超聲波在巨型鋼管混凝土密實(shí)性檢測(cè)中的應(yīng)用

許 明 耀

(武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

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超聲波在巨型鋼管混凝土密實(shí)性檢測(cè)中的應(yīng)用

許 明 耀

(武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

介紹了超聲波檢測(cè)巨型鋼管混凝土密實(shí)性的原理，歸納了平面檢測(cè)、預(yù)埋聲測(cè)管檢測(cè)、混合檢測(cè)三種常規(guī)檢測(cè)方法，結(jié)合工程實(shí)例，綜合運(yùn)用三種檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巨型鋼管混凝土密實(shí)性的檢測(cè)，可供類似工程參考使用。

超聲波，巨型鋼管混凝土，密實(shí)性，檢測(cè)方法

0 引言

目前，巨型鋼管混凝土柱廣泛應(yīng)用于高層或超高層建筑中，深圳賽格廣場(chǎng)、武漢中心大廈及天津高銀117大廈等超高層建筑均有應(yīng)用。隨著巨型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在工程中應(yīng)用的日益增多，鋼管內(nèi)混凝土的質(zhì)量問題已逐漸成為施工質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。由于其截面尺寸大、內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜、施工困難等特點(diǎn)，即使?jié)仓咝阅芘蛎浕炷?，也?huì)出現(xiàn)孔洞、脫空等缺陷，造成工程質(zhì)量下降。近些年來，超聲波檢測(cè)是一項(xiàng)發(fā)展迅速的實(shí)用技術(shù)，其通過發(fā)射周期性超聲脈沖波，經(jīng)過結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播與接收，對(duì)其聲學(xué)參數(shù)的檢測(cè)與分析來判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部密實(shí)性。超聲波檢測(cè)技術(shù)操作簡單且對(duì)結(jié)構(gòu)無損傷，因而使之成為巨型鋼管混凝土密實(shí)性檢測(cè)的主要方法之一。

本文對(duì)超聲波檢測(cè)巨型鋼管混凝土密實(shí)性的原理、檢測(cè)方法以及注意事項(xiàng)作了相關(guān)介紹，并結(jié)合工程實(shí)例，綜合運(yùn)用幾種檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巨型鋼管混凝土密實(shí)性的檢測(cè)。

1 超聲波檢測(cè)巨型鋼管混凝土原理

超聲波檢測(cè)是指超聲波發(fā)射換能器在巨型鋼管柱外壁的一側(cè)發(fā)出周期性脈沖波，經(jīng)過鋼管壁、混凝土等傳播后，由接收換能器所接收，最后由儀器顯示聲波信號(hào)[1]。

在傳播途中如遇到缺陷時(shí)，將導(dǎo)致聲學(xué)參數(shù)(波形、波速、波幅)異常，通過對(duì)超聲脈沖波在混凝土中聲學(xué)參數(shù)的檢測(cè)與分析，判斷鋼管內(nèi)混凝土的缺陷情況。

當(dāng)鋼管與混凝土粘結(jié)良好且混凝土均勻密實(shí)時(shí)，其傳播聲速是在固定的范圍內(nèi)保持不變的，而當(dāng)鋼管內(nèi)存在缺陷時(shí)，會(huì)導(dǎo)致超聲波傳播時(shí)間增大，傳播速度相應(yīng)減小。

一般來說，超聲波在密實(shí)性良好的鋼管混凝土中傳播聲速在4.1 km/s～4.8 km/s范圍內(nèi)，而鋼管內(nèi)出現(xiàn)缺陷時(shí)聲速會(huì)有所改變，當(dāng)裂縫寬約0 mm～0.2 mm時(shí)，異常聲速3.5 km/s～4.1 km/s，當(dāng)裂縫寬約為0.2 mm～0.4 mm時(shí)，異常聲速為2.7 km/s～3.5 km/s。總之，鋼管內(nèi)混凝土缺陷越大，異常聲速會(huì)越小。

超聲波檢測(cè)巨型鋼管混凝土密實(shí)性時(shí)主要以聲速作為判別標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合幅值、頻率和波形等綜合特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)巨型鋼管混凝土缺陷的判斷。

2 超聲波檢測(cè)方法

在實(shí)際工程中，根據(jù)鋼管混凝土柱的尺寸大小、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、環(huán)境狀況、檢測(cè)表面以及可能出現(xiàn)缺陷等情況選用不同的檢測(cè)方法。參考已有研究成果[2-4]和工程實(shí)踐，目前國內(nèi)常采用平面檢測(cè)法、預(yù)埋聲測(cè)管檢測(cè)法和混合檢測(cè)法三種超聲波檢測(cè)鋼管混凝土缺陷方法，依據(jù)不同的方法選用不同的超聲波測(cè)試儀器?，F(xiàn)階段工程中常采用非金屬超聲波檢測(cè)儀以及平面換能器和徑向換能器等附屬配件，如圖1所示。

2.1 平面檢測(cè)法

平面檢測(cè)法一般包括徑向?qū)y(cè)法和軸向斜測(cè)法兩種，其主要檢測(cè)尺寸相對(duì)較小、掛壁較薄的鋼管柱內(nèi)孔洞、脫空等缺陷。檢測(cè)儀器需要一臺(tái)非金屬超聲波檢測(cè)儀及一對(duì)平面換能器進(jìn)行檢測(cè)。

2.1.1 徑向?qū)y(cè)法

徑向?qū)y(cè)法是指發(fā)射和接收換能器耦合于鋼管柱表面兩側(cè)，透射路線穿過鋼管柱的中軸線，并與其垂直，如圖2a)所示。其具體過程如下：

1)在檢測(cè)時(shí)首先在鋼管混凝土同一水平環(huán)線上將一對(duì)發(fā)射換能器和接收換能器用黃油與鋼管外壁進(jìn)行耦合，且需使發(fā)射和接收換能器的連線通過鋼管截面的圓心。

2)在同一水平環(huán)線上變換發(fā)射和接收換能器的位置進(jìn)行逐一檢測(cè)。其環(huán)線間距可根據(jù)鋼管混凝土直徑大小及其在結(jié)構(gòu)中所處的位置確定。

3)在檢測(cè)過程中如發(fā)現(xiàn)某些測(cè)點(diǎn)聲時(shí)偏長或波幅明顯偏低，應(yīng)檢查發(fā)射和接收換能器與鋼管外壁表面的耦合是否良好,同時(shí)還應(yīng)敲擊發(fā)射和接收換能器耦合處是否存在空鼓聲,以便排除耦合不良和混凝土與鋼管壁脫空的干擾。

2.1.2 軸向斜測(cè)法

軸向斜測(cè)法是指發(fā)射和接收換能器耦合于鋼管柱表面兩側(cè),透射路線穿過鋼管柱中軸線，但其不與柱軸線垂直，如圖 2b)所示，其具體過程與對(duì)測(cè)法一致。

2.2 預(yù)埋聲測(cè)管檢測(cè)法

預(yù)埋聲測(cè)管法包括管中對(duì)測(cè)法和管中斜測(cè)法，其主要檢測(cè)鋼管內(nèi)部混凝土的孔洞等缺陷,檢測(cè)儀器需要一臺(tái)非金屬超聲檢測(cè)儀以及一對(duì)徑向換能器進(jìn)行檢測(cè)。

2.2.1 預(yù)埋管中對(duì)測(cè)法

預(yù)埋管中對(duì)測(cè)法是指將發(fā)射和接收徑向換能器置于預(yù)埋的聲測(cè)管中的同一高度進(jìn)行檢測(cè)，如圖3a)所示，其具體過程如下：

1)將一對(duì)發(fā)射和接收換能器置于預(yù)埋聲測(cè)管內(nèi)，并用水進(jìn)行耦合，開啟超聲波儀器，調(diào)制相關(guān)參數(shù)，并保持儀器處于無干擾的環(huán)境中；

2)將發(fā)射和接收換能器置于同一高度，進(jìn)行聲速、波幅及頻率數(shù)據(jù)采集；

3)發(fā)射和接收換能器應(yīng)同步升降，從聲測(cè)管底部到上端進(jìn)行逐一檢測(cè)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)保持合理的間距，以免出現(xiàn)異常情況。

2.2.2 預(yù)埋管中斜測(cè)法

預(yù)埋管中斜測(cè)法是指將發(fā)射和接收換能器置于被測(cè)鋼管的預(yù)埋聲測(cè)管中,但兩個(gè)換能器不能處于相同高度而是需要保持一定高程差進(jìn)行檢測(cè),如圖3b)所示，其具體過程與對(duì)測(cè)法一致。

2.3 混合檢測(cè)法

混合檢測(cè)法也包括對(duì)測(cè)法和斜測(cè)法兩種，指將一個(gè)徑向換能器置于預(yù)埋聲測(cè)管中,另一個(gè)平面換能器耦合于鋼管外壁，其主要檢測(cè)聲測(cè)管與鋼管壁之間混凝土的密實(shí)性。其中對(duì)測(cè)法需要兩種換能器保持在同一水平線上,斜測(cè)法使兩種不同的換能器處于不同的高度，如圖4所示。

3 工程實(shí)例

本文綜合運(yùn)用上述三種超聲波檢測(cè)方法對(duì)武漢某超高層建筑中巨型鋼管混凝土柱的密實(shí)性進(jìn)行了檢測(cè)。工程中巨型鋼管柱的直徑為2 m～3 m，在鋼管柱內(nèi)設(shè)有圓形鋼筋籠，圖5為工程中巨型鋼管混凝土柱的截面圖，柱中澆筑為C60自密實(shí)混凝土。

為滿足工程中超聲波檢測(cè)的需要，在澆筑混凝土前，預(yù)先在巨型鋼管柱內(nèi)的圓形鋼筋籠上綁扎三個(gè)均勻分布的聲測(cè)管。巨型鋼管柱內(nèi)混凝土澆筑完成，且混凝土產(chǎn)生充分的收縮與徐變后密實(shí)性檢測(cè)開始進(jìn)行。鋼筋籠內(nèi)的區(qū)域密實(shí)性采用預(yù)埋聲測(cè)管法進(jìn)行檢測(cè)，鋼管與鋼筋籠間的區(qū)域密實(shí)性采用混合法進(jìn)行檢測(cè)。

在檢測(cè)過程中，將置于預(yù)埋聲測(cè)管中的徑向換能器用水進(jìn)行耦合，置于鋼管外壁的平面換能器涂黃油進(jìn)行耦合。發(fā)射與接收換能器由鋼管柱底同時(shí)往上依次進(jìn)行檢測(cè)，上下相鄰測(cè)點(diǎn)的距離為250 mm。

表1列舉了工程中兩根巨型鋼管混凝土柱的檢測(cè)結(jié)果，并依據(jù)超聲波檢測(cè)原理對(duì)其密實(shí)性進(jìn)行了分析判斷。

從判斷結(jié)果可以得到，巨型鋼管柱中大部分區(qū)域的密實(shí)性處于良好狀態(tài)，只有少數(shù)區(qū)域存在異?，F(xiàn)象，但該區(qū)域的截面平均聲速在大于3.5 km/s的范圍內(nèi)，表明鋼管柱內(nèi)并沒有出現(xiàn)較大的脫空、孔洞等缺陷，基本滿足工程質(zhì)量要求。

表1 超聲波檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語

巨型鋼管混凝土柱具有截面尺寸大、管壁厚、內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜、施工困難等特點(diǎn)，僅采用單一檢測(cè)方法難以確定巨型鋼管混凝土柱中缺陷的具體位置。

因此，將平面檢測(cè)法、預(yù)埋管檢測(cè)法和混合檢測(cè)法相結(jié)合，綜合應(yīng)用于實(shí)際工程中，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)其不足，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)巨型鋼管混凝土的密實(shí)性檢測(cè)。

[1] 曾運(yùn)平,敖 衛(wèi),薛 帆.超高層建筑矩形鋼管混凝土柱超聲波檢測(cè)技術(shù)[J].施工技術(shù),2011,40(22):76-78.

[2] 檀永杰,徐 波,吳智敏，等.基于超聲對(duì)測(cè)法的鋼管混凝土脫空檢測(cè)試驗(yàn)[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,29(2):102-110.

[3] 熊 銳.鋼管混凝土界面狀態(tài)試驗(yàn)研究與分析[D].武漢：武漢理工大學(xué),2013.

[4] 王 飛.超聲法在大體積復(fù)雜鋼管混凝土缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用研究[D].天津：天津大學(xué),2014.

Application of ultrasonic wave in compactness detection of giant steel tube concrete

Xu Mingyao

(School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

The theory of ultrasonic wave in compactness detection of giant steel tube concrete was introduced. It summarizes three common detection methods including plane detection, pre-embedded sonic-testing tube detection and composite detection. Combined with the engineering project, the integrated detection methods can be realized for giant steel tube concrete compactness detection and can provide a reference for similar projects.

ultrasonic wave, giant steel tube concrete, compactness, detection method

1009-6825(2016)12-0211-03

2016-02-17

許明耀(1988- )，男，在讀碩士

TU755.7

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