预应力管道压浆饱满度状况的定量检测装置和方法

预应力管道压浆饱满度状况的定量检测装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测装置及方法，该方法包括定位预应力钢筋、布置预应力管道测线及测点、测定混凝土构件中冲击回波触底平均反射时间、测量预应力管道冲击回波触底反射时间和利用预应力管道压浆饱满度计算模型计算压浆饱满度，预应力管道压浆饱满度计算模型为f=Kt+b，t为预应力管道冲击回波触底反射时间与混凝土构件中冲击回波触底平均反射时间之比，该计算模型通过测定并计算预应力管道压浆饱满度f为0、50%、100%时的t，将t与灌浆饱和度f进行线性拟合得到，通过本发明，解决了现有技术中冲击回波法只能完成缺陷的定性判断、测试结果可靠性低的问题,使预应力管道压浆饱满度测量的相对误差<5%。
【专利说明】预应力管道压浆饱满度状况的定量检测装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测装置和方法，特别是涉及一种应用于桥梁预应力管道的预应力管道压浆饱满度状况的定量检测装置和方法。
【背景技术】
[0002]对于预应力混凝土连续箱梁桥混凝土主梁内的体内预应力钢束，采用后张法、有粘结的预应力施工方法。为了保证预应力钢束与周围混凝土良好结合并共同工作，预应力钢束与混凝土之间的粘结是通过在预应力钢束张拉后，灌入高性能的水泥浆硬化后形成的，同时饱满的水泥浆既可避免预应力钢束锈蚀，提高预应力混凝土结构的耐久性，又保证了预应力钢束与混凝土共同工作。但目前预应力孔道压浆不饱满的情况普遍存在，由此引起预应力钢束的锈蚀、锚头应力集中和随时间推移的预应力损失等病害。如不及时检测出预应力钢束的使用状态，评估其对结构耐久性的影响程度，则可能影响结构的受力状态，降低桥梁的承载力，影响桥梁的使用寿命。因此预应力桥梁的预应力管道压浆质量检测，是确保桥梁施工质量达到设计要求和运营合理受力状态的一个重要控制环节。预应力钢束属隐蔽工程，管道内的灌浆质量的控制，通常比较表观地在浇筑工艺和浇筑现场进行质量控制，一旦混凝土浇筑成型，则无法对其内部可能存在的质量问题进行检测，这也为以后的桥梁养护增加了成本。
[0003]目前，国内外检测体内预应力钢束孔道压浆密实度状况的方法主要有:冲击回波法、超声波法、探地雷达法、射线法等。①冲击回波法是利用一个短时的机械冲击产生低频的应力波，应力波在构件表面、内部缺陷表面或构件表面底部边界之间来回反射，从而产生瞬态共振，其共振频率能在振幅谱中辨认出，并用此确定内部缺陷的深度和构件的厚度。此方法具有不受金属管线的影响，测试范围大、对外界操作环境要求较低等优点。②超声波法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。该方法适用于多种检测方式(单面、双面、透过、反射等)，但超声波无法穿透塑料波纹管，因为不适用于塑料波纹管道内部压浆状况的检测③探地雷达法通过发射天线向地下发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的界面时发生反射，根据接收到电磁波的波形、振幅强度和时间的变化特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。该法由于其技术较为成熟，对金属敏感等优点，从而在混凝土无损检测中得到了广泛的应用。但是，预应力梁有两类灌浆管道，即金属材质管和PVC材质等非金属管。电磁波的传播和反射主要依存于材料的诱电特性，由于金属管的诱电率极大，对内部的状况有很大的屏蔽，所以电磁波雷达不适用于金属管道的灌浆检测。④射线法利用不同物质对X光(或Y射线)的吸收率有所差异来测试，即充填密实的部分对X光的吸收率高，从而感光度较低,有空洞的部分则相反,感光度较高。由于X光成像技术测试结果鲜明直观、判断准确率高，因此很早就被尝试应用。但是，X光成像设备复杂，有一定的辐射。Y射线成像技术的测试原理与X光成像的测试原理相同，只是Y射线的穿透力更高，可以测试更厚的梁板。但Y线的测试设备一般更加复杂，辐射大，目前已很少实际应用。
[0004]冲击回波方法测试结果较好且易用性较好，但是现有的技术水平大多采用用快速傅里叶变换(FFT)将时域波形转化为幅度谱，从而获得换能器接收到的冲击回波频率，对于缺陷的判断还停留于有无，或凭经验大致判断缺陷的大小、位置，即还处于缺陷的定性阶段，这使得其测试结果一直不尽如人意。

【发明内容】

[0005]为克服上述现有技术存在的不足，本发明之主要目的在于提供一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测装置和方法，通过建立预应力管道的压浆饱满度与冲击回波触底反射时间的关系模型，定量测定预应力管道的压浆饱满度，解决现有技术中冲击回波法只能完成缺陷的定性判断、测试结果可靠性低的问题，本发明之预应力管道压浆饱满度测量的相对误差〈5%。
[0006]为达上述及其它目的，本发明提出一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测装置，包括发射电路、低频应力脉冲激发器、信号放大器、低频应力脉冲接收器、可编程滤波器、电荷放大器、A/D转换器、数据采集器、数据存储器、DSP处理器及CPU，所述低频应力脉冲激发器置于混凝土构件表面紧靠所述低频应力脉冲接收器，所述低频应力脉冲接收器置于混凝土构件的测点上，所述CPU的信号输出端连接所述发射电路的输入端，所述低频应力脉冲激发器经所述发射电路的输出端产生低频的应力波，应力波传播到混凝土结构内部后经构件底面反射回来，反射波经过所述信号放大器被置于混凝土构件的测点上的所述低频应力脉冲接收器的输入端接受，所述低频应力脉冲接收器的信号输出端将低频应力波经所述可编程滤波器、所述电荷放大器和所述A/D转换器传送至所述数据采集器，所述数据采集器将采集到的信号送入所述数据存储器中，所述DSP处理器将数据存储器中的电信号根据所述CPU中的控制器进行信号处理，所述CPU中的记忆装置存储所述DSP处理器处理完成的信号，所述CPU中的运算器用于根据标定公式计算管道的压浆饱满度。
[0007]进一步地，所述定量检测装置还包括操作键盘及显示器，所述操作键盘用于外部数据输入，所述显示器用于实时显示低频应力波的扫描波形及预应力管道压浆饱满度的测试结果。
[0008]为达到上述目的，本发明还提供一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测方法，包括如下步骤:
步骤一，利用高频电磁波激发装置和接收装置向混凝土构件发射高频电磁波，通过信号接收器接收反射回来的电磁波，根据接收到的电磁波信号确定预应力钢筋的位置和走向；
步骤二，在混凝土构件的上表面沿预应力钢束的走向布置混凝土构件测线I和预应力管道测线2及测点位置；
步骤三，测定混凝土构件中冲击回波触底平均反射时间tp ；
步骤四，测定预应力管道中冲击回波触底反射时间\；
步骤五，根据所述混凝土构件中冲击回波触底平均反射时间％和所述预应力管道中冲击回波触底反射时间tp测定预应力管道在不同灌浆情况的条件下所述预应力管道中冲击回波触底反射时间\与所述混凝土构件中冲击回波触底平均反射时间tp的比值与压浆饱满度的对应关系，由标定结果获得预应力管道压浆饱满度的计算模型，所述预应力管道压衆饱满度的计算模型为f=Kt+b,其中，f为预应力管道的压衆饱满度,K为时间系数，t为预应力管道冲击回波触底反射时间\与混凝土构件中冲击回波触底平均反射时间tp之比，b为关系常数；
步骤六，采集所测预应力管道各测点的触底反射时刻，根据预应力管道压浆饱满度的计算模型，计算各测点的压浆饱满度状况；
步骤七，将各个测点的压浆饱满度状况连线，构成整根管道的压浆状况。
进一步地，于步骤七中，相邻两测点的压浆饱满度状况相差大于指定比值，在两测点间增加测点个数，再连线反映这部分管道的压浆状况。
[0009]进一步地，所述步骤一包括如下步骤:
(1)利用探地雷达的发射天线向地下发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的界面时发生反射，根据接收到电磁波的波形、振幅强度和时间的变化特征推断桥梁结构中预应力钢筋的空间位置和埋置深度，在混凝土表面做记号标志；
(2)将记号标志连成线，确定预应力钢筋的位置。
[0010]进一步地,于步骤二中，沿预应力钢束的走向在距离构件边缘10~20cm处,没有预应力管道的混凝土构件上表面布置测线1，或在两个预应力管道中轴线中间位置对应的混凝土构件上表面布置测线I及测点，二者选其一；沿预应力钢束的走向在混凝土构件上表面对应预应力管道的位置布置测线2，测线I和2上均匀设置测点。
[0011]进一步地，于步骤三中，以混凝土构件为测定对象，在所述混凝土构件中冲击回波测线I的测点处设置低频应力脉冲激发装置和低频应力脉冲接收装置，待低频应力脉冲接收装置接收到共振波信号时，记录标定所述混凝土构件中冲击回波触底反射时间tpi，沿所述混凝土构件中冲击回波测线I同时移动所述低频应力脉冲激发装置和所述低频应力脉冲接收装置，测定各测点处的回波触底反射时间tpi并计算其平均值，记为混凝土构件中冲击回波触底平均反射时间tp。
[0012]进一步地，于步骤四中，以预应力管道为测定对象，在所述预应力管道中冲击回波测线2的测点处安装低频应力脉冲激发装置和低频应力脉冲接收装置，产生低频的应力脉冲，传播到结构内部后被构件底面反射回来，应力波在构件顶面、管道内部、构件底面的边界之间来回反射产生瞬态共振，待得到共振波的触底反射时间tp沿所述预应力管道中冲击回波测线2同时移动所述低频应力脉冲激发装置和所述低频应力脉冲接收装置，测定各测点处的\值。
[0013]进一步地，于步骤五中，所述预应力管道压浆饱满度的计算模型的确定方法为:设定预应力管道压浆饱满度为不灌浆、50%灌浆、100%灌浆，测定所述预应力管道中冲击回波触底反射时间\和混凝土构件中冲击回波触底平均反射时间tp，计算预应力管道冲击回波触底反射时间\与混凝土构件中冲击回波触底平均反射时间tp之比t，以比值t为横坐标，灌浆饱和度f为纵坐标，将比值t与灌浆饱和度f进行线性拟合得到所述预应力管道压浆饱满度的计算模型，其中，当f≥100%时，取f=100% ;当f?≤0%时，取f=0%。
[0014]进一步地，步骤三和步骤四中所述低频应力脉冲激发装置为钢锤，采用单点式冲击回波法，所述钢锤的激振频率的选择与混凝土构件的厚度有关。[0015]与现有技术相比，本发明一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测装置和方法通过建立预应力管道的压浆饱满度与冲击回波触底反射时间的关系模型，定量测定预应力管道的压浆饱满度，解决了现有技术中冲击回波法只能完成缺陷的定性判断、测试结果可靠性低的问题，使得预应力管道压浆饱满度测量的相对误差〈5%。
【专利附图】

【附图说明】
图1为本发明一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测装置之较佳实施例的架构示意图；
图2为本发明一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测方法的步骤流程图；
图3为本发明较佳实施例中测线及测点的布置示意图；
图4为本发明较佳实施例中激振产生低频应力波的示意图；
图5为本发明的预应力管道的压浆状况示意图；
图6a至图6c为本发明中各不同预应力管道的压浆饱满度的计算模型的线性拟合示意
图；
图7a至图7c分别为本发明具体实施例1的测线I的测点布置、测线2的测点布置及整根预应力管道的压浆饱满度状况示意图；
图8a至图Sc分别为本发明具体实施例2的测线I的测点布置、测线2的测点布置及整根预应力管道的压浆饱满度状况示意图；
图9a至图9c分别为本发明具体实施例3的测线I的测点布置、测线2的测点布置及整根预应力管道的压浆饱满度状况示意图。
附图标记:1_发射电路、2-低频应力脉冲激发器、3-信号放大器、4-低频应力脉冲接收器、5-可编程的滤波器、6-电荷放大器、7-A/D转换器、8-数据采集器、9-数据缓存器、10-DSP处理器、11-CPU、12-存储器、13-操作键盘、14-显示器、15-测试对象。
【具体实施方式】
[0016]以下通过特定的具体实例并结合【专利附图】

【附图说明】本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
[0017]图1为本发明一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测装置之较佳实施例的架构示意图。如图1所示，本发明一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测装置，包括:发射电路(I)、低频应力脉冲激发器(2)、信号放大器(3)、低频应力脉冲接收器(4)、可编程的滤波器(5)、电荷放大器(6)、A/D转换器(7)、数据采集器(8)、数据缓存器(9)、DSP处理器(10)、CPU (11)、存储器(12)、操作键盘(13)、显示器(14)。
[0018]低频应力脉冲激发器(I)置于混凝土构件表面紧靠低频应力脉冲接收器(3)，低频应力脉冲接收器(3)置于混凝土构件的测点上。CPU(Il)的信号输出端连接发射电路(I)的输入端，低频应力脉冲激发器(2)经发射电路(I)的输出端产生低频的应力波，应力波传播到混凝土 (测试对象15)结构内部后经构件底面反射回来，反射波经过信号放大器(3)被置于混凝土构件的测点上的低频应力脉冲接收器(4)的输入端接受，低频应力脉冲接收器(4)的信号输出端将低频应力波经可编程滤波器(5)、电荷放大器(6)和A/D转换器(7)传送至数据采集器(8)，数据采集器(8)将采集到的信号送入数据缓存器(9)中，DSP处理器
(10)将数据缓存器(9)中的电信号根据CPU (11)发出的控制指令进行信号处理，CPU (11)根据DSP处理器(10)处理完成的信号数据和存储器(12)中存储的标定公式(计算模型)，计算管道的压浆饱满度。存储器(12)用于存储标定公式及计算结果，操作键盘(13)用于外部数据输入；显示器(14)用于实时显示低频应力波的扫描波形及预应力管道压浆饱满度的测试结果。
在本发明较佳实施例中，低频应力脉冲接收器(3)的参数特征如表1，但不以此为限。
表1
【权利要求】
1.一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测装置，其特征在于:所述定量检测装置包括发射电路、低频应力脉冲激发器、信号放大器、低频应力脉冲接收器、可编程滤波器、电荷放大器、A/D转换器、数据采集器、数据缓存器、DSP处理器、存储器及CPU，所述低频应力脉冲激发器置于混凝土构件表面紧靠所述低频应力脉冲接收器，所述低频应力脉冲接收器置于混凝土构件的测点上，所述CPU的信号输出端连接所述发射电路的输入端，所述低频应力脉冲激发器经所述发射电路的输出端产生低频的应力波，应力波传播到混凝土结构内部后经构件底面反射回来，反射波经过所述信号放大器被置于混凝土构件的测点上的所述低频应力脉冲接收器的输入端接受，所述低频应力脉冲接收器的信号输出端将低频应力波经所述可编程滤波器、所述电荷放大器和所述A/D转换器传送至所述数据采集器，所述数据采集器将采集到的信号送入所述数据缓存器中，所述DSP处理器将数据存储器中的电信号根据所述CPU发出的控制指令进行信号处理，所述CPU根据所述DSP处理器处理完成的信号数据和所述存储器中存储的标定公式，计算管道的压浆饱满度。
2.如权利要求1所述的一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测装置，其特征在于:所述定量检测装置还包括操作键盘及显示器，所述操作键盘用于外部数据输入，所述显示器用于实时显示低频应力波的扫描波形及预应力管道压浆饱满度的测试结果。
3.一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测方法，包括如下步骤: 步骤一，利用高频电磁波激发装置和接收装置向混凝土构件发射高频电磁波，通过信号接收器接收反射回来的电磁波，根据接收到的电磁波信号确定预应力钢筋的位置和走向； 步骤二，在混凝土构件的上表面沿预应力钢筋的走向布置混凝土构件测线I和预应力管道测线2及测点位置； 步骤三，测定混凝土构件中冲击回波触底平均反射时间tp ；` 步骤四，测定预应力管道中冲击回波触底反射时间\； 步骤五，根据所述混凝土构件中冲击回波触底反射平均反射时间tp和所述预应力管道中冲击回波触底反射时间测定预应力管道在不同灌浆情况的条件下所述预应力管道中冲击回波触底反射时间t与所述混凝土构件中冲击回波触底平均反射时间tp的比值与压浆饱满度的对应关系，由标定结果获得预应力管道压浆饱满度的计算模型，所述预应力管道压浆饱满度的计算模型为f=Kt+b，其中，f为预应力管道的压浆饱满度，K为时间系数，t为预应力管道冲击回波触底反射时间\与混凝土构件中冲击回波触底平均反射时间％之t匕，b为关系常数； 步骤六，采集所测预应力管道各测点的触底反射时刻，根据预应力管道压浆饱满度的计算模型，计算各测点的压浆饱满度状况； 步骤七，将各个测点的压浆饱满度状况连线，构成整根管道的压浆状况。
4.如权利要求3所述的一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测方法，其特征在于:于步骤七中，若相邻两测点的压浆饱满度状况相差大于指定比值，在两测点间增加测点个数，再连线反映这部分管道的压浆状况。
5.如权利要求3所述的一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测方法，其特征在于，所述步骤一包括如下步骤: (I)利用探地雷达的发射天线向地下发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的界面时发生反射，根据接收到电磁波的波形、振幅强度和时间的变化特征推断桥梁结构中预应力钢筋的空间位置和埋置深度，在混凝土表面做记号标志； (2)将记号标志连成线，确定预应力钢筋的位置。
6.如权利要求3所述的一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测方法，其特征在于:于步骤二中，沿预应力钢束的走向在距离构件边缘10~20cm处，没有预应力管道的混凝土构件上表面布置测线1，或在两个预应力管道中轴线中间位置对应的混凝土构件上表面布置测线I ;沿预应力钢束的走向在混凝土构件上表面对应预应力管道的位置布置测线2，测线I和2上均匀设置测点。
7.如权利要求6所述的一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测方法，其特征在于:于步骤三中，以混凝土构件为测定对象，在所述混凝土构件中冲击回波测线I的测点处设置低频应力脉冲激发装置和低频应力脉冲接收装置，待低频应力脉冲接收装置接收到共振波信号时，记录标定所述混凝土构件中冲击回波触底反射时间tpi，沿所述混凝土构件中冲击回波测线I同时移动所述低频应力脉冲激发装置和所述低频应力脉冲接收装置，测定各测点处的回波触底反射时间tpi并计算其平均值，记为混凝土构件中冲击回波触底平均反射时间tp。
8.如权利要求7所述的一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测方法，其特征在于:于步骤四中，以预应力管道为测定对象，在所述预应力管道中冲击回波测线2的测点处安装低频应力脉冲激发装置和低频应力脉冲接收装置，产生低频的应力脉冲，传播到结构内部后被构件底面反射回来，应力波在构件顶面、管道内部、构件底面的边界之间来回反射产生瞬态共振，待得到共振波的触底反射时间沿所述预应力管道中冲击回波测线2同时移动所述低频应力脉冲激发装置和所述低频应力脉冲接收装置，测定各测点处的\值。
9.如权利要求3所述的一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测方法，其特征在于，于步骤五中，所述预应力管道压浆饱满度的计算模型的确定方法为:设定预应力管道压浆饱满度为不灌浆、50%灌浆、100%灌浆，测定所述预应力管道中冲击回波触底反射时间\和混凝土构件中冲击回波触底平均反射时间tp ;计算预应力管道冲击回波触底反射时间\与混凝土构件中冲击回波触底平均反射时间tp之比t ;以比值t为横坐标，灌浆饱和度f为纵坐标，将比值t与灌浆饱和度f进行线性拟合得到所述预应力管道压浆饱满度的计算模型，其中，当f≥100%时，取f=100% ;当f≤0%时，取f=0%。
10.如权利要求8所述的一种预应力管道压浆饱满度状况的定量检测方法，其特征在于:步骤三和步骤四中所述低频应力脉冲激发装置为钢锤，采用单点式冲击回波法，所述钢锤的激振频率的选择与混凝土构件的厚度有关。
【文档编号】G01N29/07GK103499643SQ201310506881
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2013年10月24日
【发明者】张科超, 陈建璋, 郑毅, 李万恒, 傅宇方, 张守祺 申请人:交通运输部公路科学研究所