超聲波檢測環(huán)形鋼筋混凝土電桿病害的研究*

趙望達，馮瑞敏，趙俊鍇

(1.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075;2.中南大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410083)

2008年和2012年2次特大冰雪災害襲擊了湖南大部分地區(qū)，使得正在服役中的環(huán)形鋼筋混凝土電桿(以下簡稱電桿)受到不同程度的損壞，極大地威脅了湖南省電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行［1－3］。同時，露天的工作環(huán)境、各種使用荷載的長期效應、疲勞效應和內(nèi)力作用下以及隨著使用年限的增長，服役中的鋼筋混凝土電桿會出現(xiàn)不同程度的病害，嚴重影響了電桿的使用壽命。目前，國內(nèi)進行混凝土強度和缺陷檢測的規(guī)范有超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規(guī)程、超聲法檢測混凝土缺陷技術規(guī)程［4－5］，電桿由于其截面的特殊性，已有規(guī)范不能直接應用于環(huán)形混凝土電桿檢測。如何利用超聲波更準確地檢測環(huán)形特殊截面構(gòu)件的裂縫深度，目前國內(nèi)對這方面的研究極少。因此，本文結(jié)合現(xiàn)場檢測實例，采用武漢巖海公司生產(chǎn)的RS－ST01D非金屬超聲波測試儀對環(huán)形電桿的強度和缺陷檢測進行探索性研究，對類似工程質(zhì)量檢測、健康性能評估和耐久性壽命預測具有重要的意義。

1 環(huán)形混凝土電桿

1.1 環(huán)形混凝土電桿的力學特性

湖南大部分地區(qū)變電站、中低壓輸送線路均應用環(huán)形電桿。鋼筋混凝土電桿由于其施工方便、工程造價低、耐久性好、維修成本低等優(yōu)點，廣泛應用于電力系統(tǒng)、鐵路系統(tǒng)和郵電系統(tǒng)。本文研究的環(huán)形鋼筋混凝土電桿外形為錐形［6］，如圖1所示。圖1中:L為桿長;L1為荷載點高度;L2為支持點高度;L3為稍端至荷載點距離;D為跟徑;d為稍徑;δ為壁厚。

圖1 環(huán)形混凝土電桿Fig.1 Circular reinforced concrete pole

在實際的工程項目中，構(gòu)件都必須滿足強度、剛度、穩(wěn)定性的要求。環(huán)形混凝土變截面電桿可將其簡化為軸線鉛垂的懸臂梁，其所受荷載一般可簡化為集中荷載和均布荷載，如圖2所示。荷載下的彎矩如圖3所示。

圖2 電桿簡化受力圖Fig.2 The force diagram of poles

圖3 電桿彎矩圖Fig.3 The bending moment diagram of poles

由圖3可得:在外荷載作用下，沿桿自上向下各截面的彎矩越來越大，電桿底部所受的彎矩最大。由材料力學可知:等截面面積的空心圓截面抗彎截面模量大于實心圓截面的抗彎截面模量，電桿橫截面上離中性軸越遠，正應力越大，中性軸附近的正應力較小，電桿的空心截面正好把中性軸附近的材料集中到離中性軸較遠的地方，充分利用材料，以提高其抗彎強度。電桿這種上細下粗的變截面形式，在滿足承載力的前提下，節(jié)約材料，減小自身質(zhì)量，降低了成本［7］。

1.2 環(huán)形混凝土電桿病害的原因分析

雪災、冰災等特大冰雪災害中的突變效應造成桿塔倒塌、輸電線路破壞的事故都有發(fā)生。混凝土電桿的環(huán)向體積變形一般是干縮變形、溫度變形、碳化變形、縱向荷載作用下的環(huán)向變形這4種綜合作用下引起的［6］。

混凝土的收縮變形使鋼筋與混凝土的產(chǎn)生相對位移，主筋在縱向荷載下的彎曲受到環(huán)筋的限制而產(chǎn)生的殘余應力都可造成外圍混凝土裂縫的產(chǎn)生。

若養(yǎng)護方法不當，會破壞混凝土的孔結(jié)構(gòu);環(huán)筋不足，會造成主筋的過大變形;未嚴格按施工工藝進行施工，如混凝土澆筑過程中振搗不實或漏振等會造成混凝土表面出現(xiàn)蜂窩、麻面等缺陷;進場材料質(zhì)量不佳，如骨料的級配、混凝土配合比設計不佳，會容易造成混凝土的密實度降低，浪費水泥并降低水泥的和易性等;由于模板安裝不牢固，或者模板不干凈，會造成表面粗糙、不光滑、不嚴密等［7］。

2 超聲波檢測環(huán)形混凝土電桿病害的基本原理

現(xiàn)場采用的非金屬超聲波測試儀為RSST01D。

2.1 超聲波檢測環(huán)形混凝土電桿強度的基本原理

混凝土材料是粘彈塑性的復合體，目前還沒有一種普通的數(shù)學模型，可以嚴密定量的描述混凝土結(jié)構(gòu)強度。超聲波檢測混凝土構(gòu)件強度的基本依據(jù)是超聲波在混凝土中的傳播速度與混凝土本身的彈性性質(zhì)的密切關系［8］。

式中:vp為縱波聲速;E為彈性模量;ρ為密度;γ為泊松比。

由式(1)可知:混凝土彈性模量越高，聲速值越大。因此，在實際檢測中，根據(jù)測得的聲速，便可推斷混凝土的強度。

2.2 超聲波檢測混凝土電桿縱向裂縫深度的基本原理

超聲波檢測是混凝土結(jié)構(gòu)裂縫深度檢測的常用方法［7］，超聲波首波相位反轉(zhuǎn)法和表面波/橫波的傳播聲時是檢測混凝土裂縫深度的新方法，主要用于平面混凝土結(jié)構(gòu)的檢測［7］。鋼筋混凝土電桿表面是環(huán)形的，用于平面構(gòu)件的檢測方法及相關計算均不能直接應用于環(huán)形鋼筋混凝土電桿裂縫深度的測定和計算。

當裂縫處無鋼筋時，如圖4(a)所示，發(fā)射換能器1置于A點，接收換能器2置于B點，A和B 2點位于裂縫同一側(cè)，依次移動換能器2使2個換能器之間的圓弧長s分別為60，80，100，120 和140 mm，并讀取相應的聲時t，由幾何關系可知:

圖4 環(huán)形混凝土電桿縱向裂縫檢測示意圖Fig.4 Detection scheme of longitudinal cracks in circular reinforced concrete poles

如圖4(b)所示，跨縫的聲時測量，換能器1和2分別置于以裂縫為軸心的對稱兩側(cè)。2個換能器之間的圓弧長s與2個換能器位于裂縫同側(cè)時一樣，當2個換能器的連線與裂縫的交點E高于裂縫尖端C點時，因波的實際傳播距離大于2個換能器的直線距離，故按式(3)計算得的視波速v小于混凝土實際平均波速;當2個換能器的連線正好與裂縫尖端相切時(此時換能器l和2分別位于A'和B'點)，波的實際傳播距離就為2個換能器的直線距離，所求得的視波速等于2個換能器置于裂縫同一側(cè)時所得平均波。

取不同的s，可以得到不同的t和tc，從而得到不同的裂縫深度。取各深度的平均值，即為裂縫深度測定值［8－10］。

含鋼筋的裂縫深度測定，當裂縫深度未達到鋼筋保護層厚度時，鋼筋的存在對裂縫深度測定結(jié)果基本無影響。如裂縫深度超過鋼筋而未完全穿透混凝土壁厚，則當2個換能器連線與鋼筋相切時，視波速最大;當2個換能器間距繼續(xù)增大時，視波速又減小。如裂縫尖端超越鋼筋距離不是特別小時(若太小就只能忽略鋼筋以下部分深度)，則隨著2個換能器間距繼續(xù)增大，視波速降至最小值后又增大。當2個換能器的連線正好與裂縫尖端相切時，波的實際傳播距離就為2個換能器的直線距離，所求得的視波速基本等于混凝土實際平均波速，裂縫深度可按式(6)計算。當裂縫已貫穿環(huán)形混凝土壁厚時，2個換能器連線超過鋼筋后視波速持續(xù)減小。

3 工程實例

湖南省益陽市毛家塘變電站由于混凝土電桿服役時間近30年，露天的工作環(huán)境、各種使用荷載的長期效應、疲勞效應和內(nèi)力的共同作用下，隨著使用年限的增長，使服役中的鋼筋混凝土電桿出現(xiàn)不同程度的病害，各混凝土立柱均有不同程度碳化，碳化平均深度在2.7～3.0 mm，個別箍筋處碳化深度在10 mm以上。箍筋混凝土保護層出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，且不少鋼筋銹蝕嚴重，截面積減小，對電力系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生威脅。因此，及時進行鋼筋混凝土電桿質(zhì)量檢測是我們迫切需要解決的問題。外觀檢測缺陷如圖5和圖6所示。

3.1 強度的檢測

測試面應保持清潔和平整，每個測區(qū)內(nèi)布置3對超聲波測點，耦合劑采用黃油。檢測結(jié)果如表1所示。

圖5 混凝土電桿表面鋼筋銹蝕Fig.5 Rusty steel on the surface of the pole

圖6 混凝土電桿表面碳化Fig.6 Carbonization on the surface of the pole

表1 測量結(jié)果Table1 Measurement results

擬合方程如圖7所示。從而得出擬合方程為:

圖7 線性擬合Fig.7 Fit linear

3.2 縱向裂縫深度的檢測

按照上述方法，對電桿縱向裂縫深度含鋼筋和不含鋼筋處分別進行檢測，其結(jié)果如圖8(a)和圖8(b)所示。

圖8 縱向裂縫深度測量偏差Fig.8 Measured deviation of longitudinal cracks

由圖8(a)可知:裂縫深度越小，測量絕對偏差越小，但相對誤差加大。同理，由圖8(b)可知:裂縫處含有鋼筋，對測量的準確度有一定影響;隨著測量深度的增大，絕對誤差增大，相對誤差變化不大。

3.3 剩余壽命的評估

基于前述的檢測結(jié)果，益陽市服役中的環(huán)形電桿在已有的服役期限內(nèi)主要環(huán)境作用效應是混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕，除了少數(shù)環(huán)形電桿需要進行加固修復外，其余環(huán)形電桿的整體性、安全性基本滿足現(xiàn)有的使用要求。

準確預測既有環(huán)形電桿的剩余服役壽命是一個非常復雜的問題。為了使問題簡單化，本文僅考慮在現(xiàn)有的環(huán)境作用效應條件下，不改變環(huán)形電桿的使用功能，僅對承載力產(chǎn)生危害的構(gòu)件進行修復加固處理的情況下，該建筑結(jié)構(gòu)后續(xù)的使用壽命。考慮服役環(huán)境條件的作用效應，以下采用碳化壽命準則對其剩余壽命進行預測，碳化壽命預測模型為:

式中:t為碳化時間，a;X(t)為t時刻的碳化深度，mm;kCO2為CO2濃度影響系數(shù)，工業(yè)建筑室外環(huán)境，取1.1～1.4;kp為澆注面修正系數(shù)，澆注面取1.2;ks為工作應力修正系數(shù)，受壓取1.0，受拉取1.1;T為環(huán)境溫度，℃;HR為相對濕度，%;fcu為混凝土立方體抗壓強度，MPa;mc為混凝土立方體抗壓強度平均值與標準值之比;Kmc為計算模式不定性隨機變量，反映碳化模型計算結(jié)果與實際測試結(jié)果間的差異。

由檢測結(jié)果可知:環(huán)形電桿最大碳化深度為8.2 mm，剩余的保護層厚度為 20.0 － 8.2=11.8 mm，實測的混凝土強度為25.8 MPa。由修正的碳化深度預測模型可計算得到，當碳化達到鋼筋表面時，需要的時間(剩余服役壽命或后續(xù)服役壽命)為:

根據(jù)湖南益陽市的氣候資料可得到結(jié)構(gòu)的所處的環(huán)境的年平均溫度為17.2℃，年平均相對濕度為78%。預測模型中，kCO2取1.2，kp取1.2，ks取1.1。因此，根據(jù)實測的最大碳化深度、實際服役年限以及混凝土的設計強度，可得到修正的碳化深度預測模型如下:

可得t=15 a。已知現(xiàn)場檢測中的環(huán)形電桿服役期均超過30 a，滿足原始設計要求。對病害嚴重的部分環(huán)形電桿，應對其進行相應的維修、加固，可適當延長其使用壽命。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)環(huán)形混凝土電桿的力學特性，提出了將其簡化為軸線鉛垂的懸臂梁，從而對超聲波測強檢測數(shù)據(jù)處理進行有效簡化，在此基礎上，獲得了超聲波測強的擬合方程。

(2)針對環(huán)形混凝土電桿裂縫深度的檢測，提出了研究超聲波波速與縱向裂縫深度關系時必須考慮鋼筋影響的思路，并在此基礎上推導出環(huán)形混凝土電桿縱向裂縫深度的計算公式。

(3)研究了環(huán)形混凝土電桿常見病害的產(chǎn)生機理，為現(xiàn)場檢測優(yōu)化布點提供了依據(jù)。

［1］國家電力監(jiān)管委員會南方監(jiān)管局.災害氣候期間電力系統(tǒng)運行情況報［R］.廣州:國家電力監(jiān)管委員會南方電監(jiān)局，2008.South China Bureau of State Electricity Regulatory Commission of China.Report of electrical power system operation situation during the disaster climate［R］.Guangzhou:South China Bureau of State Electricity Regulatory Commission of China，2008.

［2］邵德軍，尹項根，陳慶前，等.2008年冰雪災害對我國南方地區(qū)電網(wǎng)的影響分析［J］.電網(wǎng)技術，2009，33(5):38－43.SHAO De-jun，YI Xiang-gen，CHEN Qing-qian，et al.Affects of icing and snow disaster occurred in 2008 on power grids in south China［J］.Power System Technology，2009，33(5):38－43.

［3］周 凱.超聲波混凝土構(gòu)件檢測系統(tǒng)的研究和試驗分析［D］.長沙:中南大學土木工程學院，2007.ZHOU Kai.The study and results analysis on ultrasonic testing system of concrete components［D］.Changsha:Central South University School of Civil Engineering，2007.

［4］CECS 02:2005，超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規(guī)程［S］.CECS 02:2005，Technical specification for testing concrete strength by ultrasonic － rebound combined method［S］.

［5］CECS 21:2000，超聲法檢測混凝土缺陷技術規(guī)程［S］.CECS 21:2000，Technical specification for inspection of concrete defects by ultrasonic method［S］.

［6］GB/T 4623—2006，環(huán)形混凝土電桿［S］.GB/T 4623—2006，Circular reinforced concrete poles［S］.

［7］聶毓琴，孟廣偉.材料力學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.NIE Yu-qin，MENG Guang-wei.Mechanics of materials［M］.Beijing:Mechanical Industry Press，2009.

［8］Liang M T，Wu J.Theoretical elucidation on the empirical formulae or the ultrasonic testing method for concrete structures［J］.Cement and Concrete Research，2002(32):1763－1769.

［9］方永浩，賈麗麗，戴 玭，等.環(huán)形混凝土電桿裂縫深度的超聲波檢測［J］.水利水電科技進展，2011，31(3):88－91.FANG Yong-hao，JIA Li-li，DAI Pin，et al.Ultrasonic tests on crack depth in circular reinforced concrete poles［J］.Advance in Science and Technology of Water Resources，2011，31(3):88 －91.

［10］Shah A A，Ribakov Y.Non－destructive measurements of crack assessment and defect detection in concrete structures［J］.Materials and Design，2008，29(1):61 －69.