鋼管混凝土柱超聲波檢測技術實踐應用

張寧鋒 馬安財

（甘肅交通職業技術學院，甘肅 蘭州 730070）

1 工程概況

某建筑綜合體項目，其中1#樓地上結構總高度為249.65m，出屋面尚有23.1m高的玻璃幕墻構架，構架頂標高為272.60m。建筑平面為較規則的正方形平面。結構系統采用混凝土結構，形式為（鋼管混凝土柱）框架+（外框架四角）剪力墻+（鋼筋混凝土）核心筒結構（45層設有加筋層）。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，內填混凝土等級為C45-C60之間的微膨脹自密實混凝土。

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性、管內混凝土強度進行了多次檢測。

2 鋼管混凝土檢測

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

3 檢測原理

對于鋼管混凝土結構，當混凝土的原材料、配合比、內部質量和試驗距離不變時，與超聲波傳播有關的聲學參數的測量值，如傳播速度、第一波的幅度和接收信號的頻率，應該基本相同。如果在結構中混凝土的局部區域存在諸如空隙和未壓實區域的缺陷，則測量所得的聲學時間值將偏大且振幅和頻率值將減小。基于聲學參數的這些變化，可以推斷混凝土中內部缺陷的發生[3]。

超聲波測試混凝土填充缺陷有三種主要方法：

1）首波聲時法

當探頭的接收端接收第一波作為最短路徑聲音時，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（假設聲時為t1），也可以沿著鋼管壁的半圓傳遞到另一端的接收探頭（假設聲時為t2）。因而使用第一波聲時法檢測的前提條件是t1＜t2[4]。

2）首波頻率法

超聲波探傷儀的發射端產生固定頻率的脈沖波。混凝土或有缺陷混凝土的均勻性越差，高頻波衰減越明顯，到達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，則可能發生反射和衍射，在反射或衍射波與原始脈沖波疊加之后產生波干涉，并且導致波形失真[6]。

4 檢測方法及測點布置

4.1 測試方法

該項目利用北京智博聯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，同時使用凡士林作為偶合劑，將收、發換能器放置在鋼管的圓周上沿直徑方向進行測試。測試過程中用小錘敲擊測試截面鋼管表面的方法進行初步檢查，聽取敲擊聲，并進行初步判斷[3]。

4.2 測點布置

根據“超聲波法檢測混凝土缺陷技術規程”（CECS21-2000），采用超聲波配對法，在待測構件的兩個相對的測試面中的每一個上繪制等距網格，且相應的測量點位置按圖1中數字進行編號。對每個測量點的聲音時間、振幅和頻率值按一定順序測量并進行分析。

圖1 缺陷測試部位和線路布局

測試前先對該項目1#樓待測鋼管混凝土柱按照隨機抽樣原理進行抽樣，選定的7根測試構件（柱）及其位置、幾何、物理參數見表1。

表1 1#樓檢測構件位置及幾何、物理參數

對于泵送的每個混凝土填充的鋼管柱均勻地選擇10個部位，每個測試部位布置有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，可添加測試點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 檢測結果分析

5.1 數據處理

現場檢測時，對出現波速明顯小于常值的測點視為可疑測點，當遇到可疑測點時，需對該測點重復測試，直到多次測試數據穩定為止。測量區域中每個測量點的波速值按從大到小的順序排列，明顯落后的數據被認為是可疑的。然后用可疑數據中的最大值與先前數據一起計算平均值mx和標準偏差sx，并用以下公式代替計算異常情況X0的判斷值：

X0=mx-λ1·sx

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

將判斷值X0與可疑數據的最大值Xn進行比較，當Xn小于或等于X0時，則Xn及排列于其后的各數據均為異常值；當Xn大于X0時，應再次放入X（n+1）進行統計和鑒別。當沒有出現異常值時，將最小測試值與判斷值X0進行比較，當最小值大于判斷值時，認為密實性和強度符合要求。混凝土內部的無約束區域或空隙的范圍可以通過組合異常測量點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果

5.2 質量檢測綜合評判

目前，我國對鋼管混凝土內部填充質量的檢測和評估是基于規范和該項目的相關類似測試實踐，并結合現場試驗數據的計算，可分析和判斷鋼管內混凝土澆筑質量。一般可按如下四類進行評判：

I類：該混凝土具有良好的密實性和良好的組合性，混凝土波速＞4100m/s

Ⅱ類：混凝土具有良好的密實性和組合性，混凝土波速為3800-4100m/s

Ⅲ類：混凝土結構密實，組合性好，混凝土波速為3500-3800m/s

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

5.3 檢測綜合評判結果

根據現場試驗數據，在得到鋼管的密實性和混凝土與鋼管的組合性之后，使用第一波聲時間、波形和第一波頻率進行綜合評價。通過分析和計算，得到鋼管混凝土的密實性和綜合性能的試驗結果。部分檢測結果見表2。

6 檢測結論

通過對測試數據的比較分析，得出以下結論：

1）用小錘子敲擊試驗對象的表面部分，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：本項目填充鋼管混凝土柱的混凝土結構密實，混凝土和鋼管結合良好，混凝土強度符合設計要求。