预应力混凝土梁多功能检测仪介绍

2.5 混凝土材质
针对混凝土质量的检测与灌浆密实度一样，也是采用冲击弹性波作为测试媒介。 通 过测试弹性波的波速，据此计算材料的动弹性模量和推算相应的静弹模，进而根据弹模 与压缩强度的相关关系推算混凝土的抗压强度。 对于 1 维均质弹性体，其弹性模量 E 与弹性波 P 波波速 VP1 的关系可以表示为：
3
图 2 - 1-3 标 定 设 定 界
图 2 - 1-4 测 试 波 形 及 解 析 图
图 2 - 1-5 张 力 -频 率 关 系
图 2 - 1-6 等 效 质 量 法 回 归 关 系
2.2 灌浆密实度检测
预应力梁：通过弹性波的传播、反射特性，可以对预应力梁的孔道灌浆密实度进行 定性检测和定位检测
为了定性测试的结果定量化，我们引入了灌浆指数 I f 。当灌浆饱满时， I f 1 ， 而 完全未灌时， I f 0 。因此，上述各方法可得到相应的灌浆指数 I EA ， I PV 和 I TF 。同时， 综合灌浆指数可以定义为：
I f I EA I PV I TF
1/ 3
注 -1
全灌浆时值 混凝土实测波速 0.02 1.00
注-2
无灌浆时值 5.01
注-4
0.20 3.00
7
激振频率
注-3
（KHz）
2.0
4.0
注-1：参考 2-3-1 的模型试验和其他验证试验所定； 注-2：梁不同部位的混凝土的 P 波波速有一定的不同； 注-3：采用 SPC-MATS 配置的激振导向器和 D50 锤激振而且充分张拉时； 注-4：根据钢绞线的模量（196GPa）推算，并结合实际测试验证；
灌浆密实
灌浆有缺陷
未灌浆
8
图 2 - 2-9 冲 击 回 波 法 测 试 原 理 根据反射信号及等效速度的特点，不仅能够检测缺陷的位置，还可以推断灌浆缺陷 的类型（空洞型或松散型）和规模大小。 表 2 - 2-3 缺 陷 类 型 的 区 分 管道处的反射信号 明显 慢 正常 不明显 慢 松散缺陷：无明显空洞的材质松散型缺陷 大缺陷：有大规模、连续性空洞 没有明显缺陷 等效波速 正常 缺陷定义、类型 小缺陷：有小规模空洞、空洞不连续
5
测 试 速 度
锚索自身的 P 波速度（约为 5.1km/s）
混凝土的 P 波速度 （约为 4-4.6km/s） 灌浆密实度
图 2-2 - 3 全 长 波 速 法 测 试 示 意 图
图 2-2- 4 解析设定
图 2-2- 5 测试波形
3) 传递函数法（PFTF） 在预应力梁的一端激振，如果接收端存在不密实情况，会在接收端产生高频振荡。 因此，通过对比接收信号与激发信号相关部分的频率变化，可以判定锚头两端附近的缺 陷情况。此外，该方法测试的区域（锚头附近的钢绞线） ，恰恰是定位测试（IEEV）法 较为困难的测试区域。 当然，在激振端附近的钢绞线也存在灌浆不密实现象时，激振端的传感器拾取的振 动信号的频率也会增加。
VP1
E

(2-5-1)
其中， 为材料的密度，对于混凝土， 一般为 2400kg/m3 左右。当测试对象为 2 维或 3 维时，P 波速度有一定的变化。
2 维： V p 2
Ed (1 2 )
(2-5-2)
11
3 维： VP 3
Ed


(1 ) (1 )(1 2 )
10
激振信号
A：灌浆良好 1） 自振周期长、频率低； 2） 信号衰减快、持续时间短
自由振动信号
激振信号
B：灌浆不良 1） 自振周期短、频率高； 2） 信号衰减小、持续时间长
杆底反射信号
图 2-3 - 2 测 试 原 理
2.4 锚索（杆）长度检测
基于弹性波的反射特性检测锚索（杆）长度，在锚索（杆）露出端上激振与受信， 根据反射信号的位置（图 2-3-2B）来测试锚索（杆）长度。
（2-5-3）
一般来说，VP 3 : VP 2 : VP1 1.05 : 1.02 : 1 。需要指出的是，上面得到的是材料在小应 ，而非静弹性模量 E 。对于钢材这样的均质弹性材料，Ed 变条件下的动弹性模量（ Ed ） 与 E 非常接近，而对于混凝土这样的非线性材料而言， Ed 与 E 之间则有一定的差异。 根据 Edward 教授 系：
预应力混凝土结构
灌浆密实度
锚索（杆）长度检测 混凝土材质 混凝土结构 结构尺寸 混凝土缺陷
2.1 张力测试
我们将锚头、垫板等简化为如下的模型。即将锚头与垫板、垫板与后面的混凝土或 岩体的接触面模型化成如下的弹簧支撑体系。 该弹簧体系的刚性 K 与张力（有效预应力）有关，当然张力越大， K 也越大。另 一方面，在锚头激振诱发的系统基础自振频率 f 可以简化表示为
冲击回波法的基本概念在 90 年代即被提出。我们在此基础上，通过改进频谱分析 方法和增加“等效波速”的判断技术，从而大幅提高了该方法的测试精度和应用范围， 并已申请国家发明专利。
图 2 - 2-10 区 域 测 试 波 形
图 2 - 2-11 缺 陷 定 位 频 谱 测 试 图
2.3 横（竖）向预应力孔道灌浆密实度检测
小型化平台
笔记本平台
照 片 1-0-1 预 应 力 混 凝 土 梁 多 功 能 检 测 仪 （ SPC-MATS ）1Fra bibliotek第2章
检测基本原理
表 2- 0-1 预应力混凝土梁多功能检测仪测试项目及方法一览 测试项目 张力测试 测试方法 等效质量法 等价波速法 全长波速法 全长衰减法 传递函数法 局部衰减法（横竖向） 反射能量法（横竖向） 单一反射法 双面透过法 单面反射法 单面传播法 冲击回波法 弹性波雷达法（EWR） 计算机层析法（CT）
2.2.1 定性测试
定性测试包括全长衰减法（FLEA） 、全长波速法（FLPV）和传递函数法（PFTF） 。 这 3 种方法可以在一次测试中同时完成，通过相互之间的印证，可以提高测试精度。
图 2-2-1 定 性 测 试 示 意 图 1) 全长衰减法（FLEA） 一般情况下，能量比越小，灌浆越密实。如果孔道灌浆密实度较高，能量在传播过 程中逸散的越多，衰减较大。如果孔道灌浆密实度较低，能量在传播过程逸散较少， 衰
2.5.1 单面（重复）反射法
在被测混凝土结构的壁厚既知的前提下，利用弹性波的重复反射，可测出弹性波在 被测混凝土试件的传播时间和弹性波波速，从而计算出混凝土的弹性模量，进而能够推 算混凝土的强度指标。该方法也称“冲击回波法” ，具有测试效率高、测试结果客观性 强的特点，可优先采用。
图 2-2 - 6 传 递 函 数 法 的 测 试 概 念
6
图 2-2 - 7 测 试 波 形 示 意 4) 灌浆指数 I f 上述各定性测试方法各有特色，尽管测试原理不同，但测试方法完全一样。因此， 根据一次的测试数据可以同时得到 3 种方法的测试结果。 表 2 - 2-1 灌 浆 密 实 度 定 性 测 试 方 法 比 较 方法 全长衰减法（FLEA） 为敏感 测试结果较为稳定，适合测试 全长波速法（FLPV） 大范围缺陷 传递函数法（PFTF） 能够测试锚头附近的灌浆缺陷 钝感 测试范围较小 素多 测试原理不严密，对缺陷较为 优点 测试原理明确、对灌浆缺陷较 缺点 测试结果离散性较大，影响因
对于横向预应力锚索，外力激振后会引起钢绞线的自由振动。当未灌浆时，钢绞线 处于自由状况，其自振频率较高（图 2-3-2B） 。而灌浆饱满时，由于附加质量的影响， 其自振频率会有明显的降低（图 2-3-2A） 。
2.3.2 基于能量衰减的测试方法
对于横向预应力锚索和竖向预应力锚杆， 外力激振信号的衰减速度与灌浆密实度有 较大的关系。当未灌浆时，锚索（杆）中的弹性波逸散面小，能量衰减慢，因此其振动 持续时间长（图 2-3-2B） 。而灌浆饱满时，弹性波逸散面大，能量衰减快，因此其振动 持续时间短（图 2-3-2A） 。
2.2.2 定位测试
根据定性测试的结果，对有缺陷的管道再利用冲击回波等效波速法（IEEV）对管道 灌浆缺陷进行定位测试。定位测试沿着管道的上方或侧方，以扫描的形式连续测试（激 振和受信） ，通过反射信号的特性测试管道内灌浆的状况。
：激振点 ：测线 ：传感器
图 2-2 - 8 灌 浆 密 实 度 的 定 位 测 试 IEEV 法利用在波纹管上部激振时，根据弹性波的反射特性来判断缺陷的具体位置。 当管道灌浆存在缺陷时， 1) 激振的弹性波在缺陷处会产生反射； 2) 激振的弹性波从梁底部反射回来所用的时间比灌浆密实的地方为长，即用梁长 得到的等效波速慢。
（2-1）
只要某一项的灌浆指数较低，综合灌浆指数就会有较明显的反映。通常，灌浆指数 大于 0.95 一般意味着灌浆质量较好，而灌浆指数低于 0.85 则表明灌浆质量较差。 此外，灌浆指数是根据基准值而自动计算的，因此，基准值的选定是非常重要的。 不同形式的锚具、 梁的形式以及孔道的位置都会对基准值产生影响， 所用在条件许可时， 进行相应的标定或通过大量的测试并结合数理统计的方法确定基准值是非常理想的。 表 2-2 - 2 灌 浆 指 数 的 基 准 值 方法 全长波速法 全长衰减法 传递函数法 项目 波速（km/s） 能量比 频率比（F1/F0）
图 2 - 1-1 预 应 力 测 试 的 基 本 理 论
低张力时，振动体 系小
低张力时，振动体 系大
图 2 - 1-2 等 效 质 量 法 的 基 本 概 念 在此基础上，我们提出了基于“等效质量”原理的有效张力测试理论和测试方法。 利用激振锤（力锤）敲击锚头，并通过粘贴在锚头上的传感器拾取锚头的振动响应， 从 而能够快速、简单地测试锚索（杆）的现有张力。
第1章
设备主要功能及用途
在预应力混凝土梁的制作中， 管道灌浆的密实度和混凝土的浇筑质量保证是非常重 要的。我们历时 10 余年，与国内外相关机构合作开发了一整套针对这两项关键问题的 预应力混凝土梁多功能检测仪。 该设备基于无损检测技术， 具有测试效率高、 可靠性好、 对结构无损伤等特点，可以大大地提高预应力梁的质量保证度。 该技术体系主要功能及用途包括： 1) 检测预应力孔道灌浆密实度。 2) 检测混凝土浇筑质量（构件、试件的强度、模量） 。 3) 检测锚固应力。 4) 检测混凝土结构尺寸及内部缺陷。 5) 用于预应力梁质量管理，提高工程质量。 6) 用于施工过程监控，及时发现问题，以便补救或施工质量改进。 7) 用于施工质量检查。 整个技术体系采用冲击弹性波作为测试媒介，并集成到一套测试设备中（预应力混 凝土梁多功能检测仪，SPC-MATS） 。其测试精度和效率达到工程要求，已在国内外数十 个桥梁工程中得到了实际应用。