大型鋼管混凝土模擬試驗無損檢測技術(shù)研究

周茗如 郭中宇 沈瓊斐 李鄭波

(蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050)

鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成、且鋼管及其核心混凝土能共同承受外荷載作用的組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。鋼管混凝土在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)⒍叩膬?yōu)點結(jié)合在一起，可使混凝土處于側(cè)向受壓狀態(tài)，其抗壓強度可成倍提高。同時由于混凝土的存在，提高了鋼管的剛度，兩者共同發(fā)揮作用，從而大大地提高了承載能力[1,2]。

由于鋼管混凝土受混凝土材料自身特性和泵送施工工藝的影響，常出現(xiàn)混凝土與鋼管壁脫粘，直接影響鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與安全[1,3]。陳寶春等對鋼管混凝土脫粘構(gòu)件的溫度場作了相關(guān)研究[4]，劉振宇，周松川和涂光亞等對鋼管混凝土脫粘構(gòu)件的受力影響作了分析[5，6，7]。鋼管混凝土構(gòu)件出現(xiàn)脫粘后，鋼管和混凝土不能共同工作，變形出現(xiàn)不連續(xù)性，偏心和失穩(wěn)加劇，從而導(dǎo)致承載力下降，同時脫粘也會對耐火和抗震性能產(chǎn)生不利影響[8]。目前鋼管混凝土脫粘狀況檢測的方式主要有人工敲擊法、超聲波檢測法、鉆芯取樣法、應(yīng)變(應(yīng)力)分析法、光纖傳感法等[2]，其中前兩種為相關(guān)規(guī)范規(guī)定必須采取的方法。本文以某現(xiàn)場大型鋼管混凝土模擬試驗為背景，以超聲波檢測法為基礎(chǔ)，聯(lián)合應(yīng)用人工敲擊法和應(yīng)變分析法對鋼管混凝土試驗段作無損檢測，分析有無脫粘狀況。

1 鋼管混凝土檢測技術(shù)

人工敲擊法是從鋼管回聲判斷鋼管壁與混凝土的粘結(jié)狀況，與操作人員的經(jīng)驗與主觀判斷有很大關(guān)系。超聲波檢測法是行之有效的檢測混凝土灌注質(zhì)量的一種方法，也是目前使用最多的方法。鉆芯取樣法是最可靠的方法，可定性定量分析粘結(jié)狀況，但是其屬于半破損的檢測方法，若開孔小、測點少，則很難說明問題；而開孔大、測點多又將對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生人為的損傷，影響鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與使用安全[3]。應(yīng)力應(yīng)變分析法和光纖傳感法技術(shù)要求相對較高，經(jīng)濟性較低，但結(jié)果相對準確。目前依據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求對鋼管混凝土的檢測與評價采用人工敲擊法和超聲波檢測法，對于一般構(gòu)件均須使用人工敲擊法全數(shù)檢查，而對于人工敲擊初步判斷為異常的部位、特別重要的部位和鋼管厚度大于16mm 的構(gòu)件必須采用超聲波檢測[9,10,11]。因此目前人工敲擊法和超聲波檢測法常聯(lián)合使用于鋼管混凝土的無損檢測，在部分工程則輔助于其他方法。

1.1 超聲波檢測法

超聲脈沖在傳播過程中遇到由各種缺陷形成的界面時會改變傳播方向和路徑，其能量會在缺陷處引發(fā)衰減，造成聲時、振幅、頻率變化[12]。對這些變化進行分析，可實現(xiàn)對鋼管混凝土質(zhì)量的檢測。采用超聲波檢測鋼管混凝土脫粘的主要方法有首波聲時法、波形識別法和首波頻率法。

圖1 超聲波檢測鋼管混凝土示意圖

1.1.1 首波聲時法(聲速)

首波是指接收探頭接收到的是最短途徑到達的波，因此可依據(jù)超聲波首波聲時大小而判斷首波途徑。

若混凝土與鋼管粘結(jié)良好，首波是沿鋼管混凝土徑向傳播的超聲縱波(如圖2 左)，其聲時為

式中：T1 為總聲時；

TC 為混凝土聲時；

TS 為鋼管壁聲時。

a 為鋼管壁厚；

VC 為混凝土聲速；

VS 為鋼管壁聲速。

若鋼管混凝土有脫空現(xiàn)象，則首波是繞鋼管壁半周長傳至接收探頭(如圖2 右)，其聲時為:

故若鋼管與混凝土結(jié)合質(zhì)量良好，應(yīng)滿足1T＜T2，由于2a 遠小于D，故T1 可忽略鋼管壁厚的影響，即：

1.1.2 波形識別法

脈沖波在傳播過程中遇到兩種不同介質(zhì)交界面時，會發(fā)生波的反射、折射、繞射等現(xiàn)象，而后與原脈沖波疊加產(chǎn)生波的干擾，通過對波形特征(如波形的組成、波的疊加現(xiàn)象、分布特點等)進行分析有無脫粘狀況，若鋼管混凝土質(zhì)量良好，則波形穩(wěn)定正常，有明顯圓弧狀脈沖包絡(luò)線。

1.1.3 首波頻率、幅值法

超聲波傳播過程中，由于介質(zhì)的不均勻性及缺陷的存在，超聲波的頻率產(chǎn)生衰減。質(zhì)量良好的鋼管混凝土首波頻率相對較高，這樣可根據(jù)首波頻率判斷鋼管內(nèi)混凝土的質(zhì)量。綜合首波聲時、波形及首波頻率進行判斷后，可查明檢測點處鋼管混凝土是否存在缺陷，而后有選擇的開孔驗查。

1.2 人工敲擊法

人工敲擊法是通過人工敲擊鋼管表面，根據(jù)聲音回響以定性判斷鋼管壁與核心混凝土黏結(jié)狀況的一種直接、簡單的方法。如果回聲沉啞無振感，則說明鋼管內(nèi)混凝土填充飽滿，核心混凝土與鋼管結(jié)合緊密。而如果回聲聲音清脆有振感，則可能是混凝土與鋼管壁存在脫空現(xiàn)象，需做進一步分析檢查。

1.3 應(yīng)變分析法

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土一般為膨脹混凝土，通過在混凝土中布置一定數(shù)量的埋入式應(yīng)變計來定量檢測混凝土縱向和徑向的應(yīng)變，對比分析試驗室標養(yǎng)條件下標準試件的限制膨脹率值,從而判斷核心膨脹混凝土是否發(fā)揮了膨脹效能。

2 模擬試驗

劉家峽黃河特大橋?qū)儆谂R夏折橋至蘭州達川二級公路的重點工程，為跨越劉家峽水庫黃河支流而設(shè)，跨徑布置為：148m ＋536m ＋113m。主纜中心距為15.6m, 是國內(nèi)同規(guī)模橋梁中最窄的懸索橋。主橋雙塔采用鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)，塔柱高60.5m，由樁基礎(chǔ)、塔基、塔柱(3000mmX50mm 的鋼管，鋼管內(nèi)灌注C40 混凝土)和橫梁組成。

目前國內(nèi)外大直徑鋼管混凝土柱應(yīng)用于大型懸索橋的實例不多，因此采用大型現(xiàn)場試驗來研究無損檢測技術(shù)。試驗選取4 個高度×直徑×壁厚:0.6m×1.5m×0.05m 的鋼管作為試驗段(編號分別為10%-1,10%-2,12%-1,12%-2)，其中10%-1 和10%-2 兩個試驗段澆筑膨脹劑摻量為10%的C40 混凝土(試驗配合比見表1)；12%-1 和12%-2 兩個試驗段澆筑膨脹劑摻量為12%的C40 混凝土(試驗配合比見表1),結(jié)合人工敲擊法、現(xiàn)場超聲波檢測和應(yīng)力應(yīng)變分析法，綜合評價混凝土的密實性。

表1 10%-12%摻量膨脹劑C40 微膨脹混凝土試驗配合比

2.1 人工敲擊法檢測結(jié)果

4 個試驗段按照相關(guān)要求選取若干測點采用小錘敲擊的方法進行檢測，所有測點回聲均渾沉無振感，初步判斷無脫空現(xiàn)象。

2.2 超聲波法檢測結(jié)果

使用ZBL—U520 非金屬超聲檢測儀檢測混凝土與鋼管結(jié)合密實性。檢測采用平面換能器對測的方式，發(fā)射電壓為500V,采樣周期為0.4μs。每個試驗段均布置12 個測點(如圖3)，豎向分3層(間距150mm)，每層4 個測點，圖3 為試驗段超聲波檢測示意圖。

圖3 超聲波檢測鋼管混凝土測點布置圖

通過現(xiàn)場實測鋼管速度為5400m/s，因此由(3)式可得出，只要實測波速Vc 大于3456m/s,即滿足1T＜2T，則可說明混凝土與鋼管壁膠結(jié)良好。

現(xiàn)場檢測4 個鋼管混凝土試驗段的16 個截面，共48 個超聲波測點，超聲波速均在4261～4973m/s 之間，小于聲波在鋼管中的波速(5400m/s)(見表2)。同時首波信號較強，頻率、幅值較大，波形無衰減(見圖3)。檢測范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)空管、空洞等缺陷，說明鋼管混凝土的混凝土與鋼管粘結(jié)良好，混凝土內(nèi)部嚴密充實，符合要求。

表2 試驗段超聲波速(m/s)

圖4 a 10%試驗段超聲波檢測波形圖

圖4 b 12%試驗段超聲波檢測波形圖

2.3 應(yīng)變分析法結(jié)果

在每個試驗段混凝土中部位置埋設(shè)3 個徑向應(yīng)變計和2 個縱向應(yīng)變計(如圖5a)，并澆筑微膨脹混凝土(如圖5b),定量檢測混凝土28 天的應(yīng)變。

圖5 a 混凝土應(yīng)變計布置示意圖

圖5 b 現(xiàn)場試驗圖

在混凝土澆筑完成后由于重力作用、氣孔等因素，混凝土應(yīng)變均不同程度的下降，約24 小時左右達到最低值；之后開始迅速增長，在5 ～7天達到峰值，之后開始出現(xiàn)小幅下降，在14 天左右即保持穩(wěn)中略降的趨勢(如圖6)，經(jīng)分析認為是由于澆水養(yǎng)護僅持續(xù)7 天左右，7 天以后混凝土中膨脹劑剩余膨脹組分缺水未發(fā)揮作用，同時加上混凝土徐變收縮造成的。

圖6 a 10%-1 混凝土應(yīng)變變化示意圖

圖6 b 10%-2 混凝土應(yīng)變變化示意圖

圖6 c 12%-1 混凝土應(yīng)變變化示意圖

圖6 d 12%-2 混凝土應(yīng)變變化示意圖

混凝土膨脹縱向應(yīng)變大于徑向應(yīng)變，分析認為是尺寸效應(yīng)和約束不同造成的：試驗段縱向為一端約束，一端自由，混凝土縱向膨脹近似認為只受自身重力影響的膨脹，環(huán)向膨脹則受到鋼管約束，所以縱向應(yīng)變大于徑向應(yīng)變。12%膨脹劑摻量的試驗段28 天齡期混凝土應(yīng)變值大于10%膨脹劑摻量的試驗段(如表3)。

表3 場模擬試驗試驗段膨脹率值

試驗室標養(yǎng)條件下試件在初期限制膨脹率迅速增加，在7 天以后基本達到平衡，整體變化趨勢和現(xiàn)場模擬試驗相吻合。

圖7 a 試驗室試件(10%摻量)限制膨脹率變化圖

圖7 b 試驗室試件(12%摻量)限制膨脹率變化圖

表4 試驗室標養(yǎng)條件下限制膨脹率值

通過對比分析表3 與表4 中膨脹率值以及圖6 和圖7 應(yīng)變變化趨勢，得出本次模擬試驗混凝土膨脹效能滿足預(yù)期要求。

3 結(jié)論

1)根據(jù)現(xiàn)場人工敲擊、超聲波檢測和應(yīng)變分析法綜合確定試驗段鋼管混凝土檢測部位混凝土與鋼管壁粘結(jié)良好。結(jié)果表明：超聲波檢測法、人工敲擊法和應(yīng)變分析法聯(lián)合應(yīng)用是可行的。

2)應(yīng)力應(yīng)變分析法是通過計算核心混凝土自應(yīng)力來分析判斷膨脹效能，結(jié)果相對于應(yīng)變分析法更為準確，但其對試驗條件要求較高，本文限于時間，未做深入研究。

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