桥梁预应力管道无损检测方法综述

刘芹

西华大学土木建筑与环境学院 成都 610039

摘要：在桥梁工程中，预应力管道的灌浆质量严重影响桥梁的安全和耐久性能。传统的检测方法是钻孔取芯，不能反映结构的全部情况，且会对桥梁造成损害。为了提高检测效率和精度，根据国内外探地雷达法和冲击回波法技术的发展，总结了两种技术的钢筋混凝土结构检测方面的研究和应用。探地雷达具有高效，简便的特点，但对预应力管道灌浆密实度的研究较少，而冲击回波法检测精度高，但工作量大。将探地雷达法和冲击回波法联合运用于桥梁预应力管道的检测中，更有利于其缺陷位置的确定和减小检测的误差。

关键词：预应力管道；无损检测；探地雷达；冲击回波法

预应力桥梁近50年以来发展迅速，在中、小跨度范围内已有绝对优势，在大跨度范围内也正在同钢桥展开激烈竞争。但由于预应力钢绞线锈蚀，压浆质量不佳，管道出现裂缝等造成多起桥梁安全事故^[1]，如欧洲的Ynys-y-Gwas大桥，由于预应力管道注浆不饱满，钢绞线锈蚀严重导致坍塌^[2]，所以对预应力孔道的灌浆密实度进行检测是很有必要的。目前对桥梁灌浆质量的检测方法主要是钻芯取样法，该方法不仅会破坏混凝土结构，而且只能对某一位置灌浆密实度进行检测。而冲击回波法能达到既不破坏混凝土结构，又能检测结构内部安全隐患的目的^[3]。目前关于预应力桥梁的检测并没有较为成熟的无损方法，所以针对这一问题，从探地雷达和冲击回波法两种方法对预应力管道进行总结阐述。

1.探地雷达方法

1.1探地雷达工作原理

探地雷达（Ground Penetrating Radar简称GPR）^[4]是通过发射周期性高频脉冲电磁波确定地下介质分布的一种地球物理勘探方法。其原理在于利用发射天线发射电磁波，接收天线接收由地下介质反射回来的电磁波。电磁波在介质中的传播路径、电磁强度、

波形会因为介质的介电常数不同而发生变化。因此我们可以根据波的双程走时、振幅与波形来判断地下特征，推断介质结构。其中探地雷达的主要理论依靠于电磁波在介质中的传播特征。

图
1 探地雷达剖面法示意图

1.2探地雷达国内外研究

探地雷达技术在国外最早应用是在二十世纪初期，1904年Hulsmeyer^[5]首先使用电磁波信号对地下金属目标体进行探测。1926年Hulsenbech在研究电磁脉冲技术时发现，电磁波在不同介电常数的介质中传播时会发生反射，这个发现也成为了探地雷达无损检测技术的基本理论依据。从70年代开始，随着电磁波的深入研究和现代应用电子技术的兴起，探地雷达技术得到快速发展。到80年代，探地雷达就已运用在土木工程、物理勘探、水文调查、地质勘察等科技工程领域。P.Shaw和J.Bergstorm^[6]将灌注水泥砂浆的管道埋入混凝土试件的钢筋网中，利用探地雷达可定位管道位置，分辨其埋置深度和钢筋间距。

我国探地雷达技术研究和使用的起步时间较晚，20世纪70年代才开始对探地雷达有所研究，煤炭科学研究总院重庆分院在国内成立首个探地雷达专题小组，针对煤矿生产研发了KDL系列矿井防爆雷达仪。20世纪80年代末首次从国外引进相关技术设备，科研单位和院校逐步开展探地雷达探测试验工作，到90年代我国对探地雷达的应用研究已有一定成效。到本世纪初，我国在探地雷达研制方面已取得了一定成果，航天部爱迪尔公司，国防科技大学，骄鹏公司等公司生产出的探地雷达的性能指标已经可以和国外技术相当，甚至在整个国际领域上都有一定的竞争力。

目前探地雷达技术已广泛应用到隧道衬砌质量检测、隧道掌子面开挖超前预报、路基路面厚度和内部缺陷检测等工程领域，但对于后张法预应力管道中的波纹管灌浆密实度检测还处于初步研究阶段。

2.冲击回波法

2.1冲击回波法工作原理

冲
击回波等效波速法（Impact Echo Equivalent Velocity method, IEEV）^[7]是利用激振锤敲击结构表面产生瞬时应力波，应力波中的纵波（P波）传播过程遇到声阻抗差异较大的介质会发生反射和绕射^[11,12]。当遇到预应力管道灌浆不密实的情况时，由于不同界面的声阻抗不同，应力波就会在缺陷界面产生反射和绕射，将接收到的信号进行傅里叶频谱变换，从而确定出预应力孔道内的注浆密实度。

图2 冲击回波等效波速法(IEEV)检测原理

2.2冲击回波法国内外研究

冲击回波法理论于上个世纪八十年代在美国康奈尔大学首次提出。1996年Marry Sansalone等学者在研究应力波传播规律时发现，传播介质的声阻抗大小会影响应力波的反射系数，不同声阻抗的介质交界面的应力波反射频率也不同。到1997年美国材料试验协会发布了一项规范，此规范定义说明了冲击回波法检测混凝土板的可行性，并说明了在介质内部传播的应力波波速规律变化

^[8]。这些基础研究使得冲击回波在无损检测领域开始迅速发展。2006年日本熊本大学和德岛大学学者基于冲击回波原理开发出堆栈成像法(SIBIE)。该方法可较为精确地辨识塑料管道内部缺陷，且提出可利用探地雷达检测验证堆栈成像法的检测结果，但其研究中未考虑管道内预应力钢筋的影响。

国内关于冲击回波无损检测方法的研究工作起步时间较晚，1989年南京水利科学研究院开发了第一代基于冲击回波原理的检测仪器IES-A型反射测试仪，该仪器用于测量混凝土结构厚度和内部缺陷。2001年肖国强等人通过室内模型检测证明了冲击回波对混凝土结构厚度检测的准确性^[9]。2003年，傅翔、王五平等对某长江斜拉桥的索塔横梁内的预应力管道灌浆密实度进行了检测，并制作了室内模型进行对比，验证冲击回波法检测有效度高^[10]。2011年张志清等利用IES检测仪对桥面铺装层内部缺陷进行检测，证明冲击回波对混凝土结构检测相对于其他无损检测方法的优越性^[11]。

如今冲击回波法在检测领域已开展较多理论研究和检测工作，应用于各种室内模型和实际预应力桥梁工程，但是混凝土内缺陷深度位置并不能够准确定位，且混凝土结构本身不密实和管道内的灌浆空洞无法在检测中进行区分，导致针对预应力管道灌浆密实度的检测效率较低。

3.结论

通过研究探地雷达和冲击回波法对桥梁预应力管道的检测，发现探地雷达法探测效率高，但对金属的检测存在盲区，金属对其检测起到一定的屏蔽作用，而冲击回波法由于是对检测物的每一个检测点进行敲击，会导致工作量明显增大，而目前关于桥梁预应力管道的综合检测较少，两种检测方法可相互印证，故在试验过程中可以先利用探地雷达对管道进行定位，在利用冲击回波法在管道上方进行检测。

参考文献

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