目前我国已经成为世界上桥梁最多的国家, 其中一部分旧桥已经进行了合理及时的维修和加固, 桥梁加固不仅可以恢复和提高旧桥的承载能力、通行能力, 还可以延长其使用寿命、节省资金、消除安全隐患;随着我国桥梁数量的激增, 桥梁养护、维修加固任务越来越繁重, 难度也越来越大, 如何保证桥梁维修加固工程的质量, 已成为目前亟需研究的课题^[1,2,3,4]。

　　 粘贴钢板法是将钢板粘贴在钢筋混凝土结构物受拉缘或薄弱部位, 使之与结构物形成共同受力的物体, 改善原钢筋混凝土结构物的受力状态, 提高结构物的承载能力^[5,6,7,8,9]。该方法具有工艺简单、材料消耗小、施工周期短、占用空间小、技术先进, 性能良好等特点, 在桥梁加固中得到了广泛应用^[10]。

　　 目前国内在利用冲击弹性波法对混凝土结构强度检测和耐久性评估方面进行了一定的研究, 取得了较多的成果, 但对粘钢加固后的混凝土结构是否存在缺陷的无损检测^[3]与评估尚缺乏相关的研究。本文采用冲击弹性波法对混凝土试件粘贴钢板质量进行检测, 为粘贴钢板的质量检验提供有益的借鉴和参考。

　　 冲击弹性波技术是基于机械波在固体介质内传播的一类无损检测手段。从20世纪80年代兴起以来, 已经成功地应用在不同类型的混凝土建筑物缺陷检测和质量评估中^[11]。该技术通过一次很短暂的力学冲击, 产生低频应力波, 传播到混凝土内部结构中, 应力波在缺陷处和外部边界中往复反射, 利用拾振器采集响应数据, 经过信号处理系统可以测定结构的厚度和弹性波的波速。

　　 在已知被测混凝土结构尺寸的前提下, 利用弹性波的重复反射, 可测出弹性波在被测混凝土试件中的传播时间和弹性波波速, 从而推断出加固胶层是否存在缺陷, 以及缺陷的位置和大小。该方法为单面 (重复) 反射法, 也称“冲击回波法”。

　　 当在结构物表面施加一定的机械冲击时, 结构内部会激发出瞬时应力波, 经过波的传递、反射形成纵波、横波以及表面波, 通常依次称之为P波、S波和R波;其中纵波和横波被结构物内部的缺陷或外边界反射引起表面位移^[12]。将时域波形利用快速傅里叶变换 (FFT) 转化为频率幅度谱, 由此可以得到换能器接收到的纵波频率。纵波的波速C_P、主频率f、试件的厚度L之间有以下关系:

　　 C_P和材料本身的性能具有以下关系, 即:

　　 式中:E为材料的弹性模量;μ为材料的泊松比;ρ为材料密度。

　　 在应力波中, 表面波的能量最大, 相比纵波和横波, 其衰减会小很多。因此, 在混凝土表面进行弹性波测量时, 表面波的信号最易采集。混凝土强度与纵波波速之间有较好的相关关系, 只要测定了混凝土表面以下沿深度内R波波速的分布, 就能够推定S波和P波的变化情况, 探知其内部强度和剪切弹性模量的变化, 从而判断出混凝土内部质量和潜在的缺陷。

　　 振动发生通常采用冲击锤或钢球, 变换冲击锤可以产生不同频率特性。钢球打击时, 钢球和测试对象的接触时间T_S可以表示为:

　　 式中:δ为材料的参数, ;m₁为激振球体的质量, kg;R₁为激振球体的半径, m;v₀为激振球体与半无限空间体碰撞时的速度, m/s;δ₁为打击球体的材料参数;δ₂为测试对象的材料参数。

　　 击打对象的固有频率f_k可由下面公式推算:

　　 式中:R_k为各振型的特征值;D为圆盘剥离直径, m;h为圆盘剥离厚度, m;ρ为材料密度, kg/m³。

　　 在把内部出现脱空缺陷的混凝土与健全的混凝土进行对比测试时, 出现缺陷的混凝土试件的刚性明显降低, 卓越周期变长, 弹性波的逸散周期推迟, 振动持续时间变长, 这些均与发振锤的打击力有关。

　　 由式 (4) 得知, 空鼓区的固有频率与圆盘剥离厚度成正比, 与圆盘剥离的面积成反比;通过锤击打诱导的模型, 测量其固有频率会偏大。一般情况下, 小的发振锤会诱导高次振型, 产生高的固有频率^[13]。因此, 小的发振锤适用于深度较小的剥离缺陷, 大的发振锤适用于深度稍大的剥离缺陷。

　　 冲击弹性波在异种媒介的边界面会引起反射, 或者在有不同媒介介入的场合下 (中间有不同材质夹层的情况) , 其反射率与频率相关, 通常高频波容易反射, 而且在特定的频率下反射波会消失, 而这正是各种检测所需要的。

　　 当混凝土强度等级为C50时, 经计算可得, 当脱空层厚度低至0.01mm时, 弹性波的反射率也高达99%以上。但是, 当脱空面相互之间有接触时, 弹性波可以从接触部位透过, 其反射率则会大幅降低。在两种媒介垂直入射的情况下, 如果仅考虑一维反射的情况, 当弹性波遇到截面变化或者材质变化时, 其反映在机械阻抗的变化。在机械阻抗发生变化的界面上, 传播的弹性波会产生波的反射和透过。两种媒介的机械阻抗相差越大, 反射率也越大^[13]。尤其是在裂缝或缺陷处以及桩、柱、杆的端部的机械阻抗减少时, 反射波和入射波符号相同。

　　 本次试验试件均采用C30强度等级的混凝土浇筑。设计了A, B, C, D共4组试件, 每组3个试件, 即A组试件为SJ-A-1, SJ-A-2, SJ-A-3;B组试件为SJ-B-1, SJ-B-2, SJ-B-3;C组试件为SJ-C-1, SJ-C-2, SJ-C-3;D组试件为SJ-D-1, SJ-D-2, SJ-D-3, 其中A, B组试件尺寸为200×400×600, C, D组试件尺寸为200×200×600。试件缺陷制作时采用以下两种制作方案:

　　 (1) 方案一:A, B两组试件在浇筑时对其表面进行处理, 将提前制作好相应尺寸的材质较硬的苯乙烯板 (密度为1.8g/cm³) , 放在刚浇筑完成的混凝土试件表面上;待混凝土试件标准养护28d后, 拆模并取掉硬质的苯乙烯板;考虑到波速在不同介质中的传播情况, 在取出硬质苯乙烯板的凹陷位置放置相应尺寸的发泡的苯乙烯板 (密度为0.8g/cm³) , 见图1 (a) 。

　　 (2) 方案二:C, D两组混凝土表面不作处理, 浇筑完成后, 标准养护28d, 拆模, 将提前制作好相应尺寸的发泡的苯乙烯板 (密度为0.8g/cm³) 放置在混凝土试件表面上, 以达到预留缺陷的目的, 见图1 (b) 。

　　 研究缺陷厚度和缺陷大小的参数为:在4组试件中分别放置大小和厚度不同的苯乙烯板, 其中A组的2个试件缺陷厚度设置均为1mm;B组的2个试件缺陷厚度设置均为2mm;C组试件缺陷2, 3, 6的厚度设置为1mm, 缺陷1, 4, 5的厚度设置为2mm;D组试件缺陷1, 2的厚度设置为1mm, 缺陷3, 4厚度设置为2mm。4组试件中, 每组试件的缺陷位置分布及厚度如图2所示。

　　 试验用胶采用SKO环氧粘钢胶, 试验粘钢步骤为:1) 试验采用6mm的钢板进行粘贴加固。钢板胶合面用平砂轮打磨除锈, 直至出现金属光泽, 然后再把结构胶涂抹在钢板胶合面上, 使钢板中央位置涂抹胶的厚度达3mm, 两侧可薄一些。2) 用刮刀 (铲刀) 将胶紧密地、均匀地分别涂抹在做过表面清洁处理的混凝土结合面和钢板结合面处, 使之充分浸润在胶合面上。3) 为避免钢板在混凝土表面上滑动, 应采取一定的固定措施, 并在钢板上边施加一定的荷载使结构胶在钢板与混凝土表面充分接触粘结。

　　 本次试验采用的设备是混凝土多功能无损测试仪 (SCE-MATS) 。当钢板脱空面积较大时, 其脱空厚度可根据频谱分析 (EWR) 方法检测, 而当钢板脱空面积较小时, 仅能识别出缺陷, 但不能根据频谱分析方法分析脱空厚度。脱空厚度检测原理如图3所示, 若能识别出脱空位置空气的共振周期T_A, 则脱空厚度H为:

　　 式中V_PA为空气中声波的波速, 一般可取0.340km/s。

　　 当锤击混凝土结构表面时, 在混凝土表面会诱发振动。该振动还会压缩或拉伸空气形成声波。通常, 在产生剥离的部位, 振动特性会发生图4所示的变化, 表现为:1) 弯曲刚度显著降低, 卓越周期增长;2) 弹性波能量的逸散变缓, 振动的持续时间变长。这两个特性对激振力的大小没有要求。另一方面, 剥离会引起结构抵抗特性的变化, 也就是说, 剥离使得参与振动的质量减少, 在同样的激振力下, 产生的加速度会增加。因此, 用冲击锤激振并用激振力归一化后, 加速度幅值也是一个重要的指标^[1]。混凝土结构表面健全状态下和剥离状态下的卓越周期、持续时间和最大加速度幅值对比如表1所示。

　　 根据试件尺寸和仪器要求, 在A, B两组试件上布置2cm×4cm或4cm×4cm的网格, 同时标注出测点移动方向, 以便进行检测, 网格划分如图5所示。综合考虑检测效率和分辨率要求, 提出结合振动法和弹性波雷达扫描 (EWR) 的检测方案, 检测分以下两个阶段进行:

　　 (1) 第1阶段:快速测试脱空的有无及位置的定性。采用振动法, 即用激振锤击打钢板内表面, 通过诱发振动的频率、持续时间以及振幅来定性地判断脱空的有无。测试影响因素:1) 激振锤:通过模型试验优化;2) 击打点间距:按粘钢混凝土纵横向划分2cm×4cm或4cm×4cm网格的间距布点;3) 击打次数:每测点击打1~2次;4) 振动信号拾取仪器:加速度传感器;5) 判断方式:人工判断结合软件智能判断。

　　 (2) 第2阶段:详细检测脱空的有无及厚度。对第1阶段测试有脱空可能的区域利用EWR进行详细检测, 并对脱空的厚度进行检测。测试影响因素:1) 激振锤:通过模型试验优化;2) 击打间隔:纵横向间距减半;3) 击打次数:每测点击打2次;4) 振动信号拾取仪器:加速度传感器;5) 判定方式:结合模型试验积累的数据, 利用分析仪器解析判断。

　　 在实际工程中由于脱空中空气振动的区域能量一般比较微弱, 激振锤应当选用较小的规格。本试验利用冲击弹性波法检测粘钢加固混凝土试件, 需要指出的是:1) 混凝土中剥离:有效测试深度由测试方法决定, 对于打声法 (声振法) , 其测试深度一般不超过0.20m, 而采用EWR (弹性波雷达) 则测试深度可达1.0m;2) 粘贴钢板脱空:由于粘贴钢板的混凝土试件壁厚一般较薄, 用打声法 (声振法) 容易测出脱空的有无, 但若需要测试脱空的厚度, 则也需要采用EWR;3) 由于钢板的振动有多个振型, 区分钢板振动和空气 (或脱空区域) 振动是一个关键问题。

　　 A组以试件SJ-A-1为例, 试件总共设计缺陷5处, 缺陷厚度1mm, 网格划分间距为4cm×4cm, 布置测点108个。除设置缺陷外, 由于粘贴钢板时存在明显脱空区域, 而且也经过敲击法验证脱空区域确实存在, 缺陷云图和实际缺陷位置如图6所示 (缺陷云图中右侧数据为脱空指数, 是一个特征物理量, 对应的数值越大脱空越严重, 图7~9同) 。可以看出, 缺陷1, 3, 4反应明显, 缺陷5反应不太明显, 主要是尺寸和厚度太小, 检测精度所致。缺陷2与边缘脱空位置连通, 未能完全反映出来。由缺陷云图可以检测出厚度为1mm的脱空缺陷。

　　 B组以试件SJ-B-2为例, 设计缺陷5处, 缺陷厚度2mm, 网格划分间距为4cm×4cm, 布置测点117个。除设置缺陷外, 也同样是粘贴钢板时存在明显脱空区域, 而且也经过敲击法验证脱空区域确实存在, 缺陷云图和实际缺陷位置如图7所示。可以看出, 缺陷1, 2, 3, 4, 5反应明显, 但由于粘结问题, 反应大小与实际可能存在出入。

　　 C组以试件SJ-C-1为例, 设计缺陷6处, 网格划分间距为2cm×4cm, 布置测点63个。从缺陷云图和实际缺陷位置 (图8) 可以看出, 缺陷1, 4, 5 (缺陷厚度均为2mm) 云图与实际位置大致相同, 另外三处缺陷厚度为1mm的缺陷在缺陷云图上没有体现出来, 是由于缺陷尺寸或者是厚度较小导致的;由此可知, 此试件设置的缺陷不太适合本缺陷测试系统测试。

　　 D组以试件SJ-D-3为例, 设计缺陷4处, 网格划分间距为2cm×4cm, 布置测点63个, 缺陷云图和实际缺陷位置如图9所示。可以看出, 缺陷主要集中在构件中间, 可以估测出缺陷尺寸大小。测试结果表明设置缺陷具体位置无法区分, 可能是由于缺陷设置时位置太近导致无法精准测出缺陷具体位置。

　　 通过试验可得出以下结果:1) 冲击弹性波法检测结果表明, 现场测试所得结果和设置缺陷以及脱空位置基本吻合。2) 设置缺陷放置苯乙烯板, 对激振能量起到快速吸收的影响, 以至于激振持续时间严重缩短, 振动频率更低, 影响剥离云图的成像效果。与实际工程情况近似, 可作为工程参考。3) 冲击弹性波属于低频波, 对于缺陷面积小于9cm²且缺陷厚度在0.5mm时检测效果不是很明显, 应该考虑它的检测区间, 实际漏检区间的缺陷可以忽略。4) 采用冲击弹性波法进行混凝土粘钢加固检测, 可绘制剥离云图判断可能存在剥离的区域坐标。根据剥离云图, 结合频谱MEM分析, 可推断缺陷位置及尺寸大小。

　　 (1) 冲击弹性波技术原理简单、操作方便、现场适用性强, 精度有保证, 适用于混凝土结构和混凝土粘钢加固的粘贴质量检测, 效果很好, 且可以对混凝土结构中的各类剥离和脱空进行综合无损检测。经过试验验证, 对混凝土粘贴钢板加固结构内部缺陷的测试精度、测试效率、适用范围等均可满足工程要求, 对保证工程质量具有非常积极的意义。

　　 (2) 在利用冲击弹性波法检测时, 结合振动法和弹性波雷达扫描 (EWR) 的检测方案能够有效地检测出粘钢加固混凝土结构的内部缺陷, 且面积越大、厚度越大的内部缺陷越容易被检测出。对于大面积脱空缺陷, 脱空面积根据剥离云图, 结合频谱MEM分析, 可推断缺陷位置及尺寸大小。脱空厚度可根据频谱分析 (EWR) 方法检测。

　　 (3) 根据检测效果可知, 利用冲击弹性波法进行缺陷检测时, 利用苯乙烯板做填充缺陷的检测效果不是很明显, 自然形成完全脱空缺陷的检测效果特别明显, 所以这点在实际工程的缺陷检测中非常有利, 本试验缺陷采用两种制作工艺进行对比检测, 发现对冲击弹性波法的检测结果没有太大的影响。

　　 (4) 本文采用国产的混凝土结构多功能无损测试仪作为测试设备, 将检测结果与实际缺陷进行对比, 缺陷的检测结果相对准确, 但是本试验的进行过程仍有改进的余地, 设备也存在一定的误差, 测试的精度还可以继续提高。总体来讲本文所做的冲击弹性波法检测粘贴钢板加固混凝土质量试验研究可为相关研究及实际工程应用提供参考。