1 引言
预应力混凝土梁在运行过程中，不可避免地会出现各种老化、劣化现象（如混凝土强度降低，预应力损失等）。同时，在预应力混凝土梁的制作中，预应力张力到位、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。否则，会加速结构的劣化，严重时甚至造成安全隐患和垮桥等恶性事故，从而造成社会经济的损失。 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解决方案和技术体系。该方案基于无损检测技术，具有测试效率高、可靠性好、对结构无损伤等特点。
2 设备基本构成
预应力混凝土梁多功能检测仪SPC-MATS
本产品主要构成如下：
仪器主机（小型一体化平台）
传感器（进口）
外置放大器
激振系统及线缆
无线操控系统
产品软件（数据采集、数据解析、自动生成报告）
3 测试项目及方法
4 预应力灌浆密实度检测技术
通过弹性波的透过、反射等特性，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。
1.定性检测
通过露在两端表面的锚头/钢绞线进行激振和拾振，进而对整个钢绞线的灌浆密实度加以分析。主要包括以下方法：
1) 全体灌浆性能
采用全长衰减法（FLEA）和全长波速法（FLPV）进行测试。
（1） 全长衰减法（FLEA）
如果孔道灌浆密实度较高，能量在传播过程中逸散的越多，衰减大，振幅比小。反之，若孔道灌浆密实度较低，则能量在传播过程逸散较少，衰减小、振幅比大。
图 全长衰减测试示意图
因此，通过精密地测试能量的衰减，既可以推测灌浆质量。我们研发的双方向激振技术（已取得国家发明专利，专利号：ZL200510021851.5）可以大幅提高能量衰减的测试精度，从而奠定了全长衰减法的基础。
（2） 全长波速法（FLPV）
通过测试弹性波经过锚索的传播时间，并结合锚索的距离计算出弹性波经过锚索的波速。通过波速的变化来判断预应力管道灌浆密实度情况。一般情况下波速与灌浆密实度有相关性，随着灌浆密实度测增加波速是逐渐减小，当灌浆密实度达到100%时，测试的锚索的P波波速接近混凝土中的P波波速。
图 全长波速法测
试示意图
该方法最早由日本学者镰田敏郎教授于2001年提出，尽管存在理论基础不严密等诸多问题，但其作为一种较为直观的测试方法，特别是在测试灌浆密实度很低的时候，仍然有一定的应用价值。
2) 端部灌浆性能
主要采用传递函数法（PFTF）和波形特征对比法测试。
（1） 传递函数法（PFTF）
根据受信与激发信号的初动部分的传递函数，可推测锚头附近的灌浆密实度；当灌浆密实时，钢绞线周围有灌浆材料约束，不易自由振动，受信信号初动部分频率较低；而当出现灌浆不密实区域时，钢绞线周围缺乏约束，产生自由弦振动，受信信号初动部分频率较高；采用该方法可以测试在锚头附近的灌浆密实度。
图 传递函数法的测试概念
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。
【注意】若钢绞线未充分张拉，或者未灌浆部分过长时，其自振频率反而可能降低。因此，结合张力测试是有必要的。
（2） 波形特征对比法
在预应力孔道端部存在不密实区域时，接受到弹性波首先为经钢绞线传来的信号，然后接收到经周围混凝土传来的信号，两者之间有一定的时间差。另一方面，端部灌浆密实时，两者信号较为接近，不易分辨。
图 接收端附近灌浆密实度波形特征对比法示意图
3) 定量化分析（灌浆指数）
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 灌浆密实度定性测试方法比较
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方法
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优点
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缺点
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全长衰减法（FLEA）
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测试原理明确、对灌浆缺陷较为敏感
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测试结果离散性较大，影响因素多
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全长波速法（FLPV）
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测试结果较为稳定，适合测试大范围缺陷
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测试原理不严密，对缺陷较为钝感
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传递函数法（PFTF）
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能够测试锚头附近的灌浆缺陷，解析方便
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测试范围较小
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为了定性测试的结果定量化，我们引入了综合灌浆指数
。当灌浆饱满时，
，而完全未灌时，
。因此，上述各方法可得到相应的灌浆指数
，
和
。同时，综合灌浆指数可以定义为：
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0.80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 灌浆指数的基准值注-1
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方法
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项目
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全灌浆时值
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无灌浆时值
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全长波速法
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波速（km/s）
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混凝土实测波速注-2
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5.01注-4
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全长衰减法
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能量比
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0.02
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0.20
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传递函数法
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频率比（Fr/Fs）
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1.00
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3.00
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激振频率注-3（KHz）
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2.0
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4.0
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注-1：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；
2.定位检测
1) 定位测试（改良冲击回波等效波速法：IEEV）的基本原理
根据在波纹管位置反射信号的有无以及梁底端的反射时间的长短，即可判定灌浆缺陷的有无和类型。当管道灌浆存在缺陷时，有：
灌浆密实 灌浆有缺陷 未灌浆
图 改良冲击回波法IEEV测试原理
（1） 激振的弹性波在缺陷处会产生反射；
（2） 激振的弹性波从梁对面反射回来所用的时间比灌浆密实的地方长。因此，等效波速（2倍梁厚/梁对面反射来回的时间）就显得更慢。
2) 定位测试（IEEV）的特点
（1） IEEV法测试精度高，但相对速度较慢；
（2） 测试精度与壁厚/孔径比（D/Φ）有关，D/Φ越小，测试精度越高；
（3） 当边界条件复杂（拐角处）或测试面有斜角（如底部有马蹄时），测试精度会受较大的影响。
3.缺陷类型及规模的识别
根据反射信号及等效速度的特点，利用IEEV法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：对应A级；松散型：对应B、C、D级）和规模大小。
表 缺陷类型的区分
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管道处的反射信号
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等效波速
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缺陷定义、类型
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明显
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正常
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小规模空洞型缺陷（B、C级）：有小规模空洞、空洞不连续
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慢
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大规模空洞型缺陷（D级）：有大规模、连续性空洞
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不明显
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正常
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灌浆良好，没有明显缺陷
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慢
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松散型缺陷：无明显空洞的材质松散型缺陷（PVC管）
空洞型缺陷（C、D级）：铁皮波纹管
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对于空洞型缺陷，由于水和空气的进入，使得钢绞线容易产生锈蚀，通常需要对空洞部位加以注浆。另一方面，对于松散型缺陷，尽管其强度较低，但仍具有一定的隔水隔气能力，一般不需要专门的注浆修补。
冲击回波法的基本概念在90年代即被提出。我们通过改进频谱分析方法和增加“等效波速”专利技术，从而大幅提高了该方法的测试精度和应用范围。
4.波纹管材质的影响
在交通工程中，孔道主要采用2类波纹管，即铁皮和PVC波纹管。由于阻抗的关系，两类波纹管对弹性波的反射不同，从而对灌浆密实度缺陷的检测也有一定的影响。
根据弹性波的反射理论，机械阻抗
（即密度、波速与面积的乘积）的变化决定了反射信号大小和相位。铁皮管壁、PVC管壁、混凝土、缺陷的阻抗的大小顺序为：铁皮>混凝土>PVC>缺陷空洞。因此，铁皮波纹管处对弹性波是逆向反射，PVC和缺陷则是正向反射。由于管壁很薄，会出现铁皮波纹管的反射和缺陷处的反射互相抵消，而PVC与缺陷的反射则是相互增强的现象。
图 铁皮波纹管反射概念
所以，不能仅凭缺陷处的反射信号的强弱来判断，而是要结合等效波速法，即梁底部（壁面）反射信号的传播时间进行综合考虑。
表 波纹管材质对缺陷判别的影响
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波纹管材质
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波纹管位置反射信号
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缺陷时梁底反射时间
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管壁
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空洞型缺陷
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整体反射
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PVC
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微弱正向
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正向
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正向较强
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延后
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铁皮
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微弱反向
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正向
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较弱
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延后
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无波纹管
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无
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正向
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正向
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延后
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5.灌浆质量的评价
如上所述，对于孔道灌浆的质量评价可以有两种方法：
1) 利用综合定性灌浆指数
2) 利用定位测试中缺陷的比例，即灌浆密实度指数
其中，
为定位测试的点数，
为测点的灌浆状态，即良好：1，小规模空洞或松散型空洞：0.5，大规模空洞：0。
表 灌浆密实度评价方法比较
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评价方法
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综合灌浆指数
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灌浆密实度
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指标
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ü 0.95以上为良好
ü 0.80～0.95 为一般
ü 0.80以下为较差
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ü 0.95以上为良好
ü 0.90～0.95 为一般
ü 0.90以下为较差
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优点
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ü 测试快捷
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ü 物理意义鲜明
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缺点
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ü 物理意义不鲜明
ü 在0.8～0.95之间的数值多，对灌浆密实度的判别较钝感
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ü 测试耗时较长
ü 若仅测试孔道部分长度，则代表性不强
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6.本设备技术参数：
1. 平台：小型一体化平台
2. 操作系统：windows
3. 工作温度：-10～50℃
4. 采样精度：浮点插值补偿至24位
5. 最大采集频率：500KHz,可调
6. 最小采样间隔：2us，可调
7. 最大采集点数：20,000个,可调
8. 显示/分辨率：液晶显示1024*768
9. 测试信号：振动加速度信号
10. 噪声处理：平滑/LPF/BPF/HPF/合成增幅，采用消减冲击弹性波激振残留信号以识别反射波信号的方法
11. 频谱分析：FFT/MEM/相关分析
12. 统计处理：各种平均、偏差处理以及异常信号的自动抽取
13. 信号处理：积分处理、频谱分析、相关分析、积算处理
14. 图形处理：等值线、浓淡图、弹性波雷达扫描（EWR）、层析解析（CT）、快速平面成像（QPG）、3维切片技术(3DS)
15. 管道灌浆密实度测试内容：后张法预应力管道灌浆质量快速定性测试、准确定位测试、灌浆缺陷类型判别
16. 管道灌浆密实度测试方法：FLEA、FLPV、PFTF、IEEV
17. 管道灌浆密实度测试范围：最大150m
18. 锚索张力测试内容：锚索（杆）的有效张力（包括空悬锚索、埋入式锚索、已灌浆锚索）
19. 锚索张力测试方法：等效质量法（TTEM）、弦振动法
20. 锚索张力测试范围：不同型锚具需事前标定（本公司提供部分锚具的标定参数）
21. 竖向锚杆长度测试内容：竖向锚杆长度
22. 竖向锚杆长度测试方法：时域反射波法、幅频域频差法
23. 竖向锚杆长度测试范围：0.1m-5m
24. 混凝土材质测试范围：试件（最小0.1m）、构件（最大150m）
25. 混凝土材质测试方法：单面反射法（P波/瑞利波法）、单面传播法、双面透过法
26. 混凝土材质测试内容：弹性模量Ed、E0、Ec、换算强度
27. 混凝土缺陷测试范围：壁厚范围
28. 混凝土缺陷测试方法：弹性波雷达扫描（EWR）
29. 混凝土缺陷测试内容：内部缺陷（内部空洞、蜂窝等）
30. 厚度及尺寸测试范围：0.1-2m
31. 厚度及尺寸测试方法：单面反射法（重复反射、单一反射）
32. 厚度及尺寸测试内容：壁厚
33. 同幅表示最大波形条数：300
34. 通道数：2（采用VMC技术，可将通道数扩展为32）
35. 无线操控系统
7.本产品奖项荣誉
1.中国市政工程协会市政科技专业委员会鉴定预应力孔道灌浆密实度无损检测技术；
2.预应力孔道灌浆密实度无损检测技术荣获公路学会三等奖。
3.预应力混凝土结构孔道压浆无损检测技术获市政工程科学技术奖二等奖