用超聲波平測法檢測混凝土柱的裂縫

鄭夷洲

西安建筑科技大學（710055）

目前,在工程結構領域中一個相當普遍的問題就是結構物的裂縫，并且近年來日趨增多，它極大地影響了混凝土的耐久性。裂縫會直接影響結構的承載能力與耐久性，為了確定裂縫的危害性及制定相應的補救措施,很關鍵的一點就是要測定裂縫的深度。為了不破壞或最大限度地避免破壞混凝土結構物,對其裂縫的檢測更多地采用無損檢測方法,其中主要有超聲波法[1]。近年來,超聲波法檢測混凝土結構物裂縫的技術已經比較成熟,在建筑物結構檢測評估中得到廣泛采用。

1 混凝土裂縫深度的“超聲波平測法”原理簡介

測試方法是分別檢測跨縫和不跨縫的聲時和測距后，計算出裂縫深度。其基本原理是根據在同一測距下跨縫與不跨縫聲波的傳播路徑不同來推斷裂縫深度。不跨縫聲波是直線傳播，而跨縫聲波需繞過裂縫末端形成折線傳播，傳播聲時延長,在假定跨縫與不跨縫測試的混凝土聲速基本一致的條件下,根據其傳播聲時的差別來計算出裂縫的深度。

2 某建筑物概況

該建筑物位于濱海某城市城區內,其建筑面積約16 600 m2，該建筑物目前正處于施工階段，其地上部分為呈環形布置的高層塔樓，環形樓群中間包圍面積約800 m2的空曠廣場，地下室凈高為3.8 m，地下室四周為混凝土擋土墻，基礎采用預應力管樁基礎。2008年6月下旬，由于該濱海城市連降暴雨，該地下室由于空曠廣場區域自重較輕產生了上浮，并導致部分框架柱頂部和腳部開裂并出現多條裂縫。

3 鋼筋混凝土框架柱裂縫檢測

對該地下室一層存在問題的66根框架柱進行了裂縫檢測。現以其中2根（54/G、55/K）柱的裂縫檢測情況及其成因[2]作以說明。

通過觀察與測量來確定裂縫的范圍、數量、分布、走向、長度、寬度等。其中,裂縫寬度視裂縫的走向和長度選取3~5個有代表性的點用刻度放大鏡測量。54/G和55/K框架柱上主要裂縫的檢測結果見表1。

經裂縫普查發現,檢測的2根框架柱共有12條裂縫,所有裂縫均分布在柱的四周,且都是從柱頂部或者柱角表面開裂后沿柱的表面向下或向上斜向發展。未發現貫穿性裂縫，最長642 mm，最寬0.75 mm的裂縫出現在柱54/G上,54/G柱的裂縫分布見圖1。

表1 框架柱中幾條主要裂縫檢測結果

圖1 54/G柱裂縫分布

根據《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》(CECS21：2000),采用北京康科瑞公司的NM-3B非金屬超聲檢測分析儀,運用超聲波單面平測法(適用于深度小于500 mm的裂縫)檢測框架柱裂縫深度。

1）測點布置。根據框架柱裂縫G1的長、寬和走向，在其上共布置了3個測點(見圖2)。對每一測點測試不跨縫數據和跨縫數據,并各取5個測距進行檢測。利用這兩部分數據,便可計算得到測點裂縫的深度。由于脈沖波在鋼筋中的傳播速度比在混凝土中的快,在發射和接收換能器的連線上或其附近存在主鋼筋時,將影響混凝土聲速的測值,其影響程度取決于鋼筋相對于測試方向的位置及鋼筋的數量和直徑.因此,布置測點和選取測距時應充分考慮混凝土結構物內部配筋情況。

圖2 檢測裂縫G1深度的測點布置

2）儀器調試。接好發射(T)與接收(R)換能器,準確設置檢測儀器的參數,將儀器調試到最佳狀態。

3）試驗數據采集。檢測中應清理混凝土梁表面使之平整,在換能器表面涂以耦合劑,確保換能器與混凝土表面耦合良好,當首波到達時立即進行測判讀,記錄下測試數據與波形。應盡量減少人為因素導致的波形紊亂,正確判別與選取首波,否則將導致數據異常,應特別注意混凝土內部的原因而導致接收波形的紊亂。

4）檢測結果。從框架柱的裂縫檢測結果（參見表1）可見,裂縫最寬的部位同時也是裂縫最深的部位,裂縫深度與裂縫寬度的變化基本一致。

4 裂縫成因分析

混凝土中產生裂縫有多種原因，主要是溫度和濕度的變化，混凝土的脆性和不均勻性，以及結構不合理、原材料不合格（如堿骨料反應）、模板變形、基礎不均勻沉降等。

分析該類裂縫產生的原因是：由于該濱海地區連降暴雨，致使該建筑物地下室底板變形（用ANSYS分析底板上浮情況結果如圖3所示），經檢測發現該地下室43～57/E～R軸區域各框架柱底部均存在不均勻變形[3]，平均測量變形量為上浮39.3 mm，最大上浮變形測量值為122.0 mm(49/M軸框架柱)，最大不均勻變形差發生在柱49/M與柱49/P之間，變形差為89 mm。上述不均勻變形將對結構產生附加內力，造成構件彎矩和軸力變大,致使地下室框架柱承受的軸力和彎矩超過了柱端的承載力導致混凝土被壓碎而出現多條裂縫。

圖3 地下室底板上浮變形情況

[1]張士鐸.現代混凝土基礎理論[M].上海：同濟大學出版社,1994：42-46

[2]混凝土無損檢測技術[M].北京：中國建材工業出版社,1996：219-226

[3]孫雨,王罡,常正非,等.深業新岸線3期地下室框架柱裂縫深度檢測報告[R].深圳：深圳冶建院建筑技術有限公司,2009