全輕鋼纖維鋼筋混凝土損傷梁的綜合無損檢測方法

宋文超

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

全輕鋼纖維鋼筋混凝土損傷梁的綜合無損檢測方法

宋文超

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

本文利用超聲波法對梁進(jìn)行聲速測量，并結(jié)合所觀察到的梁表面混凝土孔洞、裂縫分布形態(tài)和大小，對梁的內(nèi)部缺陷狀況進(jìn)行分析；采用回彈法對梁進(jìn)行回彈，來確定混凝土表面強(qiáng)度及其分布的均勻性；采用振動法對梁進(jìn)行動態(tài)檢測，基于不同沖量、3只不同靈敏度加速傳感器所采集到的綜合信號，通過小波分析進(jìn)行處理，判斷出損傷個數(shù)、損傷位置和相對損傷程度。試驗證明，通過該綜合方法，可以由表及里、由現(xiàn)場實測結(jié)合理論計算，全面獲得梁的損傷信息，使評估判斷更具有科學(xué)合理性，使評估結(jié)果更準(zhǔn)確可靠。

損傷位置；損傷程度；動態(tài)信號；聲速值；回彈值；無損綜合檢測

實際工程中，混凝土梁的無損檢測還是以回彈法、超聲波法為主，對混凝土梁進(jìn)行測量，通過回彈值和聲速值來判斷梁的內(nèi)部缺陷(如裂縫、空洞、離析、沉渣)。然而，超聲波法只能對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷粗略地進(jìn)行區(qū)域位置和大小的確定，如果波傳播方向與缺陷方向不一致，就會導(dǎo)致漏檢；回彈法只能對混凝土結(jié)構(gòu)表面10 mm～15 mm厚度范圍內(nèi)的質(zhì)量進(jìn)行判定；對振動法所采集到動態(tài)信號進(jìn)行小波分析時，由于邊界處往往會出現(xiàn)奇異點(diǎn)，從而導(dǎo)致誤判和錯判。這就導(dǎo)致對梁的檢測和質(zhì)量評估存在很大的誤差，不能詳細(xì)地、精確地確定損傷位置、損傷程度和損傷面積。

本文結(jié)合實際工程無損檢測存在的問題，通過超聲、回彈和振動法對LC30全輕鋼纖維鋼筋混凝土梁的強(qiáng)度和質(zhì)量評估進(jìn)行了研究，對比分析了3種不同檢測方法，為全輕鋼筋混凝土梁無損檢測提供一些參考。

1 試驗方法

本文研究對象為LC30全輕鋼纖維鋼筋混凝土梁，梁的規(guī)格尺寸為3 000 mm×200 mm×150 mm，鋼筋采用6根HRB335，頂部3根和底部3根，箍筋采用HPB300，箍筋率1%，所用的頁巖陶?；炷僚浜媳热绫?所示，配筋圖如圖1所示。陶粒密度等級為 675 級，表觀密度為958 kg/m3，粒徑大小是 5 mm～15 mm，堆積密度是610 kg/m3；陶砂密度等級為650級，表觀密度為605 kg/m3，粒徑大小是 0 mm～5 mm，堆積密度是700 kg/m3；mC、mFA、mLC、mLF、mW、mWRA分別表示水泥、粉煤灰、陶粒、陶砂、自來水和減水劑的質(zhì)量。

表1 LC30混凝土的配合比 /kg

全輕鋼纖維鋼筋混凝土梁在澆筑過程中，由于各種原因，導(dǎo)致梁形成孔洞、蜂窩或麻面，如圖2所示。本文采用超聲法、回彈法和振動法[1-4]3種方法對全輕鋼筋混凝土梁進(jìn)行綜合的無損檢測，以便詳細(xì)、精確地判斷出梁的損傷位置和損傷程度，同時，對其質(zhì)量進(jìn)行一個定量的評估。

圖1 全輕鋼纖維鋼筋混凝土梁的配筋圖

圖2 有缺陷的全輕鋼纖維鋼筋混凝土梁

1.1 回彈法和超聲波法

依據(jù)《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》(CECS21:2000)和文獻(xiàn)[1]，用超聲、回彈法對全輕鋼筋混凝土梁進(jìn)行檢測，把梁的測試區(qū)域分為15塊，如圖3所示。

圖3 全輕鋼纖維鋼筋混凝土梁的測區(qū)劃分

回彈法、超聲波法檢測全輕鋼筋混凝土梁的數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表2 全輕鋼纖維鋼筋混凝土梁測得的回彈值

表3 全輕鋼纖維鋼筋混凝土梁測得聲速 /(km·s-1)

圖4 LC30全輕鋼纖維鋼筋混凝土梁測區(qū)的平均回彈值和平均聲速值

平均回彈值和平均聲速如圖4所示。對鋼纖維全輕鋼筋混凝土梁進(jìn)行實際損傷檢查時，結(jié)合圖4可以看出，在1.0 m至1.2 m和1.8 m至2.0 m處有少量“麻面”和孔洞出現(xiàn)，同時在2.4 m至2.8 m處有大量的“麻面”和孔洞出現(xiàn)，相比的后者“麻面”和孔洞的面積要比前者的面積大。同時，后者“麻面”和孔洞所造成的損傷程度要比前者大很多。

1.2 取芯驗證

依據(jù)《鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(CECS03∶2007)，用鉆芯機(jī)在梁的兩端隨機(jī)取得3個直徑為50 mm，高度為150 mm的標(biāo)準(zhǔn)樣，對其進(jìn)行抗壓試驗，測得數(shù)據(jù)如表4所示。通過計算得抗壓強(qiáng)度平均值為23.98 MPa。

表4 取芯標(biāo)準(zhǔn)樣的抗壓強(qiáng)度

從表4可知，梁的實際強(qiáng)度的確低于設(shè)計強(qiáng)度LC30，所以通過超聲、回彈試驗所推斷出梁的強(qiáng)度是正確、有效的，在使用梁時，要對其進(jìn)行加固處理才能達(dá)到使用要求。

圖5 全輕頁巖陶?；炷亮旱膭討B(tài)信號采集原理圖

1.3 振動法

在全輕鋼纖維鋼筋混凝土梁的一端分別用質(zhì)量為0.85 kg、1.275 kg、2.55 kg的秤砣從高度分別為200 mm、300 mm、400 mm撞擊梁端，在梁的另一端安裝3只壓電式加速傳感器，加速度傳感器1、2、3的靈敏度分別為49.90、51.57、50.80，然后把加速傳感器連接到恒流源，恒流源連接到數(shù)據(jù)采集儀，通過電腦軟件采集信號。試驗過程如圖5所示。

2 小波分析在全輕鋼纖維鋼筋混凝土梁損傷檢測的應(yīng)用

實際工程中，小波基的選擇對信號的分析極為重要，Daubechies小波函數(shù)作為有限緊支撐正交小波，不僅時域局部化特強(qiáng)，還有小波分解過程中提供數(shù)字濾波器更加實用有效，起到良好的去噪效果。因此，本文采用db6小波對梁的加速度信號進(jìn)行分析。

2.1 動態(tài)采集信號處理

對不同沖量采集到的動態(tài)信號進(jìn)行DWT，本文選擇“db6”小波，用DWT代替CWT，這樣就很容易利用小波分解和重構(gòu)原始信號[12-15]。近似信號表明，波形幅值相對于原來信號的幅值存在一個小波分析的邊緣失真問題[16-18]。而細(xì)節(jié)信號恰恰彌補(bǔ)這一缺陷，隨著小波分解水平的增加，小波的邊緣失真現(xiàn)象越來越小。因此，選用a1～a27中的6級細(xì)節(jié)系數(shù)波形b1～b27作為損傷指標(biāo)的最優(yōu)水平。

2.2 動態(tài)信號的分析

綜合比較cd6波形可知，除邊緣以外的三個區(qū)域還存在模極大值，且這三個區(qū)域的采樣點(diǎn)范圍分別為200～400、400～600和800～1 000。同時，在cd1～cd5波形中采樣點(diǎn)范圍分別為200～400、400～600和800～1 000的區(qū)域也存在模極大值。因此，在采樣點(diǎn)250、456和816處存在模極大值，可判斷為在采樣點(diǎn)分別為250、456和816處是奇異點(diǎn)。

當(dāng)mst為0.85 kg，在h為400 mm時，可從cd6波形中識別出損傷位置；但隨著mst和h增大，cd6波形振蕩劇烈，損傷位置識別困難。除了采樣點(diǎn)范圍為0～200、800～1 000區(qū)域的邊緣振幅較陡峭外，其他地方基本為0。但有三個區(qū)域仍有明顯的峰值，即在采樣點(diǎn)范圍為200～400、400～600和800～1 000區(qū)域分別有一個奇異點(diǎn)出現(xiàn)。因此，可以判斷出該梁有三處區(qū)域存在內(nèi)部損傷。

通過對b3～b5、b7～b9、b19～b21、b24～b27中的cd6波形分別在采樣點(diǎn)為250、456和816處所對應(yīng)的波振幅值進(jìn)行對比分析，并通過計算可知，采樣點(diǎn)259處的平均波振幅值A(chǔ)250為0.125，采樣點(diǎn)456處的平均波振幅值A(chǔ)456為0.065，采樣點(diǎn)820處的平均波振幅值A(chǔ)820為0.003，亦即前者的損傷程度大于中者，中者的損傷程度要大于后者。

3 3種檢測方法對比分析

回彈法通過回彈值來判斷混凝土硬度，但卻不能檢測出內(nèi)部混凝土實際狀況存在的差異；超聲法通過聲速的改變來判斷缺陷的位置和相對大小，但如果波的傳播方向與缺陷方向不一致，就會導(dǎo)致漏檢，存在一定盲區(qū)；振動法通過波形的奇異點(diǎn)數(shù)和奇異點(diǎn)所對應(yīng)的波的振幅可以判斷出梁整體是否存在損傷、損傷的區(qū)域個數(shù)和損傷的位置，但對于具體的損傷面積、損傷的實際位置和損傷的嚴(yán)重程度都無法詳細(xì)的檢測。

4 結(jié) 語

本文通過回彈法、超聲波法和振動法3種綜合方法對全輕鋼纖維鋼筋混凝土梁進(jìn)行無損檢測，得到以下結(jié)論：

(1)綜合超聲、回彈試驗結(jié)果，可以綜合推斷出梁的實際強(qiáng)度要低于設(shè)計強(qiáng)度LC30，為了驗證這一推斷結(jié)果，對梁進(jìn)行取芯試驗，取芯標(biāo)準(zhǔn)樣的平均抗壓強(qiáng)度為23.98 MPa，所以梁的實際強(qiáng)度的確低于設(shè)計強(qiáng)度，應(yīng)對梁進(jìn)行加固處理才能使用。

(2)通過小波分析可知，在采樣點(diǎn)范圍200～400、400～600和800～1 000之間，各存在一個奇異點(diǎn)，由此可判斷出此梁存在3個損傷區(qū)域。

(3)以不同檢測方法檢測指標(biāo)及檢測對象互補(bǔ)性為基礎(chǔ)，可以由表及里全面獲得量的損傷信息，根據(jù)損傷信息可以科學(xué)合理的對其質(zhì)量進(jìn)行評估。

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Experimental Study on Comprehensive Testing of All Light Reinforced Concrete Beam with Steel Fiber

SONG Wenchao

(Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

In the paper the sound velocity value of the concrete are tested by ultrasonic test method. The internal defects of the beam are qualitatively analyzed when surface of the concrete beam hole and shape and size of crack distribution are observed. The beam is tested by rebound method in order to find uniformity of concrete surface strength and distribution. The dynamic detection of beam is done by use of vibration method, integrated signal is collected by acceleration sensors of different impulse and three different sensitivity. Based on wavelet analysis, damage number, damage Degree are judged by the principle of singularity. The results proved that the comprehensive method from the test can find damage of the beams, which is more scientific and rational. Meanwhile , it make the evaluation results more accurate and reliable.

damage location; damage degree; dynamic signal; sound velocity value; rebound value; nondestructive comprehensive test

10.3969/j.issn.1674-5403.2017.04.004

TU528

A

1674-5403(2017)04-0014-05

2017-08-30

宋文超(1992-)，男，河南焦作人，在讀碩士研究生，主要從事工程材料與結(jié)構(gòu)方面研究.