超聲成像法在橋梁預(yù)應(yīng)力管道注漿質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

1、第37卷，第5期2012年10月公路工程HighwayEngineeringVol37，No5Oct，2012超聲成像法在橋梁預(yù)應(yīng)力管道注漿質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用楊沙410083）摘要超聲檢測(cè)是混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中的一個(gè)重要方法，當(dāng)預(yù)應(yīng)力管道中存在注漿不密實(shí)的區(qū)域時(shí)，可1121忠，梁俊輝，張升彪，劉禮明，張丹（1湖南省衡桂高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，湖南衡陽(yáng)421001；2湖南致力工程檢測(cè)技術(shù)有限公司，湖南長(zhǎng)以根據(jù)混凝土中超聲波的傳播速度、頻率、波形、振幅等參數(shù)，進(jìn)行缺陷的定性識(shí)別；然后再利用測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行合成孔徑聚焦成像（SAFT），對(duì)缺陷的位置及大小進(jìn)行定量判斷。關(guān)鍵詞橋梁；預(yù)應(yīng)力管道；注漿缺陷；超

2、聲波；合成聚焦成像+中圖分類號(hào)U44571文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)16740610（2012）05016804UltrasonicImagingMethodsforGroutingFaultsInvestigationofPost-tensionedConcreteStructuresYANGZhong1，LIANGJunhui1，ZHANGShengbiao2，LIULiming1，ZHANGDan1（1HunanHeng-guiExpresswayConstructionandDevelopmentCoLtd，Hengyang，Hunan421001China；2Hunanzhilitesti

3、ngtechnologyCo，Ltd，Changsha，Hunan410083，China）AbstractUltrasonictestingisanimportantmethodofconcretenondestructivetestingtechnologyWhenthenotdenseregionispresentedinthepre-stressedpipes，thedefectscouldbequalitativelyiden-tifiedbasedontheparameterssuchasthepropagationofthevelocity，frequency，waveform，

4、amplitudeandsoonUsingthesyntheticfocustechnologytogettheimagesofthemeasureddatas，andthenthelo-cationandthesizeofthedefectscouldbequantitativelydeterminedKeywordsbridge；pre-stressedtendonducts；groutingfaults；Ultrasonic；syntheticfocustech-nology0前言在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力管道注漿的作用主要有以下2方面：確保預(yù)應(yīng)力筋與混凝土粘結(jié)而保證共同工作；防止預(yù)應(yīng)

5、力筋受空氣、水和其它腐蝕性物質(zhì)侵入而銹蝕。為了確保預(yù)應(yīng)力的效并且避免水分浸入致使果及混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，鋼束銹蝕，必須保證預(yù)應(yīng)力管道中壓滿飽滿。但由于壓漿工藝和某些人為因素（由于存在泌使壓漿管道的入口、出口、曲線管道水和殘留空氣，的上凸段和排氣孔附近容易出現(xiàn)大片空洞），預(yù)應(yīng)力管道通常注漿不飽滿，從而造成預(yù)應(yīng)力鋼絞線腐蝕，大大削弱了混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力及持久甚至引起結(jié)構(gòu)失效或性。嚴(yán)重影響其結(jié)構(gòu)可靠性，收稿日期20120810作者簡(jiǎn)介楊y-Gwas大橋、BicktonMeadows垮塌。如歐洲的Ynys-Bissell大橋。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大橋、由于注漿不密實(shí)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)鋼絞線銹蝕，預(yù)應(yīng)力提前喪失

6、，可造成橋?qū)α簩?shí)際壽命縮短至設(shè)計(jì)壽命的十分之一。因此，預(yù)應(yīng)力管道注漿質(zhì)量的檢測(cè)成了目前國(guó)內(nèi)外混凝土無(wú)損檢測(cè)行業(yè)研究的重點(diǎn)。文獻(xiàn)資料檢索表明，目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于混凝土管主要道注漿無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及裝備研究的并不深入，是一些傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，例如紅外熱成像、射線成像、地質(zhì)雷達(dá)、超聲波、沖擊回波法等方法應(yīng)用到混凝土內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)上來(lái)，其研究應(yīng)用現(xiàn)狀與存在主要問(wèn)題如下：紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)。2008年，徐維超用有限元數(shù)值模擬研究了金忠（1969），男，湖南岳陽(yáng)人，高級(jí)工程師，目前主要從事公路工程試驗(yàn)檢測(cè)工作。第5期楊忠，等：超聲成像法在橋梁預(yù)應(yīng)力管道注漿質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用169屬、塑料波紋管注漿飽滿度及有空洞

7、時(shí)預(yù)應(yīng)力梁的并用不同的熱源對(duì)多個(gè)預(yù)應(yīng)力試件進(jìn)溫度場(chǎng)特征，行了物理模擬，指出用熱成像法檢測(cè)波紋管注漿飽滿度是可行的，并建議采用紅外線發(fā)射器做熱源能1對(duì)構(gòu)件均勻加熱。2000年梅林用轉(zhuǎn)換函數(shù)分析法對(duì)熱影像進(jìn)行析。2003年傅翔通過(guò)模擬試驗(yàn)及大量工程應(yīng)用利用沖擊回波法進(jìn)行測(cè)試預(yù)應(yīng)力預(yù)留孔灌漿證實(shí)，10質(zhì)量是可行的，但對(duì)某些探測(cè)范圍、孔徑較小等密實(shí)11性缺陷情況還有待進(jìn)一步深入研究。2006年RMuldoon對(duì)沖擊回波數(shù)據(jù)同時(shí)在時(shí)間域和頻率域進(jìn)行處理分析，提取出更為豐富的信息，提高了探測(cè)精度用有限元法證明了最大熵值法的準(zhǔn)確性，并將最大熵法（MEM）用于分析沖擊回波數(shù)據(jù)，成功的探測(cè)12到塑料波紋管內(nèi)的預(yù)

8、留空洞。2010年鄒春江等人探討了不同注漿飽滿度的主頻響應(yīng)規(guī)律以及無(wú)漿孔道的判斷依據(jù)，并通過(guò)大量試驗(yàn)證明，利用沖擊回波主頻可以成功地判斷箱梁預(yù)應(yīng)力孔道的注漿是否13飽滿。超聲波檢測(cè)技術(shù)。1998年BarbaraJJaegeyMary研究出一套專門用于波紋管內(nèi)空洞檢測(cè)的超聲檢測(cè)儀，取得了一定效果。指出用超聲脈沖回波技術(shù)檢測(cè)錨索內(nèi)空洞是可行的，并通過(guò)試驗(yàn)成功檢測(cè)到金屬波紋管內(nèi)的注漿空洞。2004年李穎通過(guò)試樣研究證明用超聲探測(cè)預(yù)應(yīng)力梁內(nèi)部缺陷是可行的。通過(guò)工程實(shí)測(cè)證14成功地檢測(cè)到塑料波紋管內(nèi)的預(yù)留空洞，通過(guò)處理，試驗(yàn)結(jié)果證明，在最大對(duì)比度圖像到后半最大對(duì)比2度圖像附近才是最佳檢測(cè)缺陷面積大小的時(shí)

9、間。2008年P(guān)ollock和Dupuis利用不同的箱梁模型，采用不同熱源及不同檢測(cè)方式研究了波紋管中3空洞的溫度響應(yīng)特征。射線成像檢測(cè)技術(shù)。2006年，在混凝土內(nèi)空洞的X射線透照原理的安林展開(kāi)了大量的室內(nèi)透照試驗(yàn)，提出了波基礎(chǔ)上，紋管內(nèi)灌漿空洞的透照方法及技術(shù)，根據(jù)該方法判與梁體局部解剖結(jié)果一明的灌漿空洞大小和位置，致。2008年安琳提出了在判別金屬波紋管和PVC波紋管（包括圓形和扁形兩種形式）內(nèi)灌漿空洞及4預(yù)應(yīng)力筋束斷絲時(shí)的方法及步驟。2010年HKChai，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，指出Gamma射線成像對(duì)于預(yù)應(yīng)力梁注漿空洞及錨索銹蝕程度檢嘗試用Gamma射線來(lái)確定錨索的測(cè)是非常有用的，銹蝕程度，并

10、確定錨索的數(shù)量及波紋管內(nèi)空洞的大5小。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)。2002年HZhan，KBelli將地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力梁的空洞檢測(cè)，并指出雷達(dá)天線垂直于波紋管走向時(shí)的探測(cè)效果是最佳的6明，用超聲波檢測(cè)混凝土預(yù)留孔道的灌漿情況是有并指出波幅值對(duì)空隙的反映很敏感，它可以作效的，15為判斷分析孔道灌漿密實(shí)性的重要依據(jù)。2006年楊天春等人采用超聲波透射法，并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，成功對(duì)T梁的壓漿質(zhì)量進(jìn)行了試驗(yàn)16性檢測(cè)研究，預(yù)測(cè)到鋼束管道內(nèi)的壓漿質(zhì)量。2010年張東風(fēng)等人利用超聲波透射法，結(jié)合高斯函數(shù)為核函數(shù)的支持向量機(jī)模式識(shí)別技術(shù)，對(duì)預(yù)應(yīng)力T梁束孔管道的壓漿質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)缺陷識(shí)別，研

11、究結(jié)果證明采用支持向17量機(jī)算法識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。綜上所述，目前，這些方法在探測(cè)預(yù)應(yīng)力橋梁管道內(nèi)空洞方面，射線法較為昂貴且對(duì)人體有害，在檢測(cè)時(shí)需要確保一定的安全范圍，且穿透能力有限，因而應(yīng)用相對(duì)較少；紅外熱成像技術(shù)可用于波紋管注但在應(yīng)用時(shí)，要漿監(jiān)測(cè)及水泥漿硬化后的空洞檢測(cè)，注意對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行整體恒溫或局部瞬時(shí)加溫處理，并且檢測(cè)時(shí)間及過(guò)程要求也比較嚴(yán)格，檢測(cè)的深度也很有限，精度低，無(wú)法廣泛使用；沖擊回波法是最具有發(fā)展?jié)摿Φ臋z測(cè)方法，但是存在效率低，分辨低的問(wèn)題，且對(duì)塑料波紋管灌漿質(zhì)量的檢測(cè)有難度，且缺陷判定依據(jù)也需進(jìn)一步深入研究；因?yàn)殡姶挪ㄊ艿浇饘俨y管屏蔽作用，導(dǎo)致地質(zhì)雷達(dá)也只能用于塑料波紋

12、管的注漿質(zhì)量檢測(cè)，另外，縱橫分布的鋼。2005年YTinkey研究了雷達(dá)極化特性對(duì)塑料波紋管中空洞的檢測(cè)的用15GHz天線成功檢測(cè)出塑料波紋管內(nèi)的影響，。2009年RaniHAMROUCHE指出用地8質(zhì)雷達(dá)可以檢測(cè)到塑料波紋管內(nèi)的空洞。注漿空洞沖擊回波檢測(cè)技術(shù)。20世紀(jì)80年代，在國(guó)際上掀起了對(duì)沖擊反射法（ImpactEchoMethod）的研究浪潮，在眾多探測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷方法之中，該方法一度被認(rèn)為是當(dāng)前最有發(fā)展前途的方法之一。2008年，姚華開(kāi)展了利用掃描式?jīng)_擊回波法來(lái)檢測(cè)后張預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)缺陷的模型試驗(yàn)研究，在頻率域?qū)_擊反射回波進(jìn)行分析研究，取得了突破性進(jìn)展，使該法進(jìn)入實(shí)用階9段。201

13、0年MasahikoYamada通過(guò)試驗(yàn)證明用SIBIE法可以較準(zhǔn)確的識(shí)別未注漿波紋管，并指出加速度傳感器和激光測(cè)震儀都可以用于SIBIE分7170公路工程37卷筋對(duì)雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，檢測(cè)效果也有待進(jìn)一步驗(yàn)證；超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)雖能顯示波紋管的位置，但對(duì)管道內(nèi)壓漿情況無(wú)法明顯顯示，精度較差，效率極低，也需進(jìn)一步深入研究。在這些方法中，超聲波法是最有發(fā)展?jié)摿Φ臋z測(cè)方法，超聲波的指向性比較好，其頻率越高，指向性越好；超聲波傳播能量大，對(duì)各種材料的穿透力較強(qiáng)；超聲波的聲速、衰減、阻抗和散射等特性，為超聲波的應(yīng)用提供了豐富的信息。作者利用自己研發(fā)的橋梁預(yù)應(yīng)力管道注漿超聲檢測(cè)儀器，在衡桂高速公路上進(jìn)

14、行了大量的檢測(cè)工作，圈定的注漿不密實(shí)的區(qū)域，經(jīng)開(kāi)窗、鉆孔等破壞性檢驗(yàn)，基本都得到了驗(yàn)證。圖1超聲波反射波法檢測(cè)原理Ultrasonicreflectedwavemethoddetecttheory1超聲波檢測(cè)原理Figure1超聲檢測(cè)反射方法是超聲檢測(cè)方法中最基本的超聲波在從一種介質(zhì)向另一種方法。正如所知道，一種介質(zhì)中傳播的時(shí)候，在通過(guò)聲阻抗不同的結(jié)構(gòu)界面時(shí)會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的反射，超聲波在注漿管道里傳播發(fā)生散射，衍射，折射等現(xiàn)象，若預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)存在孔隙、空洞、不密實(shí)等缺陷時(shí)會(huì)使接收到的超聲波波形發(fā)生畸變。通過(guò)對(duì)接收到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行振相位、速度等方面的分析，可以定性判斷缺陷的幅、有無(wú)；通過(guò)致力科技自主

15、研發(fā)的反演軟件進(jìn)行二維或三維成像，可準(zhǔn)確定位缺陷位置和判定缺陷大小形態(tài)。反射法是在試件的一側(cè)發(fā)射和接收聲波信號(hào)，可以用一個(gè)兼有收發(fā)功能的換能器，也可以分別用接兩個(gè)換能器發(fā)射和接收。當(dāng)試件中沒(méi)有缺陷時(shí)，收到的就只有上表面反射波A和下表面反射波L兩個(gè)信號(hào)；當(dāng)試件中存在缺陷時(shí)，除了觀測(cè)到在上表面回波A和下表面反射波L之外，還會(huì)出現(xiàn)來(lái)自缺陷的反射波信號(hào)D，如圖1所示。缺陷反射波的幅值的大小，由缺陷的反射面積和方向角的大小決定，由此即可分析出缺陷的性質(zhì)。由于缺陷發(fā)射了部分的超聲能量，使底面反射波幅值減小。若混凝土并使用恰當(dāng)?shù)膫鞲衅?，利用這種試件的材質(zhì)較好，方法能夠觀測(cè)到很小的缺陷反射波信號(hào)，靈敏度很高。

16、體中心為參考點(diǎn)，依次向兩邊布置測(cè)線。每條測(cè)線的測(cè)量數(shù)據(jù)均可進(jìn)行二維SAFT成像，用所有測(cè)線的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行三維SAFT成像。圖2檢測(cè)測(cè)線布置示意圖Figure2Thedetectionsurveylinediagram測(cè)量?jī)x器為致力科技自主研發(fā)的預(yù)應(yīng)力橋梁管G1），道注漿質(zhì)量檢測(cè)儀（BQT-該儀器采用低頻超聲陣列檢測(cè)預(yù)應(yīng)力橋梁管道注漿缺陷。在測(cè)試過(guò)程中，所有的換能器依次作為震源，每次都是一個(gè)換能器發(fā)射，所有換能器接收。其原理如圖3所示。圖3孔道壓漿質(zhì)量檢測(cè)工作原理示意圖Figure3Ductgroutingqualitytestingworksdiagram2橋梁預(yù)應(yīng)力壓漿管道超聲檢測(cè)方法3工程

17、檢測(cè)實(shí)例在進(jìn)行橋梁預(yù)應(yīng)力壓漿管道的檢測(cè)時(shí)，要沿垂直于壓漿管道的方向進(jìn)行超聲波測(cè)試，測(cè)線間距一般選擇為1030cm，測(cè)線布置如圖2所示。以梁某梁場(chǎng)由于壓漿工藝不完善和施工過(guò)程控制不嚴(yán)格，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力壓漿管道端口處壓漿不密實(shí)。為了檢測(cè)壓漿孔道內(nèi)部不密實(shí)的程度，首先根據(jù)施工第5期楊忠，等：超聲成像法在橋梁預(yù)應(yīng)力管道注漿質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用171圖紙標(biāo)出波紋管的走向，然后沿著垂直波紋管走向利用SAFT進(jìn)行了檢測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)，成像方法，得到了如圖4所示的結(jié)果。5HKChai，DGAggelis，SMolokai，YSingle-sideaccesstomographyforevaluatingint

18、eriordefectofconcreteJConstruc-tionandBuildingMaterials，24（2010）241124186HZhan，KBelli，SWadiaFascisticandCRappportEffec-tivenessof2DFDTDGroundPenetratingRadarModelingforBridgeDeckDeteriorationEvaluatedby3DFDTDZ7YTinkey，LDOlson，HWiggenhauserConcreteBridgesandOtherStructuresMaterialityEvaluation2005Doy

19、leJWebb，NeilLAnderson，TimNewtonSteveCardimonaZBridgescour：Applicationofgroundpenetratingradar8RaniHAMROUCHE，GilesKLYSZ，Jean-PierreBALAYSSACNumericalmodelingofground-penetratingradar（GPR）forthein-vestigationofjointingdefectsinbrickmasonrystructuresNDT-CE09，Non-DestructiveTestinginCivilEngineeringNant

20、esZ，F(xiàn)rance，June30th-July3rd，20099姚華掃描式?jīng)_擊回波法檢測(cè)后張預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)缺陷的模D重慶：重慶交通大學(xué)，2008型試驗(yàn)研究10MagsaysayOHTSU，MasahikoYAMADAandYokoNAKAII-dentificationofungroupedtendonductinpres-stressedconcrete09，Non-DestructiveTestinginCivilEngi-bySIBIENDTCEZFrance，2009neeringNantes11傅翔，宋人心，王五平，等沖擊回波法檢測(cè)預(yù)應(yīng)力預(yù)留孔健，王智豐橋梁箱梁孔道灌漿質(zhì)量檢測(cè)中沖擊

21、J施工技術(shù)，2003，32（11）：3738灌漿質(zhì)量圖4注漿不密實(shí)區(qū)域成像結(jié)果Figure4Thegroutingnotdenseareaimagingresults圖4中波紋管內(nèi)部（黑色圈出部分）出現(xiàn)了明顯的連續(xù)強(qiáng)反射，反射振幅較大，且有多次反射。推測(cè)該部分注漿不密實(shí)，可能含少量積水。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)在波紋管內(nèi)部存在一個(gè)長(zhǎng)約5cm，高約開(kāi)窗驗(yàn)證，1cm的注漿不密實(shí)區(qū)域，其中存在少量積水，在打鉆過(guò)程中有水流出。4結(jié)論12周先雁，欒82超聲波是工程中檢測(cè)混凝土內(nèi)部不密實(shí)區(qū)和空洞較常用的一種方法，在橋梁預(yù)應(yīng)力壓漿管道注漿質(zhì)量檢測(cè)方面具有速度快、準(zhǔn)確率高等優(yōu)勢(shì)。利用合成孔徑聚焦成像的方法，可以對(duì)梁體進(jìn)行三維

22、成像，能夠?qū)︻A(yù)應(yīng)力管道中存在的注漿缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確的判讀，為施工質(zhì)量評(píng)價(jià)和后續(xù)處理工作提供科學(xué)的依據(jù)。參考文獻(xiàn)1徐維超超聲紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于裂紋檢測(cè)的研究D北京：首都師范學(xué)，20082梅703DavidGPollockKennethJDuouisBenjaminLacourKarlROls-enDetectionofVoidsinPrestressedConcreteBridgesusingTher-rd7171，De-malImagingandGround-PenetratingRadarZwa-cember20084安琳，鄭亞明后張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)灌漿空洞X射線無(wú)損公路交通科技，2008，25（1）：929