工程质量安全检测技术领域，尤其涉及一种桥梁预应力孔道灌浆密实度测试方法及***。

背景技术

随着我国公路桥梁建设的发展，预应力混凝土桥梁已在我国桥梁建设中占主导地位，被广泛应用于许多重要桥梁建设项目中。为了保证预应力钢绞线在桥梁使用过程中长期发挥作用，达到设计要求，预应力孔道的压浆质量是必须保障的重要的影响因素。如果预应力孔道压浆不密实，金属材料在高应力状态下锈蚀速度很快，孔道中的钢绞线材料易发生腐蚀，从而影响桥梁的耐久性、安全性。并且，预应力钢筋(钢绞线)下存在压浆质量缺陷时，会出现混凝土应力集中致使破坏，随着时间推移，还会引起的预应力损失，改变梁体的设计受力状态，从而影响桥梁的使用寿命。

在桥梁建设中，后张预应力压浆不密实的问题早在十几年前就已受到国内外的广泛关注。建于1953年的英国Ynys-Gwas桥梁，于1985年突然倒塌，经过英国的运输与道路研究实验室(TRRL)研究，发现该桥梁倒塌是由于预应力钢筋锈蚀所致。此外，建于1957年的美国康涅狄格州的Bissell大桥，因为预应力钢筋锈蚀导致桥的安全度下降，在使用了35年后也不得不于1992年炸毁重建。通过分析上述两个事故，找出了导致钢绞线锈蚀的主要原因，就是预应力孔道灌浆不密实所致。因此采用先进的无损检测技术对预应力结构的孔道整体灌浆质量进行检测，对客观评价结构的质量状况意义重大。

为此，国内外相继开展了一些研究，提出了不少检测方法。例如冲击回波法(IE)、超声波成像法(UT)、表面波频谱成像法(SASW)、基于冲击回波振幅谱的堆栈成像法(SIBIE)、探地雷达法(GPR)、X光成像法、γ射线成像法等。但是，由于测试方法的精度、适用范围、测试效率以及费用等多方面原因，使以上方法一直未能在工程界得到推广应用。

因此，业界迫切需要一种高精度、高效率、低成本、可以适应多方面要求的桥梁预应力孔道灌浆密实度检测方法。

发明内容

本发明实施例提供一种桥梁预应力孔道灌浆密实度检测方法及***，用以解决现有技术中的检测方法存在的精度差、效率低、成本高的问题。

一种桥梁预应力孔道灌浆密实度测试，该方法包括：

确定被测试预应力孔道的中心线位置，在所述中心线位置上固定加速度传感器；

在所述加速度传感器周边用激振锤敲击激振，所述加速度传感器采集激振产生的弹性波数据；

根据所述弹性波数据计算等效反射波速，根据所述等效弹性波速确定桥梁预应力孔道灌浆密实度。

较佳地，所述确定被测试预应力孔道的中心线位置，包括：

用设计图纸确定被测试预应力孔道的中心线位置；或者

用电磁波混凝土雷达测定被测试预应力孔道的中心线位置。

较佳地，所述在所述中心线位置上固定加速度传感器，包括：

在所述中心线位置确定若干待测试点；

在每个待测试点分别固定加速度传感器；

所述固定的方法为人工固定或耦合剂粘结。

较佳地，所述激振锤为铁锤或电磁铁，直径为30毫米。

较佳地，所述加速度传感器周边为所述加速度传感器周围10厘米处。

较佳地，所述根据所述弹性波数据计算等效反射波速，包括：

所述弹性波数据为弹性波反射周期；计算等效反射波速根据公式其中，V_E为等效反射波速，H为所述被测试预应力孔道所在的混凝土梁的厚度，T_E为所述弹性波反射周期。

较佳地，所述根据所述等效弹性波速确定桥梁预应力孔道灌浆密实度，包括：

将多次测试得到的等效弹性波速进行频谱分析，所述等效反射波速较低的测试位置对应的桥梁预应力孔道灌浆密实度较低；或者

测定所述弹性波在混凝土材料中的传播速度；

将所述等效弹性波速与所述弹性波在混凝土材料中的传播速度比较，低于所述弹性波在混凝土材料中的传播速度的等效弹性波速的测试位置对应的桥梁预应力孔道灌浆密实度较低。

一种桥梁预应力孔道灌浆密实度测试***，该***包括加速度传感器、激振锤以及测试仪，所述加速度传感器与测试仪连接，其中，

所述加速度传感器，用于固定在被测试预应力孔道的中心线位置；采集激振产生的弹性波数据并发送所述测试仪；

所述激振锤，用于在所述加速度传感器周边敲击激振，产生弹性波；

所述测试仪，用于根据所述弹性波数据，计算等效反射波速，确定桥梁预应力孔道灌浆密实度。

较佳地，所述加速度传感器与测试仪采用低噪声信号电缆连接。

较佳地，所述激振锤为铁锤或电磁铁，直径为30毫米。

本发明实施例利用激振锤在加速度传感器周边激振，产生弹性波，加速度传感器采集弹性波数据，计算等效反射波速，根据等效反射波速来确定桥梁预应力孔道灌浆密实度。本发明实施例采用无损检测技术对预应力结构的孔道整体灌浆质量进行检测，有着精度高、效率高、成本低的特点，对客观评价预应力结构的质量状况意义重大，适宜在工程中大量应用。

附图说明

图1为现有技术中一般的预应力桥梁锚固体系示意图；

图2a～图2c为弹性波穿透孔道示意图；

图3为不同条件下弹性波的反射周期示意图；

图4为本发明实施例的主要实现原理流程图；

图5为本发明实施例的测试点选取示意图；

图6为本发明实施例提供的等效弹性波速V_E频谱分析图；

图7为本发明实施例提供***的结构示意图；

图8为本发明实施例提供一个较佳***工作原理示意图。

具体实施方式

由于现有的检测方法，存在着很多问题，本发明所需要解决的技术问题，是桥梁建设中后张预应力压浆不密实的问题，该问题一直被广泛关注，由于预应力钢筋锈蚀导致桥梁安全度下降，为了克服这一困难就需要采用无损检测技术，对预应力结构的孔道整体灌浆质量进行检测。

本发明实施例的原理基于对测试部位的混凝土打击激振并诱发自由振动，通过测试其反射特性，并换算出弹性波在其中的传播速度。根据速度的大小，从而测定灌浆的密实度。

下面结合各个附图对本发明实施例技术方案的主要实现原理、具体实施方式及其对应能够达到的有益效果进行详细的阐述。

如图1所示，为一般的预应力桥梁锚固体系示意图，图中依次表示出置于中心部位的预应力钢绞线3，围绕在预应力钢绞线***的预应力孔道2以及处于最外部分的预应力桥梁1。基于这样的结构，发明人发现可以在预应力孔道2上方或侧面，利用铁锤等激振装置敲击激发弹性波，通过测定该弹性波的反射特性来检测孔道灌浆的密实度。

激振所产生的弹性波在混凝土中的传播过程中，遇到钢筋、空洞等与混凝土材质不同的物体时，会发生透射和反射现象。一般用机械阻抗R来表示物质的性质：

R＝ρVA                                                  公式1

其中，ρ为材料的密度，V为弹性波在材料中传播的速度，A为材料的截面面积。

一般来说，两种物质机械阻抗差别越大，弹性波反射的部分越多，透射部分越少。而差别小时则相反，当两种材料的机械阻抗完全相同时，则不会发生反射，全部信号都会透过。

发明人发现，当灌浆密实且浆液硬化后，孔道的阻抗与周围混凝土的差异不大，因此，激发的弹性波大多数可以直接透过孔道，如图2a所示。而当孔道内灌浆不密实时，孔道的阻抗大大降低，弹性波的透过性减少，反射则会增加，如图2b与图2c所示，其中，图2b为反射现象引起，图2c为折射现象引起。

因此，利用弹性波的反射特性，可以检测灌浆的密实性。大多数孔道是采用波纹管(金属波纹管或塑料波纹管)，由于管壁和混凝土的阻抗差，使得管壁本身会使弹性波产生反射。管壁产生的反射信号与管道内不密实区域产生的反射信号会产生叠加，使得对不密实区域产生的反射信号的识别造成困难。

基于此，发明人设计了一整套的弹性波数据计算方法。设预应力混凝土梁的厚度为H，孔道的内径为D。当孔道内灌浆密实，弹性波穿过孔道后在梁背面反射返回激振点A所需要的时间TA为：

$T_A=2(\frac{H-D}{V_C}+\frac{D}{V_P})$ 公式2

其中，V_C为弹性波在混凝土材料中的传播速度，C_P为弹性波在孔道中的传播速度。

当灌浆密实且灌浆材料硬化后，V_P≈V_C，因此，公式2可以简化为

$T_A=T_C=\frac{2H}{V_C}$ 公式3

其中T_C为弹性波在混凝土材料中的传播速度。

此时，在孔道侧面测试的弹性波的反射时间与没有孔道的混凝土区域相同。

另一方面，当灌浆不密实时，有两种情形：

第一种情况：灌浆不密实，材料疏松。

此时，V_P＜V_C，由公式2得到的T_A就大于

第二种情况：灌浆出现空洞。

此时，弹性波几乎无法直接穿过孔道内部，前行的弹性波则需要绕过管壁。因此，如图3c所示，弹性波从梁后侧反射来回的最短路线为A→A1→A2→A1→A，其距离L约为

$L\≈{2b}_2+D+\sqrt{D^2+{(D+{2b}_1)}^2}$ 公式4

其中，b₁激振点至孔道前管壁的距离，b₂孔道后管壁至梁后侧的距离，D孔道内径。

与直线距离相比，传播距离的增加量ΔL为：

$\mathrm{\ΔL}\≈\sqrt{D^2+{(D+{2b}_1)}^2}-(D+{2b}_1)$ 公式5

可以看出，ΔL＞0，即传播距离增加，因此传播时间也相应增加。

从公式5还可以看出，当b₁＝0，即管道贴近激振面时，传播距离的增加量最大，为0.414D。

若管道位于梁的中央，则其距离增量ΔL约为

$\mathrm{\ΔL}\≈\sqrt{D^2+H^2}-H$ 公式6

所以，无论材料疏松还是产生空洞，激发的弹性波反射来回的时间都会增加。换言之，如以混凝土梁2倍厚度2H作为名义上的传播距离，此时得到的传播速度，在此称之为“等效波速”，用V_E表示，较其它部位的传播速度V_C为小。

发明人认为，根据V_E和V_C的关系即可测试管道灌浆密实度。当V_E与V_C接近时，表示灌浆密实，而V_E明显小于V_C时，则表示灌浆存在不密实等缺陷。

特别的，V_E并不一定是实际的传播速度。当弹性波产生沿管壁的绕射时，其传播距离较2H有所增加，而实际的传播速度仍为V_C。只是当用2H作为分母时，计算出来的传播速度V_E有所降低。这就是称为“等效速度”的原因。

一般的，由于预应力混凝土梁的厚度一般较薄，激振产生的弹性波在梁的两侧可以产生多次反射。因此，采用频谱分析的方法可以容易地将一次反射来回的时间(即周期T)求出。如图3所示，为不同条件下反射周期示意图，其中，

T_C：在无孔道或灌浆密实时，弹性波在结构底部的反射周期；

T_A：孔道灌浆缺陷处弹性波在孔道顶部的反射周期；

T_E：孔道灌浆缺陷处绕射波或穿透波在结构底部的反射周期；

因此，V_E及V_C可以用下式求出：

$V_E=\frac{2H}{T_E}$ 公式7

$V_C=\frac{2H}{T_C}$ 公式8

其中，H为预应力混凝土梁的厚度。

据此，本发明实施例提出一种桥梁预应力孔道灌浆密实度测试方法，如图4所示，本发明实施例的主要实现原理流程如下：

步骤10，确定被测试预应力孔道的中心线位置，在中心线位置上固定加速度传感器。

在被测试的预应力梁上，可以根据设计图纸确定孔道的中心线位置，也可以通过其他方法(例如电磁波混凝土雷达等)标明孔道的中心线位置。然后，需要将加速度传感器固定在中心线上。加速度传感器需要沿着孔道的中心线平行布置，纵、横向间距根据测试密度要求确定。具体的方法，可以沿着中心线确定多个待测试点，在每个测试点分别固定加速度传感器进行测试。固定加速度传感器的方法可以是人工固定，也可以是耦合剂粘结。

具体如图5所示，其中，为激振点，“◎”为加速度传感器固定点，也即待测试点。

步骤20，在加速度传感器周边用激振锤敲击激振，加速度传感器采集激振产生的弹性波数据。

这里的激振锤，可以是大小、材质可变的铁锤或其它自动装置，例如电磁铁等。在加速度传感器旁边的混凝土表面敲击激振，并由加速度传感器采集测试数据。一般的，激振锤的大小为30mm。激振位置与加速度传感器位置间距10cm，并与孔道的中心线平行。具体如图5所示，加速度传感器的固定位置与激振锤的激振位置是平行与孔道中心线的。

根据如上的理论分析，这里的测试数据，实际上就是由于激振锤的激振产生的弹性波数据，也即弹性波的反射周期T_E。

步骤30、根据弹性波数据计算等效反射波速，根据等效弹性波速确定桥梁预应力孔道灌浆密实度。

根据加速度传感器采集的弹性波数据，也就是弹性波的反射周期T_E，可以计算等效反射波速V_E，具体计算公式如上述的公式7，其中，V_E为等效反射波速，H为被测试预应力孔道所在的混凝土梁的厚度，T_E为弹性波反射周期。

计算得到等效反射波速V_E后，可以对多个测试点测试得到的等效弹性波速V_E进行频谱分析，可以认为等效反射波速V_E较低的测试位置对应的桥梁预应力孔道灌浆密实度较低。

如图6所示，为一个等效弹性波速V_E频谱分析图的实例，图6中，根据V_E的大小可以很方便的确认出灌浆不密实的测试点，图中做了标记。

另外，由于灌浆密实的区域，孔道中与混凝土的密度大致相同，因而，根据上述的理论分析，可以认为弹性波在混凝土材料中的传播速度V_C约等于灌浆密实的测试点的V_E，因而，可以将其它各个测试点测试得到的V_E与弹性波在混凝土材料中的传播速度V_C比较，低于弹性波在混凝土材料中的传播速度V_C的等效弹性波速V_E的测试位置对应的桥梁预应力孔道灌浆密实度较低，就是说，当V_E与V_C接近时，表示灌浆密实，而V_E明显小于V_C时，则表示灌浆存在不密实等缺陷。

特别的，所有的这些计算和分析，都可以在灌浆密实度测试仪中完成，并可以进行频谱分析。

相应地，本发明实施例还提供了一种桥梁预应力孔道灌浆密实度测试***，如图7所示，该***包括加速度传感器100、激振锤200以及测试仪300，加速度传感器100与测试仪300连接，具体如下：

加速度传感器100，用于固定在被测试预应力孔道的中心线位置；采集激振产生的弹性波数据并发送测试仪300。

这里的加速度传感器与测试仪300采用电缆连接，最好是低噪声信号电缆。加速度传感器100采集激振产生的弹性波数据，也就是弹性波的反射周期数据T_E。

激振锤200，用于在加速度传感器100周边敲击激振，产生弹性波。

在固定好加速度传感器100后，采用激振锤200在其固定位置周边10cm处敲击混凝土梁表面，产生激振，加速度传感器100采集这些激振产生的弹性波数据。

特别的，激振锤200可以是大小、材质可变的铁锤或其它自动装置，例如电磁铁等。一般的直径为30mm。

测试仪300，用于根据弹性波数据，计算等效反射波速，确定桥梁预应力孔道灌浆密实度。

根据加速度传感器采集的弹性波数据，也就是弹性波的反射周期T_E，可以计算等效反射波速V_E，具体计算公式如上述的公式7，其中，V_E为等效反射波速，H为被测试预应力孔道所在的混凝土梁的厚度，T_E为弹性波反射周期。

计算得到等效反射波速V_E后，可以对多个测试点测试得到的等效弹性波速V_E进行频谱分析，可以认为等效反射波速V_E较低的测试位置对应的桥梁预应力孔道灌浆密实度较低。

或者，可以将其它各个测试点测试得到的V_E与弹性波在混凝土材料中的传播速度V_C比较，低于弹性波在混凝土材料中的传播速度V_C的等效弹性波速V_E的测试位置对应的桥梁预应力孔道灌浆密实度较低，就是说，当V_E与V_C接近时，表示灌浆密实，而V_E明显小于V_C时，则表示灌浆存在不密实等缺陷。

较佳地，如图8所示，为本发明实施例提供的一种测试***的工作原理示意图，其中，1为预应力梁，3为预应力孔道中的钢绞线，4为激振锤，5为加速度传感器，6为测试仪。通过激振锤3敲击预应力混凝土梁1的表面，激振产生弹性波，加速度传感器5采集这些弹性波数据，发送给测试仪6进行分析，得到预应力孔道中灌浆的密实度数据。

综上所述，本发明实施例利用激振锤在加速度传感器周边激振，产生弹性波，加速度传感器采集弹性波数据，计算等效反射波速V_E，根据等效反射波速来确定桥梁预应力孔道灌浆密实度。本发明实施例采用无损检测技术对预应力结构的孔道整体灌浆质量进行检测，有着精度高、效率高、成本低的特点，对客观评价预应力结构的质量状况意义重大，适宜在工程中大量应用。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种桥梁预应力孔道灌浆密实度测试方法，其特征在于，该方法包括：确定被测试预应力孔道的中心线位置，在所述中心线位置上固定加速度传感器； 

在所述加速度传感器周边用激振锤敲击激振，所述加速度传感器采集激振产生的弹性波数据； 

根据所述弹性波数据计算等效反射波速，包括：所述弹性波数据为弹性波反射周期；计算等效反射波速根据公式其中，V_E为等效反射波速，H为所述被测试预应力孔道所在的混凝土梁的厚度，T_E为所述弹性波反射周期，再根据所述等效反射波速确定桥梁预应力孔道灌浆密实度。 

2.如权利要求1所述的桥梁预应力孔道灌浆密实度测试方法，其特征在于，所述根据所述等效弹性波速确定桥梁预应力孔道灌浆密实度，包括：将多次测试得到的等效弹性波速进行频谱分析，所述等效反射波速较低的测试位置对应的桥梁预应力孔道灌浆密实度较低；或者测定所述弹性波在混凝土材料中的传播速度； 

将所述等效弹性波速与所述弹性波在混凝土材料中的传播速度比较，低于所述弹性波在混凝土材料中的传播速度的等效弹性波速的测试位置对应的桥梁预应力孔道灌浆密实度较低。 

3.一种如权利要求1所述的桥梁预应力孔道灌浆密实度测试方法所用的测试***，其特征在于，该***包括加速度传感器、激振锤以及测试仪，所述加速度传感器与测试仪连接，其中， 

所述加速度传感器，用于固定在被测试预应力孔道的中心线位置，采集激振产生的弹性波数据并发送至所述测试仪； 

所述激振锤，用于在所述加速度传感器周边敲击激振，产生弹性波； 

所述测试仪，用于根据所述弹性波数据，计算等效反射波速，确定桥梁预应力孔道灌浆密实度。