大截面鋼管混凝土柱界面性能與混凝土的質量檢測方法

中建五局第三建設有限公司 長沙 410004

1 項目概況

長沙保利國際中心（B3棟）為保利國際廣場中的超甲級寫字樓，它聳立于長沙市南湖路與湘江大道交匯處，與橘子洲頭毛主席雕像正對。該工程的建筑物主體結構設計使用年限為50年。塔樓±0.00 m（絕對標高40.60 m）以上采用混合框架-鋼筋混凝土核心筒-伸臂體系，其中梁以H型鋼梁為主，柱由方鋼管混凝土為主，角部為8 個圓鋼管混凝土柱，核心筒區(qū)域外樓面采用鋼筋桁架樓承板組合樓板；±0.00 m以下采用混合框架-鋼筋混凝土核心筒結構體系，其中梁為混凝土梁，柱變成型鋼混凝土柱（其中方鋼管混凝土柱變成十字形截面柱，圓鋼管混凝土柱變成圓鋼管混凝土組合柱）。樓板均為混凝土樓板。剪力墻和柱在+88.95 m以下采用C60混凝土，+88.95～+173.55 m以下采用C50混凝土，+173.55 m以上采用C40混凝土澆筑。

2 檢測方法選擇[1-5]

2.1 基于壓電應力波測量的檢測方法

本工程的檢測過程采用32 通道比利時進口LMS-SCM05振動測試分析集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)自帶信號發(fā)生功能，可以產(chǎn)生高頻激勵信號，并且各通道間完全獨立高頻采樣。該系統(tǒng)可以產(chǎn)生簡諧信號、掃頻信號、隨機信號以及觸發(fā)信號等各類信號，可用于直接驅動壓電功能塊，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應力波。同時，該系統(tǒng)具有高效、穩(wěn)定的采樣能力，其最大采樣頻率可達100 kHz，而且該系統(tǒng)配備有功能強大的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，其LMS Test.Lab Time Recording Addin模塊具有時間歷程記錄功能，并與特征數(shù)據(jù)采集、階次跟蹤分析、譜采集或實時倍頻程保持同步。記錄的時間數(shù)據(jù)可利用Test.Lab特征數(shù)據(jù)通程處理模塊作進一步的后處理。該系統(tǒng)集發(fā)射信號、采集信號以及后處理分析信號于一身，極大地滿足了本次檢測的需要。

2.2 基于壓電機電耦合阻抗測量的檢測方法

在機電耦合阻抗法中，通過測量粘貼于鋼管外壁的壓電智能材料與鋼管壁所構成的機電耦合系統(tǒng)的機電阻抗來評估界面性能，其測量原理見圖1。運用機電阻抗測量法對此帶模擬界面剝離的鋼管混凝土構件的剝離狀況進行檢測。實驗結果表明，基于機電阻抗測量可以很好識別出鋼管混凝土構件中無法觀測到的界面剝離損傷。根據(jù)試驗構件的性能選取相應頻段，分別測量了界面損傷發(fā)生前后的阻抗值，通過比較阻抗峰值的偏移和峰值對應頻率的變化，有效地識別結構的損傷?；谧杩沟姆椒軌蛴行У胤从尘植繐p傷，由于其測量頻率較高，因此對初始微小損傷比較敏感。

此方法主要針對鋼管混凝土柱的柱身在易于出現(xiàn)混凝土缺陷和界面缺陷的部位進行抽樣檢測，重點關注關鍵部位混凝土澆筑質量、橫向加勁板以下范圍鋼管壁與核心混凝土的界面粘結狀態(tài)。

圖1 基于壓電陶瓷的機電阻抗測量原理

3 鋼管混凝土構件檢測

利用兩種檢測方法對澆筑后的鋼管混凝土柱中最易于發(fā)生核心混凝土缺陷以及核心混凝土與鋼管內(nèi)壁和橫隔板下表面界面缺陷的部位進行檢測，重點關注橫隔板下部位內(nèi)部核心混凝土完整性、核心混凝土與鋼管內(nèi)壁的界面粘結狀態(tài)。

對于基于應力波的檢測，采用一發(fā)一收以及一發(fā)多收的方式進行。通過對應力波傳遞距離相等的一組傳感器的輸出信號的分析來對核心混凝土的完整性以及界面狀態(tài)進行評價。

對于壓電耦合阻抗法，采用對粘貼在鋼管外壁的壓電陶瓷片或者嵌入式壓電功能塊的機電耦合阻抗測量對界面粘結性能進行檢測與評價。

3.1 檢測對象以及測點布置

為了實現(xiàn)以上檢測目的，采用應力波法和壓電耦合阻抗法兩種方法相結合的方法，將在±0.00 m以上塔樓B3棟周邊的每層24 根Q345B鋼管混凝土柱中的選擇關鍵截面進行抽樣檢測，采用技術壓電功能塊、壓電傳感器（PZT）進行。

±0.00 m以上高235.5 m，共50 層，鋼柱采用自密實混凝土分段澆筑，其中1～10層每2 層鋼管整體吊裝并澆筑一次混凝土，10層以上每3 層鋼管整體吊裝并澆筑一次混凝土。24 根鋼管柱中16 根為方鋼管混凝土柱，8 根為圓鋼管混凝土柱。橫截面及立面如圖2、圖3所示。

選取矩形截面柱和圓形截面柱與型鋼梁的連接節(jié)點處最容易出現(xiàn)缺陷的部位，即3 層橫隔板中的最上層以下的部位進行檢測?？偝闄z構件數(shù)為總吊裝節(jié)段數(shù)的30％。

在上層橫隔板下表面安裝壓電功能塊，在鋼管外壁粘貼壓電片。結合應力波法和機電耦合阻抗法進行檢測與分析。

3.1.1 方形截面鋼管混凝土柱

（a）嵌入式與表面粘貼相結合。在上層橫隔板下表面上每邊布置3 個壓電功能元，其中1 個位于每邊的中間位置，其中PZT的方向為豎直且垂直于該鋼管內(nèi)壁。另外2 個壓電功能元布置在該邊的1/4和3/4處，該壓電功能塊與鋼管內(nèi)壁留20 mm距離，其PZT平面豎直但平行于該內(nèi)壁。每個構件供設置12 個壓電功能塊。此外，每邊對應位置設置4 個PZT，每個構件共設置16 個PZT片。方形截面鋼管混凝土柱上層橫隔板下表面的壓電功能塊以及外壁PZT片布置如圖2所示。在每個吊裝層中，選取一個方鋼管柱采取該方式布置。

（b）外部粘貼壓電陶瓷片。對于部分方鋼管柱，采用外部粘貼壓電片的方法。方形截面鋼管混凝土柱上層橫隔板下表面外壁PZT片，布置如圖3所示。核心混凝土與鋼管內(nèi)壁的界面粘結狀態(tài)通過壓電阻抗法評估，核心混凝土采用應力波方法檢測與評估。在鋼管已經(jīng)安裝就位，其靠建筑外側的表面無法在保證安全的情況下粘貼壓電陶瓷片，可以只在方柱的2 個相對的側面上進行粘貼。

圖2 橫隔板下表面壓電功能元以及PZT片布置示意

圖3 橫隔板下鋼管表面粘貼PZT片布置

3.1.2 圓形截面鋼管混凝土柱

（a）嵌入式與表面粘貼相結合。對于部分圓形截面鋼管混凝土柱，在上層橫隔板下表面上沿鋼管內(nèi)壁均勻布置6 個壓電功能元，該壓電功能塊與鋼管內(nèi)壁留20 mm距離，其PZT平面豎直且與鋼管內(nèi)壁保持相切。此外，鋼管外壁對應位置設置6 個PZT。在每個吊裝層中，選取一個方鋼管柱采取該方式布置。

（b）外部粘貼壓電陶瓷片。另外的圓鋼管柱采用外部粘貼壓電片的方法。核心混凝土與鋼管內(nèi)壁的界面粘結狀態(tài)通過壓電阻抗法評估，核心混凝土采用應力波方法檢測與評估。考慮到嵌入式壓電功能元的施工耗時較多，主要采取表面粘貼壓電陶瓷片的方法進行。在鋼管已經(jīng)安裝就位，其靠建筑外側的表面無法在保證安全的情況下粘貼壓電陶瓷片，可以只在圓柱相互垂直的2 個相對位置上進行粘貼。

3.2 檢測方法

3.2.1 基于應力波的鋼管混凝土檢測

運用方形截面以及圓形截面構件內(nèi)部對稱位置的壓電功能塊進行信號發(fā)射和信號接收，對信號進行小波包能量分析，進而對鋼管混凝土內(nèi)部核心混凝土的均勻性進行評估。激勵信號采用掃頻信號、正弦信號和脈沖信號，測量2 次。用收發(fā)信號距離等同的一組傳感器的輸出信號來評定檢測結果。對于方鋼管混凝土柱4 個角區(qū)缺陷的檢測，選取每邊中間位置的壓電功能塊作為激勵器，采集對應鋼管外壁的2 個PZT的響應。

對于方鋼管混凝土的四邊鋼管內(nèi)壁與核心混凝土的截面粘結情況，分別采用嵌入式壓電功能元作為激勵，對于外壁PZT片接收信號的方式進行檢測。

3.2.2 基于機電耦合阻抗的鋼管混凝土界面性能檢測

鋼管壁與核心混凝土的粘結狀況，分別對于嵌入式壓電功能元和表面粘貼壓電陶瓷片進行機電耦合阻抗測量，通過阻抗結果的分析對界面粘結性能進行評估。

3.2.3 混凝土界面性能檢測

分別基于應力波和機電耦合阻抗測量，在混凝土澆筑后1～2 周內(nèi)測量一次。

選取嵌入和粘貼方案的方形截面和圓形截面鋼管混凝土試件各一個，進行多次檢測?；炷翝仓? d、7 d、14 d、28 d、90 d、180 d分別進行測試。