低频超声阵列法负弯矩管道压浆质量检测

张居旺

(中铁十二局集团第三工程有限公司，广西临桂 541109)

1 预应力压浆管道检测方法简介

预应力管道又称波纹管，波纹管压浆的作用主要包括:①保护预应力束免遭锈蚀，保证结构物的耐久性;②预应力束通过灰浆与周围混凝土结成整体，增加锚固的可靠性，提高结构的抗裂性和承载能力。其压浆密实性好坏对桥梁的耐久性具有重要影响。

研究发现，众多“短命”桥梁出现垮塌事故都出现了预应力施工质量问题，显然，桥梁“短命”问题关键不是预应力，而是预应力施工的质量。进行预应力桥梁的预应力管道(波纹管)的注浆质量检测，是确保桥梁施工质量达到设计要求和合理受力状态的一个重要控制环节。

目前国内外最常用的检测预应力管道压浆质量的方法，主要有以下几种:

1)冲击回波法:利用短时的机械冲击产生低频应力波，通过应力波在混凝土介质中的传播，遇到分界面缺陷和构件底面形成反射波，通过安装在冲击点附近的宽带换能器接收下来，并对信号进行处理，确定缺陷的位置及缺陷情况。该法普通工程技术人员难于掌握(数据处理要求较高)。

2)探地雷达法:通过天线向地下发射高频电磁波，经目标体反射，为另一天线所接收，并以脉冲反射波的波形形式记录，经处理得到二维雷达图像。区别于普通单个发射装置、单个接收装置的探地雷达，采用多发射装置或多个接收装置的为多阵列雷达(三维图像)。该法不适用于金属波纹管的压浆质量检测。

3)超声波法:用超声波检测混凝土预留管道压浆质量与检测混凝土内部缺陷的基本原理一样，是利用超声脉冲波在混凝土中传播的声时(或声速)、波幅和频率等声学参数的相对变化来分析判断缺陷情况的。

4)超声波层析成像法:超声层析成像的工作原理与医学CT类似，超声波在混凝土内部穿透或在界面发生反射，其接收信号将携带有关混凝土材料性能、内部结构等诸多信息，通过对接收信号进行分析与判读，进而对混凝土构件进行测厚、测缺、测强，全面地鉴定混凝土的内部质量，进一步还可直观地反映出混凝土的内部质量和存在的问题。

针对上述各种检测方法的利弊，某公司采用低频超声阵列法，自主研发设备，对贵广高铁负弯矩管道压浆质量进行检测。

2 检测原理及检测步骤

2.1 检测原理

低频超声阵列法是检测混凝土内部缺陷的有限元超声成像方法，包括将超声发射器和接收器放置在混凝土表面，以一定规律向梁体换发射并接收超声波，超声波在注浆管道里传播发生散射、衍射、折射等现象，若预应力管道内存在孔隙、空洞、不密实等缺陷时会使接收到的超声波波形发生畸变。对采集到的超声信号进行滤波预处理后(振幅、相位、速度等)，可以定性判断缺陷的有无;用有限元方法对混凝土内部物理参数进行重建(自主研发的反演软件进行二维或三维成像)，通过选择超声传播的模型，信号前处理，有限元迭代重建，以及图像后处理，可准确定位缺陷位置和判定缺陷大小形态。

采用该法研制的仪器选用有限元软件Wave3000及数学软件Matlab进行仿真实验和阵列数据融合处理，形成混凝土结构断面成像图，与传统SAFT算法相比，阵列SAFT算法充分利用阵列中相隔探头间形成的扫描信号，最大限度增加数据融合处理的有效数组维数，使合成孔径成像目标定位能力增强，成像分辨率更高。由于脉冲信号频率成分丰富，使得混凝土材料中晶粒散射严重，成像图中缺陷波高部位会产生振荡信号，为此提出一种基于互相关处理的方法来滤除振荡信号，这种方法对表面直达波的幅度也有很好的抑制作用。

工作原理示意图如图1～图3所示。

图1 BQT－G1检测仪系统

图2 BQT－G1检测仪面板

图3 管道压浆质量检测工作原理示意图

2.2 现场检测步骤

采用低频超声阵列法研制的预应力桥梁管道注浆质量检测仪(BQT－G1)相比其它检测设备，操作简便，数据处理简单，适用于广大工程技术人员。其具体现场检测实施过程如下:

1)将检波器阵列垂直波纹管走向贴在梁体表面，确保良好的耦合。

2)设置检测参数，正确连接发射探头和检波器阵列。

3)仪器采样参数:采样通道:1～8道并行采样;声时测量精度:±0.1μs;幅度分辨率:1‰;发射方式:单次采样，连续采样。

4)检测时在同样耦合条件下，连续采集3次，以保证检测结果可靠性。

3 工程应用

3.1 工程概况

贵广高铁某大桥预制箱梁设计跨径为30m，梁全长 29.96m，梁高2.90m，顶板宽度 12.20m。混凝土强度等级采用C55;纵向预应力束及负弯矩预应力束均采用抗拉强度标准值为1860MPa的钢绞线，张拉锚固体系采用群锚体系，Φ70mm塑料波纹管，内压M40水泥净浆。

为了确保梁体施工质量，了解孔道的内部灌浆状况，根据业主及相关部门的要求，对其进行检测。

3.2 检测成果

通过对各个合同段预应力预制梁负弯矩管道压浆饱满度的检测，结合开窗验证结果，本次检测发现异常的负弯矩管道基本为压浆不饱满，管道顶部均存在0.5～1.0cm左右的空腔，钢绞线未被完全握裹。

各个典型检测图像及开窗验证照片见图4～图11。

图4 大桥左4－4至左5－4跨负弯矩成像图

根据图4所示，大桥左4－4至左5－4跨梁中5－4梁侧第2束负弯矩管道距墩中心里程1.5～2.0m范围，存在异常反应。经现场开窗验证后，压浆管道顶部存在约0.5cm高的空腔。

根据图5所示，大桥右2－2至1－2跨梁中2－2梁侧第2束负弯矩管道距墩中心里程0～2.9m范围，存在异常反应。经现场开窗验证后，压浆管道顶部存在约0.5cm高的空腔，且钢绞线未被全部握裹。

图5 大桥右2－2至1－2跨负弯矩成像图

图6 大桥左34－2至35－2跨负弯矩成像图

根据图6所示，大桥左34－2至35－2跨梁中34－2梁侧负弯矩管道的第2束负弯矩管道距墩中心里程1m附近，存在异常反应。经现场开窗验证后，压浆管道顶部存在约0.5cm高的空腔。

图7 大桥10－2#至9－2#跨负弯矩成像图

根据图7所示，大桥10－2#至9－2#跨梁负弯矩中1#、4#束在距大里程端端头12.5m位置有异常反应;经现场开窗验证后，压浆不饱满。

图8 大桥10－3#至9－3#跨负弯矩成像图

根据图8所示，大桥10－3#至9－3#跨梁负弯矩中1#、3#、4#束在距大里程端端头12.0m位置有异常反应;经现场开窗验证后，压浆不饱满。

根据图9所示，大桥10－4#至9－4#跨梁中2#、3#束在距大里程端端头12.0m位置有异常反应;经现场开窗验证后，压浆不饱满(验证照片:由于下雨开窗未能看清波纹管，但可以用钢筋插入，顶部存在空腔)。

图9 大桥10－4#至9－4#跨负弯矩成像图(Ⅰ)

图10 大桥10－4#至9－4#跨负弯矩成像图(Ⅱ)

根据图10所示，大桥10－4#至9－4#跨梁中1#、4#束在距大里程端端头5.5m位置有异常反应;经现场开窗验证后，压浆不饱满。

图11 大桥10－2#至11－2#跨负弯矩成像图

根据图11所示，大桥10－2#至11－2#跨梁中2#束在距大里程端端头12.0m位置有异常反应;经现场开窗验证后，压浆不饱满。

4 结束语

本文首先介绍了预应力管道压浆检测及其意义，并对几种常见的检测方法进行介绍;其次详细介绍了低频超声阵列法检测预应力管道压浆质量的原理，最后结合某实际工程进行了检测，取得了令人满意的效果。通过检测及开窗验证，证明了该检测方法的可靠性，同时也证明了该设备的有效及可靠性。

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