【摘要】人們對混凝土中預(yù)應(yīng)力金屬管的定位以及檢測其內(nèi)部灌漿缺陷的要求越來越精確，推動了掃描式?jīng)_擊回波技術(shù)用于現(xiàn)場后張預(yù)應(yīng)力梁的應(yīng)用。2-D數(shù)據(jù)顯示允許識別型號模式，從而提高了對橫向定位、預(yù)應(yīng)力管混凝土保護層以及灌漿情況的解釋可靠性。內(nèi)部有孔洞的部分灌漿預(yù)應(yīng)力管與完全灌漿的預(yù)應(yīng)力管辨別出來，檢測結(jié)果與取芯法進行了比較。特別強調(diào)了新的解釋原則，并考慮了波動行為模式，以供選擇。
概述
在世界各國，人們普遍對后張預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性感到擔心。原因是，在預(yù)應(yīng)力管中張拉鋼筋的周圍，可能存在孔洞。預(yù)應(yīng)力管灌漿時的缺陷將會在管中形成孔洞，可造成水分和氯化物侵入，從而引起銹蝕，應(yīng)力增加。為檢測這些結(jié)構(gòu)開發(fā)適當?shù)募夹g(shù)遇到了極大困難，至今為止，NDT在這方面取得的成功非常有限。目前可用于預(yù)應(yīng)力管道檢測的無損檢測技術(shù)包括：X射線、超聲波、電阻法、磁擾法、探地雷達，等等。但這些方法都有很多的局限性，需要檢測人員有豐富的工程經(jīng)驗，結(jié)果分析解釋也很復雜和困難。當今的土木工程需要使用快速、結(jié)果易于解釋的NDT方法，并要求檢測結(jié)果能對損壞分析和維護計劃提供定量的評估信息�，F(xiàn)有的檢測技術(shù)必須進行修改和改善，以便在現(xiàn)場使用時幾乎不需要人工干預(yù)，操作簡便。提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并能實時提供完整、可靠的可視化數(shù)據(jù)信息。這些工作不依賴于操作人員的專門知識就能完成。而且，檢測結(jié)果需要以負責結(jié)構(gòu)的工程師非常容易理解的方式提供出來。例如，以結(jié)構(gòu)橫斷面的2-D和3-D形式表示。
工作目標
本文介紹的工作是基于一套先進的無損檢測技術(shù)－掃描式?jīng)_擊回波法－在現(xiàn)場評估后張混凝土結(jié)構(gòu)得到的和結(jié)果。用2-D數(shù)據(jù)圖視化進行數(shù)據(jù)分析，目的是為了提供有關(guān)混凝土厚度、后張預(yù)應(yīng)力金屬管的橫斷面位置、估算混凝土保護層厚度，并最終調(diào)查其灌漿密實情況。
對沖擊回波數(shù)據(jù)的關(guān)鍵解釋是要尋求提高其精度，提出了在數(shù)據(jù)成像的信號模式識別，也考慮應(yīng)力波在張拉鋼筋周圍的混凝土中傳播的其它路徑。信號模式包括未經(jīng)報告的用于分辨完全灌漿和部分灌漿預(yù)應(yīng)力管的數(shù)據(jù)解釋原則。
用檢測區(qū)域提取的大直徑芯樣進行驗證，證明所提供的數(shù)據(jù)解釋原則是高度可靠的，這種技術(shù)能夠評估現(xiàn)有后張預(yù)應(yīng)力混凝土，以及用于新工程的質(zhì)量控制。
沖擊回波技術(shù)的原理
沖擊回波技術(shù)主要是對在結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部傳播的回波進行頻域分析。先用一個金屬端斗敲擊表面產(chǎn)生一個機械振動，所產(chǎn)生的瞬時應(yīng)力波從沖擊點開始在混凝土半平面內(nèi)分別以表面波、壓縮波和剪切波的形式傳播。在混凝土表面，表面波的振幅遠遠大于其它兩種波，但它隨深度的增加迅速下降。相反，剪切波和壓縮波沿著球形波陣面向結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播。剪切波引起的粒子位移在與沖擊方向成45°的方向上最大，而壓縮波位移在沖擊方向上的振幅最大，其能量超過了剪切波。沖擊回波法主要是分析P-wave在沖擊面和底面或有足夠阻抗變化的中間面之間多次反射。
這些瞬時波的共振由位于表面上與沖擊點很近的傳感器記錄下來，并在記錄下的頻譜圖上分析其振幅和頻率的分布。結(jié)構(gòu)中有關(guān)的信號反射，可以通過有明顯振幅峰值的頻率位置挑選出來。界面的深度（d）可以通過P-wave的波速（vp）和峰值頻率（f）－頻率是波傳播時間的倒數(shù)－如圖1左所示：
d = vp /f （1）
圖1 1-D沖擊回波測試（左）的原理 2-D掃描式?jīng)_擊回波（右）
傳統(tǒng)沖擊回波測試方法一個很大的進展是掃描式?jīng)_擊回波。在這里，通過大量采集測試線上等距離分布的離散點的沖擊回波數(shù)據(jù)，可以將沖擊回波波形和頻譜以圖像實時表示出來，也就是2-D數(shù)據(jù)成像（圖1右）。
這些圖形，可以直接對應(yīng)與構(gòu)件的橫斷面，其中一個軸表示沿測試線的測點位置，另一個軸表示記錄下的頻率或計算出的相應(yīng)深度值。灰度色調(diào)的亮度界面反射回波的振幅。在2-D圖中，相關(guān)的波反射頻率（那些振幅最大的峰值處）比單個測試點的峰值比較更易于識別和分析。實際上，正是由于2-D數(shù)據(jù)圖形能快速識別信號模式，使得掃描式?jīng)_擊回波方法成為一種更快速可靠的數(shù)據(jù)分析方法。
檢測后張預(yù)應(yīng)力混凝土時的應(yīng)力波的傳播
波的分辯率是一個極其關(guān)鍵的，尤其是在檢測后張混凝土時。與一般沖擊回波的波長相比，預(yù)應(yīng)力管特別是張拉鋼筋的尺寸相對較小。張拉鋼筋的形狀是圓形的，這也不是沖擊回波理想的反射面。根據(jù)波動方程，
v = f λ （2）
其中：v是波速，λ是波長。很明顯，在檢測金屬張拉鋼筋的位置或預(yù)應(yīng)力管灌漿是否存在孔洞時，波長與預(yù)應(yīng)力管的尺寸及深度之間的關(guān)系非常重要。由于這個原因，在檢測后張預(yù)應(yīng)力混凝土時，要求波的頻率更高，波長更短。fmax表示最大可用頻率，盡管此時最大振幅更低，吸收和散射引起的衰減更大。在大多數(shù)沖擊回波測試中，寬頻帶應(yīng)力波的頻率約為30kHz，而在檢測預(yù)應(yīng)力管時，50 kHz才合適。根據(jù)方程（3）可以通過最大頻率得出最小可用的波長。根據(jù)方程(4)，fmax可通過沖擊接觸時間t估算出來：
λmin＝v/ fmax （3）
fmax＝1.25/ tc （4）
根據(jù)有關(guān)報告，如果波長足夠短，沖擊回波法就能夠檢測出混凝土中的缺陷或其它不均勻性。這依賴于橫斷面尺寸與深度之間的關(guān)系。如果橫斷面尺寸至少大于深度的1/4，就能夠檢測出內(nèi)部缺陷。而且，如果其尺寸大于深度的1/3，還可以計算其深度。
更進一步，還要求缺陷的深度大于或等于波長的一半，才能獲取沖擊面及缺陷頂面之間的周期性回波。而且，缺陷的橫向尺寸決定了哪些頻率成分將被反射，也就是說波長小于或等于缺陷尺寸的波將會反射。另外，這種方法是否適用與后張預(yù)應(yīng)力管主要依賴于構(gòu)件的幾何尺寸，以及張拉鋼筋的位置和分布。由薄鋼制成的預(yù)應(yīng)力管對沖擊回波產(chǎn)生的應(yīng)力波是“透明”的，而其內(nèi)部的灌漿則具有與混凝土類似的聲阻抗。
后張預(yù)應(yīng)力混凝土的沖擊回波測試示意圖如圖2所示，圖中的黑箭頭表示壓縮波的傳播路徑。根據(jù)文獻【1】，預(yù)應(yīng)力管中存在孔洞時（情形b），板厚度頻率發(fā)生了偏移。（根據(jù)方程（1），波的傳播路徑變大了，因而比情形a中的密實板的頻率要低），fT對應(yīng)于管的峰值頻率， fd對應(yīng)于壓縮波在孔洞頂面的反射，因此：
fT = (0.96 vp /2T)- α (5)
fd = 0.96 vp /2dviod (6)
其中，α漂移系數(shù)，與預(yù)應(yīng)力管的尺寸和位置有關(guān)，T是板的厚度，dviod是管的混凝土保護層厚度。
當預(yù)應(yīng)力管的灌漿不密實時，而其中的孔洞不位于管的正上方，如圖2中的情形3，板的沖擊回波響應(yīng)與前一種情形類似，但管的反射波的頻率比情形b略低。如果用dpart viod表示孔洞的深度，γ表示孔洞深度校正系數(shù)，得到下式：
fd = (0.96 vp /2dpart viod)- γ (7)
最后，在灌漿完全密實的情形下，如情形d，部分波將穿過張拉鋼筋并到達板底，而有部分能量將在灌漿/鋼筋界面反射。但是在這里，由于鋼筋比混凝土和灌漿的聲阻抗要高，壓縮波的相位角不會象在混凝土/空氣界面那樣發(fā)生改變（混凝土的阻抗高于空氣）。因此，到達沖擊點的反射波不會被傳感器接收到，直到它第二次到達時，反射波在介質(zhì)中第一次和第二次傳播時發(fā)生了相位漂移，波相對于沖擊面已經(jīng)變成了拉伸波�；谝陨线@些考慮因素，針對灌漿預(yù)應(yīng)力管的混凝土保護層厚度，提出了以下方程。請注意，不管怎樣張拉鋼筋處的頻率響應(yīng)要高于方程（8）計算出的預(yù)測值。式中，dtendon較淺鋼筋束的深度：
fd = vp/4dtendon (8)
圖2 沖擊回波法測試后張混凝土的實例
數(shù)據(jù)采集和解釋
在拆除一座30年的舊公路橋時，在其部分后張混凝土I形梁上進行了掃描式?jīng)_擊回波等無損檢測測試。梁（高3.65m）的腹板厚度為30cm，其內(nèi)部有波紋鋼板預(yù)應(yīng)力管（直徑約67mm），中心線間距離為28cm。每個預(yù)應(yīng)力管中包括了12根直徑1cm的金屬束。在腹板上沿豎向測試線進行測試，長約為0.9m。測試線與后張預(yù)應(yīng)力管的方向成垂直方向。
測試設(shè)備的主要部件包括：一個單獨的沖擊回波測試單元（包括沖擊源－一只小型螺線管沖擊器，以及接收反射波的傳感器）。在檢測混凝土表面，檢測設(shè)備（Olson IE II）的操作頻率大致位于10Hz～23kHz范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)采集過程中的設(shè)備參數(shù)設(shè)置：速率150375，2048點，頻率分辯率小于0.1kHz。裝有專門軟件的PC用于數(shù)據(jù)的采集、圖形化和存0儲。
例如，圖3左給出了沿豎向測試線的一個未經(jīng)過濾的沖擊回波圖。頻率范圍位于3 kHz～15 kHz（不在此頻率范圍內(nèi)的其它信號不會被記錄）�；叶葓D中更黑的部分表示信號的振幅更高。
這幅圖的最明顯的特點是位于7kHz處的水平黑色帶。它表示腹板的背面產(chǎn)生的反射波，從中可以計算出混凝土腹板的厚度�；炷林械牟ㄋ俟烙嫗�3800m/s，然后利用方程（1）可以計算出腹板厚度為270mm。厚度頻率線在水平方向基本整齊分布，表明腹板的厚度均勻，混凝土的波速保持為常數(shù)，從而說明混凝土的各向同性性是很好的。只是在10點和35點，發(fā)現(xiàn)了厚度頻率沿著低頻方向有一些漂移。在22cm的測試點處，在中央?yún)^(qū)域，腹板漂移的厚度頻率記錄值為6.53kHz，頻率下降了大約4％。由于發(fā)生了漂移的厚度頻率往往意味著未灌漿和部分灌漿－參見圖2中的情形b和c。表明這些位置的預(yù)應(yīng)力管存在灌漿問題。
此圖像中的其它重要特點是：在大約11～12kHz頻帶之間存在非常強烈的反射。它們的信號強度弱于厚度頻率，但清晰可見。這表明混凝土中存在3個預(yù)應(yīng)力管。
特別地，在15點和25點之間，在10.5kHz~12kHz之間，存在高亮度的反射區(qū)，峰值振幅位于11kHz處。與此波峰相連接的是一條向下伸展的雙曲線，其分支延伸到板厚度頻率區(qū)域，此處的板厚頻率發(fā)生了漂移。這個反射的特殊雙曲線形狀，至今為止還未在關(guān)于后張預(yù)應(yīng)力管沖擊回波數(shù)據(jù)的出版文獻中有記載，包括一個清晰可辯的信號模式。其外形，加上厚度頻率稍稍偏小，這些特征可以被認為是判定預(yù)應(yīng)力管內(nèi)部灌漿有缺陷的證據(jù)，不論是完全未灌漿或部分灌漿。孔洞或部分灌漿預(yù)應(yīng)力管的混凝土保護層厚度可通過第一個實例中的方程（6）或第二個實例中的方程（7）計算出來。如果在第二個實例中認定發(fā)生了1kHz的頻率漂移，那么估計出的預(yù)應(yīng)力管的深度位于173mm和158mm之間。預(yù)應(yīng)力管沿測試線的側(cè)向位置被認為是在雙曲線信號的最高頻率處，就是在22站的中心。
除了這個預(yù)應(yīng)力管之外，在圖中還有顯示了其它兩個預(yù)應(yīng)力管。在45站和55站之間、72站和82站之間的11.9kHz處，可以分別辨認出兩個短的水平段。在這些預(yù)應(yīng)力管的位置，估計的中心點位于50和78站，既沒有雙曲線信號，腹板厚度頻率也沒有發(fā)生漂移，這說明他們的灌漿情況很好。利用方程（8），這兩根完全灌漿的預(yù)應(yīng)力管的混凝土厚度估計小于80mm。
對檢測結(jié)果的破壞性驗證
為了驗證以上用二維分析描述的沖擊回波數(shù)據(jù)解釋，我們仔細挑選了大芯樣取芯（直徑200mm）的位置，并在混凝土表明標識出來。特別地，沿著測試線提取了2個芯樣（見圖3中圖、右圖），以便與圖3左圖的數(shù)據(jù)相對應(yīng)。通過檢測在測試區(qū)域提取的芯樣，除了能夠確定它們的橫向位置外，還可以精確地測試腹板的厚度和預(yù)應(yīng)力管的混凝土保護層厚度。而且，從芯樣中能夠觀察到預(yù)應(yīng)力管的灌漿狀態(tài)。
混凝土芯樣顯示的厚度位于275mm～280mm之間，由此可將波速調(diào)整為3920 m/s，然后再更精確地重新計算預(yù)應(yīng)力管的混凝土保護層厚度。通過分析沖擊回波數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)3個預(yù)應(yīng)力管的橫向位置都是很準確的，僅有5～10mm的很小誤差。這個數(shù)據(jù)是令人滿意的。
觀察左手邊的圖3-左顯示的芯樣，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力管的灌漿存在缺陷，只是部分灌漿，在預(yù)應(yīng)力管斷面的側(cè)面存在小孔洞。這個孔洞幾乎延伸到預(yù)應(yīng)力管的頂部（見圖3-中）。由此，這個芯樣驗證過程就證實了未灌漿或部分灌漿的沖擊回波數(shù)據(jù)解釋。借助于第二個芯樣，驗證中間管的狀態(tài)也是可能的。這條管顯示為完全灌漿（見圖3-右），這樣就再次令人滿意地證實了上面沖擊回波的數(shù)據(jù)解釋是正確的。
然而，對這同樣兩條管的混凝土保護層值的驗證，發(fā)現(xiàn)沖擊回波法估算的豎向位置是錯誤的：一個偏大，另一個偏小。對于部分灌漿預(yù)應(yīng)力管，芯樣實測的深度為97mm，而利用方程（7）重新計算沖擊回波值得到的深度為163mm，誤差達＋68％。對于其相鄰那條完全灌漿的預(yù)應(yīng)力管，較淺鋼筋束的實際深度在此例中剛好與管的深度一致，都是96mm。而利用沖擊回波法計算出的深度值為82mm（誤差：－15％）。
因此，如果要求混凝土中預(yù)應(yīng)力管的橫向位置必須準確，尤其是要求解釋預(yù)應(yīng)力管的灌漿情況必須可靠的話，那么兩條管的深度都不能夠令人滿意。
完全及部分灌漿預(yù)應(yīng)力管的混凝土保護層厚度的精度
通過以上討論表明，方程（7）和（8）不能準確地計算出部分灌漿和完全灌漿預(yù)應(yīng)力管的混凝土保護層厚度。特別地，所記錄的這2中類型預(yù)應(yīng)力管的信號頻率很相似，部分灌漿預(yù)應(yīng)力管的頻率幾乎是完全灌漿預(yù)應(yīng)力的兩倍－隱含在方程（7）和（8）的比較中－這一點沒有得到試驗數(shù)據(jù)的驗證。
因此，除了圖2所描述的方案之外，根據(jù)數(shù)據(jù)中記錄的頻率值，還需要對壓縮波在包含完全灌漿和部分灌漿預(yù)應(yīng)力管的混凝土中的傳播路徑根據(jù)經(jīng)驗加以考慮。
一個似是而非的解釋是：應(yīng)力波不是在混凝土/鋼筋束界面反射，而是沿著鋼筋束傳播，從而抵達離沖擊點較遠的另一邊的鋼筋束。然后，由于鋼筋束的散射，應(yīng)力波再傳播回到?jīng)_擊面。這意味著數(shù)據(jù)中所記錄的頻率值并不代表較淺部位鋼筋束的深度，而是最深部位鋼筋束的深度。不需要利用修改過的方程（8），只需通過方程（1）就可以計算出完全灌漿管的混凝土保護層厚度�？紤]到得到的值是混凝土保護層厚度加上鋼筋束直徑的總和：
dduct + Φtendons ＝ vp / 2frear tendon (9)
式中：dduct是完全灌漿預(yù)應(yīng)力管的保護層厚度，Φtendons是鋼筋束的直徑（能很快估算出來），frear tendon是最深部位鋼筋束的頻率
重新計算后，所得到的完全灌漿預(yù)應(yīng)力管的深度值得到大大改善，取Φtendons＝60mm，計算誤差僅在9mm以內(nèi)（≤＋5％）。
部分灌漿預(yù)應(yīng)力管的沖擊回波響應(yīng)要復雜得多，需要對雙曲線信號進行更清晰的解釋。由于灌漿中存在孔洞，此處腹板的剛度可能發(fā)生了改變，應(yīng)力波發(fā)生瞬時共振，沖擊前后均可以檢測到。傳感器放置于預(yù)應(yīng)力管上方，這樣就可以記錄到很突出的雙曲線特征。也可能是這種情況，在雙曲線區(qū)域的讀數(shù)站，剪切波也會有助于檢測預(yù)應(yīng)力管中的小缺陷。這是因為孔洞處的混凝土/空氣界面的阻抗差非常大。注意：剪切波振幅在與沖擊面大約成45°的方向上最大，其波長幾乎是縱波的一半。另外，此例中的缺陷邊界（其較大的橫向尺寸）幾乎與沖擊面垂直。如下式：
Dpart void = vs /2fpart void (10)
式中vs是剪切波波速（vs＝0.62 vp)，fpart void是對應(yīng)于預(yù)應(yīng)力管中小缺陷近沖擊點的反射頻率。
在此例中，考慮到缺陷深度為105mm，合理的計算表明：深度誤差可控制在5mm以內(nèi)（或5％）。
結(jié)論
掃描式?jīng)_擊回波，一種無損評估聲學技術(shù)，在現(xiàn)場用來檢測了后張預(yù)應(yīng)力混凝土梁，并實時得到了內(nèi)部有直徑67mm預(yù)應(yīng)力管的腹板的橫界面圖形。通過識別沖擊回波圖中的清晰信號模式，此方法成功地計算出了混凝土梁的厚度，并精確地確定了預(yù)應(yīng)力管的側(cè)向位置。此外，通過識別其中一個預(yù)應(yīng)力管中的孔洞和顯示出完全灌漿的預(yù)應(yīng)力管，它還準確評估了預(yù)應(yīng)力管的灌漿情況。通過事后對此梁提取大芯樣，證實了此法對完全灌漿和部分灌漿預(yù)應(yīng)力管的區(qū)分是非常可靠的。試驗數(shù)據(jù)的2-D圖形化處理，能夠得到其雙曲線特征。這可以被看作是判定內(nèi)部帶有小缺陷的部分灌漿預(yù)應(yīng)力管的一個新原則。
更進一步地，還作出了一個新假定：在預(yù)應(yīng)力管的混凝土周圍發(fā)生的剪切波反射和壓縮波散射，很可能是對在沖擊回波測試中壓縮波反射性能的重要補充。這樣，后張預(yù)應(yīng)力管的混凝土保護層厚度的精度大大提高。需要在這方面做更近一步的檢測，并與理論預(yù)測進行比較。
致謝
此文包括了前BAM(德國混凝土研究中心)員工在BASt研究工程FE 86.017/2000/B4所做研究工作得到的資料。工程由BASt及工程官員J.Krieger博士資助，作者表示深切的謝意！此外BAM也提供了試驗設(shè)施。
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