鋼管混凝土缺陷檢測過程中的聲波特性研究

(湘潭大學土木工程與力學學院 湖南 湘潭 411105)

引言

鋼管混凝土是指在空鋼管中填充混凝土從而組成的一種高強度結構[1]。鋼管混凝土結構不僅能夠充分發揮鋼材和混凝土各自的優點，而且克服了鋼管結構容易發生局部屈曲的缺點，所以在高層建筑結構中得到了越來越廣泛的應用[2]。近年來，鋼管混凝

土結構被廣泛使用于道路橋梁、城市軌道交通、多層工業廠房及超高層建筑等許多大型工程領域。鋼管混凝土內混凝土的灌注過程中由于操作工藝的復雜性，可能導致存在的問題有：由于排氣不順暢或其他設計原因導致在混凝土內部形成的孔洞缺陷；由于混凝土硬化后收縮導致的混凝土與鋼管壁之間的脫空缺陷[3]。鋼管混凝土內部缺陷的存在對其結構、性能和穩定性影響較大，所以，鋼管混凝土的缺陷檢測對提高鋼管混凝土質量十分重要。

一、聲波透射試驗研究

針對聲波在鋼管混凝土中的傳播特點，制作了密實和有缺陷的鋼管混凝土試件。尺寸為空鋼管外徑220mm，內徑206mm，鋼管壁厚7mm，鋼管高度800mm。灌注鋼管混凝土時分別在上半部分預留中部孔洞和鋼管壁脫空的兩種缺陷。試驗過程中使用超磁檢測和沖擊回波法(不同直徑錘子敲擊)獲得不同缺陷下接收點的時域圖，同時提取采集的數據通過Origin軟件得到對應的頻域圖，然后經過時域圖和頻域圖的對比分析找出異同點[4]。

收集并導出接收點的各組數據，提取原始數據，使用Origin軟件繪制鋼管混凝土不同缺陷下的時域圖，選取典型波形圖如下：

圖1 聲波時域圖

通過采集的時域圖發現，密實和有缺陷的鋼管混凝土存在一定的差異。鋼管混凝土試件密實時，時域圖幅值沿水平對稱軸呈對稱分布，波形無畸變，幅值隨時間正常衰減。當鋼管混凝土內部存在缺陷時，試驗中混凝土中存在孔洞，則在一定的范圍內幅值變化比較集中(圖中200～400μs和500～700μs)，波形圖衰減較快，產生這種現象的主要原因是孔洞處周圍聲波在此疊加，而較遠位置則表現正常，這也與實際的情況比較相符。當鋼管壁與內部混凝土膠結不良，現場試驗中設置一定的脫空的時候，從圖中可以看出波形圖畸形比較嚴重，幅值衰減較慢，有多處位置的幅值與實際情況不符，產生部分缺失。

將聲波儀采集到的由4000個數據構成的波形圖進行快速傅里葉變換(FFT)，按照時間的順序從下到上依次組成的頻譜波列圖如圖所示。從圖中可以看出正常密實的鋼管混凝土主頻只有一個，約為11000Hz，當鋼管混凝土中存在缺陷時，其主頻個數和大小均有所變化。例如混凝土中存在內部孔洞時，其主頻偏大，約為13000Hz，而當鋼管壁與混凝土膠結不良時，頻域圖顯示有兩個主頻，其值分別為6000Hz和12000Hz。

圖2 聲波頻域圖

二、數值模擬仿真計算

有限元分析方法在工程建設各領域得到了廣泛地推廣和應用，其也由原來地求解線性結構問題發展到求解非線性，由原來的僅能求解單一場問題快速發展到多場和多場之間的耦合問題[5]。針對實際大型工程中的單物理場及多物理場的耦合問題，都可以用COMSOL軟件進行數值模擬分析[6]。

本文的模擬對象為鋼管混凝土，現實中是以空間三維形式存在的，考慮多方面的影響，本章在模擬時候選取了鋼管壁外徑220mm，內徑206mm，鋼管壁厚度7mm的同心圓形截面。

圖3 二維模型圖

經過計算，在本次模擬中超聲波的信號是直接穿透鋼管混凝土內部到達接收端的，能反映出其內部的缺陷，符合超聲波檢測鋼管混凝土內部缺陷的前提條件[7]。

圖4 超聲波在不同時刻的傳播云圖

對比密實和不同缺陷下的鋼管混凝土接收點的時域圖，可以發現接收點位置的不同對聲時的影響遠小于缺陷對聲時的影響，不同缺陷下接收點時間差異較大。在此次模擬中，聲時分別為：密實90μs、孔洞115μs和脫空135μs，三種狀態下的聲時依次變長，這也符合實際情況。

在鋼管壁測點間距的選擇上，根據模擬結果，當選擇測點間距為4cm～6cm時，無論是鋼管混凝土密實還是存在缺陷，其波形圖才相對比較平滑，能更好的識別和反映實際的情況。

三、結語

1.通過聲波透射法和沖擊回波法就聲波在鋼管混凝土中的傳播進行了試驗探究，分析比較了密實和不同缺陷下聲波接收點時域圖和頻域圖的不同，找到相對應的一般規律，在此基礎上可以根據波形圖直觀地判斷鋼管混凝土內部缺陷的種類。

2.通過COMSOL Multiphysics軟件仿真了聲波在密實和不同缺陷下的鋼管混凝土中的傳播情況，結果表明不同情況下接收點的聲時差異較大，同時同側法中最佳的測點間距為4cm～6cm。

3.同一接收點的波形圖整體走勢大體相同，但由于缺陷的不同，波形圖局部存在明顯的差異；不同接收點的波形圖由于測點間距的不同，首波聲時的差異顯著。

4.文中主要是對圓柱形鋼管混凝土進行研究的，預先設置了缺陷的大小和位置，在聲波的實際傳播過程中也并未考慮邊界的影響。這些理想狀態簡化了運算，給我們的分析提供了便利，但仍與實際情況有細微的區別，今后要力求保持與工程現場情況的吻合。