超聲-回彈綜合法在推定評估某懸臂構(gòu)件力學性能中的應(yīng)用研究

陸義鵬龐二波胡志曉（江蘇建研建設(shè)工程質(zhì)量安全鑒定有限公司；中建科技（福州）有限公司）

超聲-回彈綜合法在推定評估某懸臂構(gòu)件力學性能中的應(yīng)用研究

陸義鵬1龐二波2胡志曉1
（1江蘇建研建設(shè)工程質(zhì)量安全鑒定有限公司；2中建科技（福州）有限公司）

結(jié)合某鋼筋混凝土懸臂構(gòu)件，采用超聲-回彈綜合法并結(jié)合一定數(shù)量的芯樣強度，在國家統(tǒng)一測強曲線基礎(chǔ)上，建立了精確度更高的專用測強曲線。采用擬合建立的測強曲線推定構(gòu)件的強度代表值為30.7MPa，將該推定值代入懸臂構(gòu)件承載力等計算公式計算所得的極限承載力、撓度、最大裂縫寬度等數(shù)值與構(gòu)件的原型加載試驗相比較，各參數(shù)的吻合度均較高，進一步證明了超聲-回彈綜合法在推定混凝土強度方面的精確性。

超聲-回彈綜合法；懸臂構(gòu)件；測強曲線；測點測區(qū)；原型加載

1 引言

鋼筋混凝土構(gòu)件的物理力學性能的下降直接影響結(jié)構(gòu)的安全使用壽命。為了確保構(gòu)件投入使用后保持良好的運營狀態(tài)和正常的使用功能，必須及時發(fā)現(xiàn)早期缺陷和病害，在尚未出現(xiàn)更大的損傷之前采取維修加固措施，以控制病害發(fā)展或把病害消除，為了達到此目的，必須對構(gòu)件進行檢查、檢測[1]。在我國，大量的鋼筋混凝土構(gòu)件已經(jīng)達到或者接近設(shè)計基準期，或出現(xiàn)由于各種原因造成鋼筋混凝土構(gòu)件的病害與損傷[2]。因此，建立對在役構(gòu)件的檢測和評價體系非常必要。

2 檢測背景

2.1懸臂構(gòu)件介紹

懸臂構(gòu)件為中空圓錐形離心成型鋼筋混凝土構(gòu)件。構(gòu)件壁厚50mm，有效懸臂桿段長度為9.8m，混凝土采用525普通硅酸鹽水泥，中砂，碎石（最大粒徑為15mm），復合型高效減水劑。通過離心成型工藝成型，采用常壓蒸養(yǎng)工藝進行養(yǎng)護[3]。構(gòu)件幾何參數(shù)見表1、配筋參數(shù)見表2。

表1 構(gòu)件幾何參數(shù)

表2 構(gòu)件配筋參數(shù)

2.2檢測原理

回彈儀檢測混凝土強度，是用一定彈力將一個鋼錘沖擊力傳到混凝土表面上，使其初始動能發(fā)生再分配，一部分能量以塑性變形或殘余變形的形式為混凝土所吸收，而另一部分與表面硬度成正比的能量傳給重錘，使鋼錘回彈一定的高度，根據(jù)回彈的高度與混凝土強度成正比的關(guān)系推算混凝土的強度[4]。回彈法是根據(jù)結(jié)構(gòu)表層混凝土的彈性性能來反映混凝土強度，它只能反映結(jié)構(gòu)表層2～3cm深度混凝土的質(zhì)量情況。

超聲波檢測混凝土強度的基本依據(jù)是超聲波傳播速度與混凝土的彈性性質(zhì)的密切關(guān)系[5]。主要是聲速和混凝土強度的關(guān)系，在不同強度的混凝土中超聲波的傳播行為也是不同的。通過人為分析研究接收到的信號，了解混凝土的內(nèi)部缺陷和強度情況。在對鋼筋混凝土構(gòu)件的混凝土強度和缺陷檢測過程中，要考慮到內(nèi)部鋼筋對超聲檢測的影響，因此在檢測之前必須對鋼筋位置進行判斷，然后，可以根據(jù)內(nèi)部鋼筋位置和走向以及保護層厚度，對超聲檢測方法做出調(diào)整，對超聲檢測測值進行修正。

比較回彈法和超聲法的優(yōu)缺點，采用超聲回彈綜合法測定混凝土強度，即可以內(nèi)外結(jié)合，又能在較高或者較低的強度區(qū)間相互彌補聲速V和回彈值N各自的不足，消除原來f～N和f～V關(guān)系中的許多誤差影響因素，提高測試精度，全面反映結(jié)構(gòu)混凝土的實際強度。

3 檢測過程與結(jié)果分析

3.1測點測區(qū)布置

回彈測點沿鋼筋混凝土錐形電桿長度方向每20cm為一個測點，沿環(huán)向隔每兩根縱筋之間為一個測點，遇到電桿自身縱向裂縫處避開一定距離。對測法測試鋼筋混凝土錐形電桿，超聲測點電桿長度方向每60cm為一個測點，沿環(huán)向以發(fā)射端換能器為坐標點，接收端換能器與發(fā)射端換能器成180°布置。

沿電桿長度方向每60cm環(huán)向一周為一個測區(qū)，每相鄰測區(qū)之間的間距20cm。這樣做滿足一個構(gòu)件測區(qū)大于10個，回彈測點在每一個測區(qū)滿足16個測點的要求。具體的測點位置分布見圖1。超聲聲速測量采用對測法，傳播路徑見圖2。

圖1 構(gòu)件測點測區(qū)

圖2 超聲傳播路徑

根據(jù)錐形構(gòu)件兩端的內(nèi)外徑，按比例算出縱向任意位置的內(nèi)外徑。超聲路徑計算公式如式1所示：

式中，l為超聲傳播路徑（m）；R為電桿外徑（m）；r為電桿內(nèi)徑（m）。

測區(qū)聲速應(yīng)按下列公式計算：

式中，v為測區(qū)聲速值（km/s）；l為超聲波檢測距離（m）；tm為測區(qū)平均聲時值（s）；ti為第i個測點的聲時值（s）；n為測點個數(shù)

3.2超聲-回彈綜合法測強曲線的建立與應(yīng)用

3.2.1測強曲線的建立

依據(jù)2.1中的測點測區(qū)布置及計算式（1）和（2）隨機選取該構(gòu)件的30個測點分別進行回彈測試和超聲測試，并在測試點對應(yīng)位置進行鉆芯取樣，實測取樣強度，依據(jù)《鉆芯法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》（CECS03:88）將芯樣強度換算為標準立方體試塊強度。回彈值、超聲測值、芯樣強度數(shù)據(jù)見表3。

表3 超聲回彈測值與換算為標準立方體試件的芯樣強度

超聲回彈綜合法測強曲線通常用回歸方程表示，根據(jù)研究結(jié)果，對無碳化混凝土，其回歸方程可用下式表示：

對碳化深度為L的混凝土，其回歸方程有下式表示：

式中，a、b、c、d為待定系數(shù)，與粗骨料種類和粒徑、混凝土配合比、砂率、混凝土狀態(tài)等有關(guān)；N為回彈值；V為超聲聲速（單位）；L為碳化深度（mm）。

構(gòu)件混凝土存在碳化狀態(tài)，故選取式R=aVb·Nc·10d為擬建立的回歸方程。構(gòu)件碳化深度為3mm，10d回歸出來也只是該方程的一個系數(shù)，與回彈值和超聲值沒有直接關(guān)系，故該式可以簡寫為R=aVb·Nc·K進一步簡寫為R=mVb·Nc，兩邊取自然對數(shù)可得：lnR=lnm+blnV+clnN，進一步寫成y=a+bx+cz，經(jīng)回歸計算得到：b=3.812，c= 1.218，m=ea=0.00104，故回歸擬合曲線方程：

3.2.2應(yīng)用測強曲線推定構(gòu)件混凝土強度

運用擬合出來的超聲回彈法測強曲線式（5）推定該錐形懸臂構(gòu)件從稍端至根部的強度分布見表4，并依據(jù)表4數(shù)據(jù)作圖見圖3。

表4 錐形構(gòu)件稍端至根部的強度分布/MPa

圖3 錐形構(gòu)件稍端至根部的強度分布

由于錐形鋼筋混凝土構(gòu)件沿長度方向變截面，其成型工藝為離心成型，在成型過程中沿桿長方向上所受的離心力大小不同，稍端小，根部大，會造成稍端混凝土不如根部混凝土密實，因此會出現(xiàn)沿長度方向的強度分布出現(xiàn)差異。

由于懸臂構(gòu)件破壞多為根部受彎作用下的拉斷，故其強度代表值應(yīng)當選靠近根部的強度推定值，選30.7MPa作為該構(gòu)件的強度代表值進行后續(xù)原型加載試驗。

4 構(gòu)件原型加載試驗

4.1試驗儀器與試驗方法

試驗用儀器均進行了檢定，檢定結(jié)果符合要求。所用儀器見表5。試驗裝置為自行設(shè)計的加載架，采用千斤頂加載，試驗裝置見圖4。

4.2試驗結(jié)果與計算結(jié)果對比分析

根據(jù)2.2.2中超聲-回彈綜合法推定的混凝土強度和配筋情況計算各試驗電桿的力學參數(shù)，將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，分析驗證無損檢測方法推定強度的可靠性。結(jié)果見表6。

注：Mtu推定強度下，計算極限承載力彎矩(kN·m)，Msu試驗極限承載力彎矩(kN·m)，Mtcr推定強度下，計算的開裂彎矩(kN·m)，Mscr試驗開裂彎矩(kN·m)，Mt推定強度下，計算的正常使用極限狀態(tài)的彎矩值(kN·m)，f正常使用極限狀態(tài)Mt彎矩值下計算的撓度值(mm)，f＇正常使用極限狀態(tài)Mt彎矩值下試驗撓度值(mm)，Wmax正常使用極限狀態(tài)Mt彎矩值下計算的最大裂縫寬度(mm)，Wsmax正常使用極限狀態(tài)Mt彎矩值下試驗的最大裂縫寬度(mm)。

由表6可以看出，采用超聲-回彈綜合法推定懸臂構(gòu)件混凝土強度計算構(gòu)件力學性能與原型加載試驗實際結(jié)果相比較，極限承載力、撓度、最大裂縫寬度等指標極為吻合，僅初裂荷載差別較大，這是因為試驗過程中對初裂荷載的判定主要依靠觀察初始裂縫的出現(xiàn)，往往觀察到的第一條裂縫并非真實的初始裂縫就會引起初裂荷載的判定偏大。

表5 試驗用儀器

圖4 懸臂式裝置示意圖

表6 計算值與試驗值比較

5 結(jié)論

⑴超聲-回彈綜合法測強曲線的建立應(yīng)在國家統(tǒng)一測強曲線基礎(chǔ)上，結(jié)合當?shù)氐夭奶攸c，進行一定數(shù)量的測試并結(jié)合芯樣強度，擬合計算測強曲線中的參數(shù)，建立高精確度的專用測強曲線。

⑵采用超聲-回彈綜合法結(jié)合芯樣強度可建立高準確度的測強曲線。對本文錐形懸臂鋼筋混凝土構(gòu)件而言，采用測強曲線fcu,re=0.00104×V3.812×N1.218推定構(gòu)件混凝土強度代表值為30.7MPa。

⑶采用測強曲線推定的混凝土強度代表值進行構(gòu)件承載力等的計算，計算結(jié)果與構(gòu)件原型加載試驗結(jié)果基本吻合。計算極限承載力為77.7(kN·m)，試驗極限承載力為80.8(kN·m)；正常使用狀態(tài)下的撓度計算值為232mm，試驗值為169mm；正常使用狀態(tài)下的最大裂縫寬度計算值為0.03mm，試驗值為0.02mm。

[1]龐超明，秦鴻根，季垚.試驗設(shè)計與混凝土無損檢測技術(shù)[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2006.

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