预应力孔道注浆质量是预应力混凝土工程质量控制的重要环节,如何对预应力孔道的注浆质量进行有效检测一直是研究人员和工程师关心的重点问题,目前已证实可望应用的方法主要有射线照相法、冲击回波法和超声波法,但射线照相法存在安全性问题,实际常用的方法为后两种。对于冲击回波法,目前还不能区分由浆体收缩所致浆体与波纹管间的脱粘和初始注浆缺陷;对于超声波层析成像法,虽然国内外学者对其在注浆质量检测方面的应用进行了试验和数值研究,但未对影响超声波层析成像法检测效果的相关参数,如孔道内外波速差、波纹管类型以及预应力筋类型等,进行系统分析。本文的主要研究内容如下:Ⅰ、冲击回波法的试验研究及数值模拟(1)设计制作了两块孔厚比为0.3的混凝土板,研究了波纹管类型、纵向缺陷长度、钢筋间距以及相邻波纹管间距等参数对冲击回波厚度频率的影响。试验结果表明:空管状态下,金属波纹管位置的厚度频率比为0.81,塑料波纹管为0.79,无波纹管孔道位置为0.80;当缺陷长度为0.5倍孔道内径时,冲击回波厚度频率相比注浆饱满情况无明显偏移;当缺陷长度大于1倍孔道内径时,厚度频率比偏移10%以上;当缺陷长度为2倍孔道内径时,厚度频率比的偏移仍未达到未注浆情况下的偏移量;当相邻未注浆孔道与测试孔道的净间距在0.5倍孔道内径及以上时,未注浆孔道不会影响测试孔道注浆状态的评价;对于直径为10mm左右的钢筋,钢筋网中的最小钢筋间距从200mm降至100mm,厚度频率基本不受影响。(2)设计制作了一批小型试件,研究了注浆饱满试件、脱粘问题试件以及初始注浆缺陷试件的厚度频率随时间变化规律。结果表明:注浆饱满试件的厚度频率随浆体养护时间的增加不断增大,并在浆体强度趋于稳定后保持不变;脱粘问题试件的厚度频率在浆体与波纹管脱粘前的变化规律与注浆饱满试件一致,脱粘问题出现后,试件的厚度频率会向低频偏移或者频谱图中的厚度频率不变但出现明显的低频峰值;初始注浆缺陷试件在养护前期由于缺陷的存在,其厚度频率较注浆饱满试件低,后期随浆体强度的增加厚度频率不断增大直至稳定;若初始注浆缺陷试件同时存在脱粘问题,则在浆体与波纹管脱粘后,试件的厚度频率向低频偏移或频谱图中的厚度频率不变但出现明显的低频峰值。(3)采用ANSYS/LS-DYNA建立了三维有限元模型,分析了波纹管类型、孔厚比及壁厚比等参数对全空孔道处厚度频率的影响规律。结果表明:无波纹管混凝土板在全空孔道处的厚度频率比与板厚无关,只与孔厚比有关,且随孔厚比的增大而减小;金属波纹管较塑料波纹管对全空孔道处厚度频率的影响更显著;当孔厚比及波纹管类型相同时,壁厚比越大,全空孔道处的厚度频率相对实心位置厚度频率的偏移量越大。根据数值模拟结果提出了综合考虑各参数影响的全空孔道处厚度频率计算公式,相关文献及本文的试验结果验证了所提公式的有效性。Ⅱ、超声波层析成像法的理论及试验研究(1)超声波层析成像正演模拟中的线性走时插值射线追踪算法(LTI)及其改进算法存在计算不稳定或计算效率低的问题。依据LTI基本方程、波的传播规律以及向前计算节点最小走时过程中节点次级源的位置信息,提出了更为高效稳定的LTI综合改进算法。数值算例表明,对于与实际工程中预应力孔道注浆质量检测模型相近的数值模型,本文改进算法的计算效率是目前LTI改进算法中效率最高的动态网络最短路径射线追踪算法的12倍左右,对于更大规模模型,计算效率方面的优势更为显著。(2)从试验和理论两方面研究了浆体与波纹管的粘结状况、孔道内外波速差、波纹管类型以及预应力筋类型等参数对超声波层析成像法检测效果的影响。结果表明,当浆体与波纹管脱粘时,超声波层析成像法无法识别孔道内的注浆状态;当孔道内外波速差较大时,超声波绕孔道传播的声时可能比直接穿过浆体传播的声时还要小,通过成像结果较难识别孔道内的注浆状态;金属波纹管试件注浆前后成像结果的区别较塑料波纹管小,因为超声波在金属波纹管中的传播速度比在浆体中的传播速度快,注浆前后超声波的首波声时相差较小,超声波层析成像法更适于塑料波纹管试件的检测;由于超声波在声阻抗不同的界面存在散射衰减现象,同时超声波传感器的灵敏度有限,传感器仅能识别穿过有限根钢丝/钢筋的超声波,试验表明,超声波能够穿过钢丝/钢筋的数量在3~6根左右,因此,钢丝/钢筋的直径越大,注浆前后的成像结果对比越显著,内置两根φ28钢筋的试件,其注浆前后的成像结果对比明显优于内置16根钢绞线试件。Ⅲ、冲击回波法和超声波层析成像法检测效果的比较通过两块混凝土板以及一批小型试件,对比了冲击回波法和超声波层析成像法的检测效果,结果表明:冲击回波法和超声波层析成像法在浆体与波纹管脱粘后,都无法识别孔道内的注浆状况;对于孔道内外波速相差较大的情况,冲击回波法能够清楚的区分注浆和未注浆两种不同的注浆状态,而超声波层析成像法效果较差;对于金属波纹管试件,冲击回波法较超声波层析成像法更易识别孔道内的注浆状态;冲击回波法的检测效果主要与孔道内预应力筋的总面积相关,而超声波层析成像法主要与单根预应力筋的面积相关。冲击回波法和超声波层析成像法存在上述异同的原因是,两者都是基于弹性波的检测方法,但检测原理不同,前者是一种基于瞬态共振的检测方法,而后者是一种基于最小走时的检测方法。