超聲法檢測鋼管混凝土缺陷的分析與探討

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(1.云南省建筑科學研究院， 昆明 650223；2.云南建筑工程質量檢驗站有限公司，昆明 650223)

鋼管混凝土是在鋼管中填充混凝土形成共同承受外荷載作用的一種組合結構，在結構上結合了二者的優(yōu)點，即混凝土處于側向受壓狀態(tài)，增強了混凝土抗壓強度，同時混凝土的存在提高了鋼管的剛度，從而大大提高了結構的承載能力和穩(wěn)固性。對新建的鋼管混凝土結構，混凝土密實度是影響結構受力、安全評估的主要因素，必須依據(jù)規(guī)范要求進行鋼管混凝土柱密實度檢測，為工程實體質量提供真實有效的試驗數(shù)據(jù)。

目前鋼管混凝土缺陷檢測方法主要有敲擊法、鉆芯法和超聲法，敲擊法雖操作便捷但僅能初步判斷結合面缺陷，一般作為輔助檢測方法使用；鉆芯法具有直觀、準確度高的優(yōu)點，但對結構損失大，檢測后還需進行結構修復而耗時耗力，一般在工程存在爭議時采用。超聲法檢測鋼管混凝土缺陷是現(xiàn)在發(fā)展趨勢較好的一種無損檢測方法，它可以提供內部缺陷的相關數(shù)據(jù)，還能保證結構自身的完整性，較為經(jīng)濟方便。CECS21:2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術規(guī)程》雖對鋼管混凝土缺陷檢測作了相關規(guī)定，前人在該領域也做了大量研究，提供了許多有價值的成果，但對數(shù)據(jù)的分析和缺陷的判定較為籠統(tǒng)，而檢測中超聲數(shù)據(jù)的準確性對缺陷的分析至關重要，故筆者結合工程實例對超聲波檢測鋼管混凝土的缺陷分析和數(shù)據(jù)修正展開探討。

1 檢測原理

超聲應用于鋼管混凝土缺陷檢測時，采用的是超聲透射波法，其檢測原理為：一端的發(fā)射探頭發(fā)射出的超聲波，經(jīng)鋼管混凝土通過多種路徑由另一端接收探頭接收；超聲波在傳播過程中遇到缺陷時，聲波會產(chǎn)生反射而衰減掉一部分能量，另一部分將繞過缺陷由另一端的接收探頭所接收，檢測時根據(jù)接收到的超聲波聲學參數(shù)的平均值和標準偏差的統(tǒng)計計算及異常值的判別，參考波形曲線首波、波幅頻率的變化趨勢，再結合敲擊法的結果對缺陷進行判定[1]。超聲法檢測鋼管混凝土密實度常用的測試方法有對測法、斜側法、鉆孔測法，文中工程檢測采用對測法采集聲學參數(shù)，結合敲擊法結果進行分析。常規(guī)鋼管混凝土對測法檢測示意如圖1所示，采用對測法時方鋼管混凝土中的聲波傳播路徑如圖2所示。圖1，2中T為發(fā)射探頭，R為接收探頭。

圖1 鋼管混凝土對測法檢測示意

圖2 對測法檢測方鋼管混凝土時的探頭布置及聲波傳播路徑示意圖

2 工程背景

鋼框架高層鋼混結構，鋼柱為箱型柱，柱結構形式僅端頭處有內隔板，牛腿節(jié)點部位無橫向內隔板(見圖3)，鋼柱內灌注自密實混凝土，實際施工時分段完成澆筑，每段柱為一個澆筑批次，施工在澆筑前將振動棒插入柱子內，邊澆筑邊振搗。在澆筑完成7 d內進行密實度檢測，以降低結合面脫空概率，檢測儀器使用ZBL～U510非金屬超聲儀(見圖4)。

圖3 現(xiàn)場柱結構示意

圖4 ZBL～U510非金屬超聲儀

3 模擬對比試驗

為區(qū)分有效波形和脫空現(xiàn)象的無效數(shù)據(jù)，進行了鋼管混凝土無缺陷和脫空時的檢測對比試驗，作為數(shù)據(jù)分析時的參照。試驗將相同混凝土試塊置于兩塊同規(guī)格鋼板之間，一組用黃油將混凝土與鋼板接觸面耦合壓緊，使結合面黏結良好；另一組不用耦合劑處理結合面，以模擬脫空。然后分別對兩組試件進行密實度檢測并采集數(shù)據(jù)，試驗現(xiàn)場如圖5所示。

對比試驗采集到的波形如圖6所示，可見：鋼管混凝土密實、無缺陷時采集的波形良好、首波清晰，波幅穩(wěn)定；而混凝土與鋼管壁結合面黏結不良時，存在超聲波斷路現(xiàn)象，波形雜亂，采集不到有效波形，即脫空現(xiàn)象。

圖5 對比試驗現(xiàn)場

圖6 對比試驗采集到的波形

4 檢測注意事項

(1) 利用超聲法進行鋼管混凝土缺陷檢測前，首先應了解混凝土澆筑工藝過程、鋼管柱結構形式，這有助于檢測時合理布置測點及后續(xù)的缺陷分析。

(2) 通過敲擊法初步判斷存在脫空的位置，選擇鋼管與混凝土膠結良好的部位布置測點，若敲擊法有大面積的“空響”，則需進行高壓注膠處理，同時應確保鋼管外表面光潔、無嚴重銹蝕。

(3) 應結合構件尺寸和外觀質量情況布置測點，一般按鋼管實際邊長在對測面用墨線畫出等間距的網(wǎng)格，間距宜為100～300 mm，將網(wǎng)格線交點作為測點并按順序編號(見圖7)，測點布設時應避開焊縫、隔板位置。

圖7 現(xiàn)場準備及檢測工作

(4) 檢測前，在各測點均勻涂抹黃油作為耦合劑，使接收、發(fā)射探頭與鋼管柱壁結合面耦合良好，耦合劑不宜過厚也不宜太少，能覆蓋探頭接觸面即可；檢測時要壓緊探頭，使超聲波能夠較好地傳播。

(5) 采集數(shù)據(jù)時應使探頭垂直柱壁并在對測面保持同一水平位置，即將T/R探頭按布置好的網(wǎng)格線對稱置于相應測點，使探頭接觸面圓心與網(wǎng)格線交點盡可能重合，再按測點編號逐點采集波形，采集數(shù)據(jù)時參照模擬對比試驗區(qū)分有效波形與受到脫空影響的波形，提高數(shù)據(jù)的準確性。

5 超聲法檢測鋼管混凝土常規(guī)缺陷特征

查閱相關研究資料，結合多項工程的鋼管混凝土密實度檢測實踐，總結了超聲法檢測鋼管混凝土的常規(guī)缺陷波形特征[2]，如表1所示。

表1 超聲法檢測鋼管混凝土的常規(guī)缺陷波形特征

6 檢測數(shù)據(jù)分析

采用超聲數(shù)據(jù)處理軟件，參照標準CECS21:2000要求對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進行分析，分析時應注意超聲首波聲時的修正。鋼管與混凝土兩種介質的聲阻抗存在較大差異，首波聲時修正的目的是將儀器檢測到的聲時修正為混凝土中的傳播聲時，排除不同壁厚傳播聲時的影響；超聲波穿過鋼管混凝土的路徑分為混凝土和鋼管兩部分(見圖2)，超聲儀接收到的信號包含兩部分聲時，超聲波在鋼管混凝土的傳播首波聲時，計算公式如下[3]

T=tc+2d/Cs

(1)

式中：T為超聲波在鋼管混凝土中的傳播首波聲時；tc為超聲波在混凝土中傳播的首波聲時；d為鋼管壁厚；Cs為超聲波在鋼管中透射傳播速度，一般取值為5 900 m·s-1。

則修正超聲在混凝土部分傳播的首波聲時tc=T-2d/Cs。

該工程鋼管壁厚(δ)規(guī)格對應的首波修正分別為：δ=8 mm(修正聲時2.7 μs)，δ=10 mm(修正聲時3.4 μs)，δ=12 mm(修正聲時4.0 μs)，δ=14mm(修正聲時4.7 μs)，δ=16 mm(修正聲時5.4 μs)，δ=20 mm(修正聲時6.8 μs)。

如測點采集數(shù)據(jù)顯示測距200 mm，所測首波聲時為51.2 μs，鋼管壁厚為8 mm，修正聲時2d/Cs=2.7 μs，則超聲波在混凝土中傳播的首波聲時為tc=T-2d/Cs=48.5 μs，通過修正首波聲時可計算超聲波在混凝土中傳播的理論波速為(L-2d)/tc=3 794 m·s-1，其中L為探頭測距。該測點波形曲線首波清晰，波形表現(xiàn)為等間隔規(guī)則周期振動，波幅穩(wěn)定無畸變，可判定為良好混凝土波形。

通過超聲數(shù)據(jù)處理軟件對各構件的采集數(shù)據(jù)進行分析，可得到聲速、波幅、頻率平均值及標準偏差(見圖8)，對顯示異常的曲線應結合測點所在位置及現(xiàn)場錘擊法記錄的數(shù)據(jù)分析原因。鋼管混凝土密實無缺陷時，采集到的波形良好、首波清晰，波幅穩(wěn)定，如圖6(d)所示。而混凝土與鋼管壁結合面黏結不良時，聲時長，波速較低，波幅稀疏無規(guī)律，首波脈沖寬；當脫空時會產(chǎn)生超聲波斷路現(xiàn)象，傳播介質的聲阻抗由強到弱再到強，能量衰減較大，當量級小于或相當于環(huán)境干擾波使波形雜亂，無法采集到有效波形，如圖6(d)所示；鋼管混凝土內部存在空洞缺陷時聲時偏大，波幅低，波形后半部分有規(guī)律，可依據(jù)附錄C的空洞尺寸估算方法對空洞缺陷進行估算，因不同類型缺陷對波幅變化影響各異，分析時應以首波聲時、聲速為主，波幅為輔[4]。

圖8 超聲數(shù)據(jù)處理軟件波形分析界面

通過對有效波形的分析，得出所測構件的波速、波幅、頻率及相應偏差，如表2所示。

表2 同測距不同壁厚所測聲速、波幅、頻率及修正聲速數(shù)據(jù)表

對相同測距不同壁厚的鋼管混凝土的首波聲時進行修正，得出修正后超聲波在混凝土中的傳播速度為3 800～3 900 m·s-1的，所測首波聲速隨著壁厚遞增而呈遞增趨勢，數(shù)據(jù)顯示不同壁厚對超聲法檢測鋼管混凝土缺陷的精確性存在一定影響，通過首波聲時修正得出超聲波在混凝土中的傳播聲速，可一定程度上減小壁厚因素造成的誤差，提高對缺陷判定的精確性。

據(jù)研究表明，超聲波在密實混凝土中的傳播速度為3 600～4 800 m·s-1。將工程劃分為9個檢測批，每檢測批按5根構件共45個構件進行檢測，所測鋼管混凝土超聲波有效首波波速均值在3 734～4 180 m·s-1間，修正聲時后混凝土中傳播波速均值在3 622～3 898 m·s-1間，均在有效范圍內，且離散性小，測點有效波形首波清晰，波幅穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)混凝土不密實缺陷；在這批構件的實際檢測中，對波形雜亂，采集的首波聲時較大、波速低測點或不能采集有效波形，無明顯首波區(qū)域的情況，按測點編號對照現(xiàn)場錘擊法的檢測結果記錄區(qū)域，發(fā)現(xiàn)局部存在鋼管壁與混凝土的脫空現(xiàn)象，主要分布在鋼柱與樓板面交接區(qū)域、后焊接節(jié)點區(qū)域、焊接端隔板區(qū)域(見圖9)，以上區(qū)域均存在局部受熱現(xiàn)象而導致管壁與混凝土脫黏；對脫黏位置應采用鉆孔高壓注膠處理，然后進行二次超聲檢測數(shù)據(jù)采集。

圖9 鋼管壁與混凝土的脫空分布區(qū)域

7 結語

在超聲法檢測鋼管混凝土密實度缺陷時，應先了解構件結構和混凝土澆筑工藝過程，結合不同結構形式布設測點，在不了解密實與缺陷曲線參數(shù)時應進行模擬對比試驗，直觀地對比因膠結不良、脫空采集的參數(shù)，有助于實際檢測時對有效波的判定；其次脫空處理是檢測缺陷的關鍵，對脫空位置應鉆孔高壓注入修補膠，使柱壁板與混凝土間耦合密實，確保采集到有效數(shù)據(jù)；對數(shù)據(jù)進行分析時應對首波聲時進行修正，計算相應波速并結合波形特征、波幅、頻率對缺陷進行綜合判別，通過首波聲時修正可減小因管壁厚因素造成的誤差，提高對檢測缺陷判定的精確性。