鋼管混凝土澆筑密實度檢測分析

曹曉中 張鶴 馮少孔

1中建宏達建筑有限公司 北京 101500 2上海交通大學 上海 200240

在鋼管混凝土施工過程中，由于鋼管內往往存在鋼隔板，在隔板下靠近管壁處混凝土不容易密實，現有規范建議采用敲擊法初步檢查混凝土的密實性，當有異常時采用超聲波進行檢測[1]。本文采用沖擊映射法對截面較大的鋼管混凝土密實性進行檢測，并與實際情況進行比較。

1 工程試驗概況

本試驗段鋼管為方形截面，外輪廓尺寸為長1200mm×寬1200mm×高1800mm，內部分布有四條橫隔板，隔板厚度分別為50mm、50mm、40mm、26mm，如圖1所示。

圖1 試驗段鋼管立面和橫截面圖

2 測試方法和目標

2.1 基本原理

沖擊映像法[2]理論基礎是彈性波動理論，當擊打檢測物件表面時，在檢測物件內部將會激發彈性波動場，包括面波、縱波、橫波等，如圖2所示。檢測物件表面的彈性波動場分布是檢測物件內部結構在其表面的映像。當混凝土與鋼板存在脫空時，鋼板表面的彈性波動場分布特性將發生變化，包括能量、波形特性與頻譜特性等。通過對表面波動場分布做反映射分析，即可推斷檢測物件的內部結構。

圖2 沖擊映像法基本原理

理論分析、數值模擬和現場試驗表明，距離震源D處的波動場，其變化情況對缺陷的大小和深度敏感度不同。因而，震源偏移距應不大于缺陷深度、大小，以保證至少有一個激發點和接收點均落在缺陷對應的檢測面上。由于無法預先獲知缺陷狀態，實際作業時將布置多個檢波器，取得多個震源偏移距的沖擊響應波形數據，進而對缺陷的大小和深度進行綜合分析。其次，沖擊錘的重量、接觸面尺寸和材料特性，以及沖擊力度均會影響沖擊響應波形，包括振幅和頻譜，從而影響檢測的精度和分辨率。一般說來，沖擊錘越重，沖擊力度越大，激發的彈性波能量也越大，頻率也越低，檢測深度變大，但分辨率和檢測精度變低。因此，數據采集時應盡量保持沖擊力度不變，并記錄其大小，在數據分析時消除其影響。

2.2 檢測方法

（1） 數據采集方法

沖擊映像法采用機械方式擊打檢測物件表面，在檢測物件內部產生彈性波動場。在距離激發點D處，用檢波器（間隔 X0）接收檢測物件表面的彈性波動，然后保持偏移距、擊打方向和擊打力度不變，將激發檢波系統移至下一個檢波點，并重復以上數據采集過程。當所有檢波點的數據采集完成后，對原始數據進行時間域、頻率域的濾波、降噪等處理，并通過分析波動場波形特征和頻譜特征隨檢波點的變化，進而推測介質內部結構變化[3]。

（2）數據處理方法與流程

數據處理的目的是對檢測數據進行編輯、濾波和數學變換等，去除或壓制噪音，并把有用信息按特定的形式表現出來，主要包括數據預處理、數據歸一化、波形處理、波場分離以及生成響應強度分布圖等。

數值模擬：建立實體結構的三維模型，設置多種脫空形式，包括厚度、面積等，以及吸收邊界條件；輸入激振信號，進行三維波動方程模擬；最后對接收信號進行多維度的分析，與既定的缺陷形式進行匹配，建立脫空評判標準。

數據預處理：進行有限數據提取、重新排列和格式變換，并加入位置信息。

數據歸一化：將沖擊錘傳感器記錄的沖擊加速度數據，對數據進行歸一化處理，去除敲擊力度不一致的影響，確保激發強度相同。

波形處理：包括非正常數據處理、時窗切除和濾波。首先，對存在異道號的數據，將數據異常部分切除，并用相鄰數據進行內插；其次，對干擾信號與檢測信號時間段不一致的數據，設計合適的時間窗口，切除時間窗口以外的數據；最后，設計各種頻率濾波器（低通、高通、帶阻等），在頻率域對噪音數據進行壓制。

波場分離與響應強度分析：將振動信號的面波、縱波直達波、縱波反射波和橫波-縱波轉換波等進行分離與裝換，比選合適的信號進行響應強度、卓越頻率和頻譜等處理，并與數值模擬評價標準進行比對與優化。

根據試驗資料，采用沖擊映像法對試驗段主體外表面進行檢測，通過檢測明確隔板下脫空情況。

3 實施方案

3.1 檢測設備

沖擊映像法檢測系統[4]由激振器、采集系統和控制系統組成，采用力錘作為激振器，采集系統由耦合器、振動傳感器陣列和主電纜組成，振動傳感器為 100Hz 動圈式垂直分量速度型傳感器，控制系統由動態數據采集儀、筆記本電腦、外電源，以及各種連接線組成。

3.2 檢測線路布置

根據現場條件，在鋼管混凝土模型每一個側面上高度30cm～150cm間布置24條水平測線，并在模型每一個角布置4條垂直方向的輔助測線，測線間距5cm，檢測點間距10cm。

3.3 數據采集及分析

現場準備：檢查儀器設備情況，確保各部件完整。

采集系統設置：采樣頻率20.83us，記錄時長0.128s?，F場標定好測線，以確定的勘測點為基準點。

信號激發與采集：采用質量500g的圓頂鐵錘進行信號激發，震源偏移距0.1m，完成1次采集后，整體移動采集系統至下一個測點，步長為0.1m，完成兩次激發-接收-記錄后，移動傳感器陣列至下一個測點，并重復激發操作至完成整條測線的采集。

數據分析：完成現場檢測后，進行數據分析和圖像處理，提交檢測報告。

3.4 檢測工作量

采用沖擊映像法評價鋼隔板與混凝土脫空情況，水平測線每個側面布置24條，測線長1.1m，測點總數1056個，垂直方向每個側面4條，測線長度1.5m，測點總數240個，合計測點1296個。

4 檢測結果和驗證

4.1 評價標準

混凝土與鋼板膠結狀態評價圖：著眼于混凝土與鋼板的貼合緊密程度，分為膠結（密切貼合）、疏松（結合疏松）、輕微剝離（輕微分離）和剝離（徹底分離）4個等級?；炷僚c鋼板膠結狀態反映的是混凝土表面與鋼板的貼合關系。

混凝土與鋼板間脫空狀況評價圖：著眼于混凝土是否充滿整個空間，分為密實（填滿整個空間）、疏松（混凝土表面有微小氣泡、蜂窩麻面等）、輕微脫空（較明顯的間隙）和脫空（充填不滿）4個等級。混凝土與鋼板間脫空狀況反映一定范圍內的充填狀態。

剝離現象可能由于混凝土收縮、移動引起，也可能由于混凝土排氣不充分等引起。一般說來，混凝土存在收縮特性，總會出現剝離現象，因此，混凝土與鋼板的膠結狀態在工程上意義不大，但對混凝土脫空檢測是一個干擾因素，尤其是出現大面積剝離區域時，影響脫空推斷精度。因此，混凝土與鋼板膠結狀態圖僅僅作為評價脫空狀態可靠性的參考數據。

4.2 檢測結果

由結果可見：1）試驗模型在高度120cm以上部分，以及模型底部，普遍存在剝離現象，可推斷為混凝土凝固后多次移動所致；2）側面①在第2條隔板下部存在脫空；3）第1條隔板和第2條隔板之間存在局部脫空或不密實顯示，特別是側面③，可能存在較大氣泡或較嚴重的蜂窩麻面； 4）側面第一條隔板右側下部存在脫空。側面①和側面③試驗結果如圖3、圖4所示。

圖3 ①側面沖擊映像法檢測結果

圖4 ②側面沖擊映像法檢測結果

圖5 ③側面沖擊映像法檢測結果

圖6 ④側面沖擊映像法檢測結果

4.3 檢測驗證

通過繩鋸對側面④進行割開驗證，主體切割面平滑，混凝土密實情況良好，無氣泡空隙。側面④檢測結果在（0.6，1.1）、（0.7-0.8,0.4-0.6）區域存在脫空與輕微脫空，通過與切割隔板側混凝土對比，脫空高度≤2mm，脫空較小，其他區域與隔板貼合，無脫空。

圖7 檢測結果與主體切割面結構對比圖

圖8 檢測結果與隔板切割面對比圖

4.4 脫空面積占比統計

經統計，側面①密實占比76%，疏松占比13%，輕微脫空占比8%，脫空占比3%；側面②密實占比76%，疏松占比13%，輕微脫空占比9%，脫空占比2%；側面③密實占比74%，疏松占比15%，輕微脫空占比6%，脫空占比5%；側面④密實占比75%，疏松占比14%，輕微脫空占比7%，脫空占比4%。整體密實平均占比75%，疏松平均占比14%，輕微脫空平均占比8%，脫空平均占比3% 。

5 結論

采用沖擊映像法對試驗段四個側面進行脫空檢測，布置水平測線96條，垂直測線16條，采集1296個數據。通過對數據分析處理，結果表明試驗段密實平均占比75%，疏松平均占比14%，輕微脫空平均占比8%，脫空平均占比3%；混凝土與隔板間貼合良好，僅在隔板間存在局部脫空或不密實情況，經繩鋸開蓋驗證，脫空區域脫空高度2mm以內，其他區域與鋼板緊密貼合，混凝土澆筑質量良好。