鋼管混凝土柱超聲波檢測技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用

張寧鋒 馬安財(cái)

（甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

1 工程概況

某建筑綜合體項(xiàng)目，其中1#樓地上結(jié)構(gòu)總高度為249.65m，出屋面尚有23.1m高的玻璃幕墻構(gòu)架，構(gòu)架頂標(biāo)高為272.60m。建筑平面為較規(guī)則的正方形平面。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用混凝土結(jié)構(gòu)，形式為（鋼管混凝土柱）框架+（外框架四角）剪力墻+（鋼筋混凝土）核心筒結(jié)構(gòu)（45層設(shè)有加筋層）。框架柱采用圓形截面混凝土填充鋼管柱，框架梁采用H形截面鋼梁，所有鋼管混凝土柱的鋼材采用Q345GJC，鋼管外徑在900-1100mm之間，管壁厚度在10-35mm之間，內(nèi)填混凝土等級為C45-C60之間的微膨脹自密實(shí)混凝土。

2017年2 月至2018年5月期間對1#樓鋼管混凝土框架柱的密實(shí)性、管內(nèi)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行了多次檢測。

2 鋼管混凝土檢測

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)力量合理、施工方便，核心混凝土在三向壓應(yīng)力作用下，其強(qiáng)度、韌性和抗變形性得到了很大的提高，近年來在建筑業(yè)中受到越來越多的關(guān)注。對于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土的密實(shí)性和強(qiáng)度逐漸成為工程質(zhì)量控制的重要指標(biāo)。由于施工技術(shù)的限制，即使采用特殊的膨脹混凝土，也會(huì)坍塌和脫粘，形成難以直接觀察的缺陷，直接影響結(jié)構(gòu)的工作性能。非金屬超聲波檢測技術(shù)是近年來發(fā)展極為迅速的實(shí)用技術(shù)，通過分析信號的變化可用來理解結(jié)構(gòu)中缺陷的分布。超聲波測試對待測結(jié)構(gòu)沒有損壞，且簡單易行[1，2]。

3 檢測原理

對于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)混凝土的原材料、配合比、內(nèi)部質(zhì)量和試驗(yàn)距離不變時(shí)，與超聲波傳播有關(guān)的聲學(xué)參數(shù)的測量值，如傳播速度、第一波的幅度和接收信號的頻率，應(yīng)該基本相同。如果在結(jié)構(gòu)中混凝土的局部區(qū)域存在諸如空隙和未壓實(shí)區(qū)域的缺陷，則測量所得的聲學(xué)時(shí)間值將偏大且振幅和頻率值將減小?；诼晫W(xué)參數(shù)的這些變化，可以推斷混凝土中內(nèi)部缺陷的發(fā)生[3]。

超聲波測試混凝土填充缺陷有三種主要方法：

1）首波聲時(shí)法

當(dāng)探頭的接收端接收第一波作為最短路徑聲音時(shí)，可以通過檢測超聲波的大小來判斷聲音路徑。超聲波可以穿過鋼管壁、核心混凝土和鋼管壁到另一端的接收探頭（假設(shè)聲時(shí)為t1），也可以沿著鋼管壁的半圓傳遞到另一端的接收探頭（假設(shè)聲時(shí)為t2）。因而使用第一波聲時(shí)法檢測的前提條件是t1＜t2[4]。

2）首波頻率法

超聲波探傷儀的發(fā)射端產(chǎn)生固定頻率的脈沖波?；炷粱蛴腥毕莼炷恋木鶆蛐栽讲?，高頻波衰減越明顯，到達(dá)接收探頭的波主要是低頻波。對于致密無缺陷的混凝土，第一波頻率相對較高。因此，可以基于第一波頻率判斷混凝土的密實(shí)性和缺陷是否存在[5]。

3）波形識別法

通過檢查脈沖波形的失真程度，可以判斷鋼管中填充混凝土是否存在缺陷。如果超聲波檢測儀發(fā)射的脈沖正弦或余弦波在傳播過程中遇到界面，特別是固-氣界面，則可能發(fā)生反射和衍射，在反射或衍射波與原始脈沖波疊加之后產(chǎn)生波干涉，并且導(dǎo)致波形失真[6]。

4 檢測方法及測點(diǎn)布置

4.1 測試方法

該項(xiàng)目利用北京智博聯(lián)ZBL-U5700型多通道測樁儀配水平向換能器，超聲波縱波脈沖對穿法檢測，選擇頻率為50KHz、換能器直徑為4cm，同時(shí)使用凡士林作為偶合劑，將收、發(fā)換能器放置在鋼管的圓周上沿直徑方向進(jìn)行測試。測試過程中用小錘敲擊測試截面鋼管表面的方法進(jìn)行初步檢查，聽取敲擊聲，并進(jìn)行初步判斷[3]。

4.2 測點(diǎn)布置

根據(jù)“超聲波法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程”（CECS21-2000），采用超聲波配對法，在待測構(gòu)件的兩個(gè)相對的測試面中的每一個(gè)上繪制等距網(wǎng)格，且相應(yīng)的測量點(diǎn)位置按圖1中數(shù)字進(jìn)行編號。對每個(gè)測量點(diǎn)的聲音時(shí)間、振幅和頻率值按一定順序測量并進(jìn)行分析。

圖1 缺陷測試部位和線路布局

測試前先對該項(xiàng)目1#樓待測鋼管混凝土柱按照隨機(jī)抽樣原理進(jìn)行抽樣，選定的7根測試構(gòu)件（柱）及其位置、幾何、物理參數(shù)見表1。

表1 1#樓檢測構(gòu)件位置及幾何、物理參數(shù)

對于泵送的每個(gè)混凝土填充的鋼管柱均勻地選擇10個(gè)部位，每個(gè)測試部位布置有6條線作為換能器放置位置。對于混凝土和管壁塌陷等可疑點(diǎn)，可添加測試點(diǎn)以確定缺陷的程度和范圍。測試部位和線路布局如圖1所示。

5 檢測結(jié)果分析

5.1 數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場檢測時(shí)，對出現(xiàn)波速明顯小于常值的測點(diǎn)視為可疑測點(diǎn)，當(dāng)遇到可疑測點(diǎn)時(shí)，需對該測點(diǎn)重復(fù)測試，直到多次測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定為止。測量區(qū)域中每個(gè)測量點(diǎn)的波速值按從大到小的順序排列，明顯落后的數(shù)據(jù)被認(rèn)為是可疑的。然后用可疑數(shù)據(jù)中的最大值與先前數(shù)據(jù)一起計(jì)算平均值mx和標(biāo)準(zhǔn)偏差sx，并用以下公式代替計(jì)算異常情況X0的判斷值：

X0=mx-λ1·sx

式中，λ1為99.75%的可靠度對應(yīng)的保證率系數(shù)，按照3σ（σ即sx）原則，取λ1=3。

將判斷值X0與可疑數(shù)據(jù)的最大值Xn進(jìn)行比較，當(dāng)Xn小于或等于X0時(shí)，則Xn及排列于其后的各數(shù)據(jù)均為異常值；當(dāng)Xn大于X0時(shí)，應(yīng)再次放入X（n+1）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和鑒別。當(dāng)沒有出現(xiàn)異常值時(shí)，將最小測試值與判斷值X0進(jìn)行比較，當(dāng)最小值大于判斷值時(shí)，認(rèn)為密實(shí)性和強(qiáng)度符合要求?；炷羶?nèi)部的無約束區(qū)域或空隙的范圍可以通過組合異常測量點(diǎn)的分布和波形條件來確定[4]。

表2 1#樓7/D#鋼管混凝土柱超聲檢測部分結(jié)果

5.2 質(zhì)量檢測綜合評判

目前，我國對鋼管混凝土內(nèi)部填充質(zhì)量的檢測和評估是基于規(guī)范和該項(xiàng)目的相關(guān)類似測試實(shí)踐，并結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算，可分析和判斷鋼管內(nèi)混凝土澆筑質(zhì)量。一般可按如下四類進(jìn)行評判：

I類：該混凝土具有良好的密實(shí)性和良好的組合性，混凝土波速＞4100m/s

Ⅱ類：混凝土具有良好的密實(shí)性和組合性，混凝土波速為3800-4100m/s

Ⅲ類：混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)，組合性好，混凝土波速為3500-3800m/s

Ⅳ類：混凝土的密實(shí)性和組合性差，混凝土波速＜3500m/s，波形有細(xì)波或不清楚，混凝土有缺陷，錘子受到回聲撞擊

5.3 檢測綜合評判結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在得到鋼管的密實(shí)性和混凝土與鋼管的組合性之后，使用第一波聲時(shí)間、波形和第一波頻率進(jìn)行綜合評價(jià)。通過分析和計(jì)算，得到鋼管混凝土的密實(shí)性和綜合性能的試驗(yàn)結(jié)果。部分檢測結(jié)果見表2。

6 檢測結(jié)論

通過對測試數(shù)據(jù)的比較分析，得出以下結(jié)論：

1）用小錘子敲擊試驗(yàn)對象的表面部分，敲擊聲是沉悶的。

2）超聲波第一波接收信號良好，接收頻率高，聲音傳播正常，檢測部分各測量區(qū)域的波速滿足要求。測試波形清晰正常，波形不失真。

以上表明：本項(xiàng)目填充鋼管混凝土柱的混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)，混凝土和鋼管結(jié)合良好，混凝土強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。