1 概述

鋼管混凝土具有自重小、承載能力高、制作和施工方便等眾多特點,現廣泛的應用于高層(超高層)、橋梁和大跨度空間等建筑物的受力體系中。但在施工過程中[1],由于工序控制得不嚴,難免會出現混凝土與鋼管壁脫空或鋼管內的混凝土不密實,出現蜂窩、離析等質量問題的風險。因此,對加強鋼管混凝土完整性的檢驗尤為重要。

2 鋼管混凝土缺陷情況

1)局部混凝土密實度差。由于施工時混凝土是在無振搗,無外壓力情況下靠自落填滿鋼管,造成鋼管底端混凝土中粗骨料集中,而鋼管頂端往往砂漿較多,骨料較少,形成鋼管上下兩端的混凝土骨料不均勻,造成局部密度差,抗壓強度低。

2)蜂窩離析。由于施工時混凝土的配比不合適,使水泥漿與粗骨料分離或靠混凝土自重使得填充不夠密實,容易產生蜂窩離析現象。有時鋼管中的空氣不能暢順排出孔外,使得空氣混充于混凝土中則產生很多小的孔洞,小孔洞集中時則易產生蜂窩。

3)孔洞。施工中選料不細致,混凝土中出現大的礫石,在無振搗的情況下,大礫石附近容易出現孔洞;有時鋼管壁內有障礙物使得混凝土塌落不暢或受阻則更易出現孔洞現象。

4)鋼管壁與混凝土之間的收縮間隙。此類問題普遍發生在鋼管混凝土結構中,其嚴重程度取決于施工方法以及混凝土配比。以坍落度大及收縮性大的混凝土尤甚。但即便是和易性再好的混凝土,隨著灌注后時間的推移也會或輕或重地產生此類缺陷,目前,這種鋼管壁與混凝土之間的收縮間隙給予鋼管混凝土結構本身的影響程度仍在深入的研究中。

3 現有檢測方法

目前我國《鋼管混凝土結構設計與施工規程》和《建筑結構檢測技術標準》及《超聲波檢測混凝土缺陷技術規程》等現行的標準已經對鋼管混凝土的內部質量如何進行檢測給出了一些具體的做法。目前國內外應用較為廣泛的檢測鋼管混凝土內部質量方法主要有敲擊法,超聲波檢測法,射線檢測法等。

3.1 敲擊法

工地上最常用的混凝土質量檢驗方法就是敲擊法,通過聲音來分辨管內混凝土是否密實。有時會聽到鋼管柱與混凝土之間有空隙的聲音,說明二者之間有空隙。此法確實基于經驗來進行判斷,且不能夠真正的得出混凝土與鋼管之間的空隙大小和分布范圍,隨機性較強,因此建議作為輔助性檢測手段。

3.2 超聲波檢測法

超聲波檢測法[2-5]:超聲波的測試頻率一般是在40Hz~100Hz之間,當其通過鋼管混凝土時,鋼管與混凝土和空隙對其速度、振幅、波形等會產生不同的影響,這就會在顯示儀器上表現出來,對比無缺陷的鋼管混凝土各種標定,從而確定管內混凝土的狀況和質量。

超聲波檢測鋼管混凝土質量主要有以下三種方式:首波聲時法、波形識別法和首波頻率法。超聲波檢測法在實際工程中已經推廣,也得到了比較成熟的理論與經驗,但是也有一些問題尚未解決,如不能確定缺陷的性質、易受人工操作的影響。而且對于鋼管混凝土內鋼隔板與混凝土之間的質量檢測問題,尚未有很好的解決辦法。

3.3 射線檢測法

射線檢測是基于被檢測件對透入射線的不同吸收來檢測零件內部缺陷的檢測方法。目前主要是X射線照相檢測技術等。X射線照相檢測根據射線穿過不同材料時衰減量不同引起透射射線強度的變化,而呈現不同的影像,從而檢測出被測物體中存在的缺陷。其特點在于檢測效率高,可實現缺陷的在線檢測,且圖像處理以后可進行缺陷的自動評定。該方法缺點在于發現垂直射線方向的薄層缺陷,檢測費用較高,同時射線對人體模型有害,需作特殊防護。

4 鋼管混凝土缺陷音頻法對比研究

4.1 音頻檢測法定義與原理[7]

對比以上較為成熟的檢測方法,可以發現,這些方法雖然都有自己的適用范圍,但是其缺點也較為明顯,為此特別需要對現有的檢測方法進行改進或者提出新的方法。目前有另外一類的鋼管混凝土無損檢測方法:音頻檢測法。

由于每種工件都有其固定的彈性模量與共振頻率特征,當工件受到激勵產生自由振動時就會發出與固有頻率相同的聲音,而工件的彈性模量、共振頻率等特征與其內部質量有關,當構件有缺陷時,其固有特性就會發生變化。由此可以通過測定工件在外界激勵下振動的音頻參數(固有頻率與內耗)來檢測和評價工件的內部質量,這就是音頻檢測。

機械振動會引起聲輻射,在物體振動時,引起周圍空氣質點振動,由于空氣具有可壓縮性,在質點相互作用下,振動物體周圍的空氣就交替產生壓縮與膨脹,并逐漸向外傳播產生聲波,聲波由換能器轉換為電信號,即可對該電信號進行測量和分析。

4.2 音頻檢測的工作對象與目的

音頻檢測的對象為鋼管混凝土柱、梁、節點等部件。主要目的是檢測出存在于鋼管混凝土構件中出現的局部混凝土密實度差、孔洞、鋼管壁與混凝土之間的收縮間隙等問題,并確定其分布情況與大小。

4.3 音頻檢測設備概念設計

音頻檢測法中最重要的就是有一套可靠、合理、方便的音頻檢測系統。參考國內外相關文獻,其大致主要分成激勵源、構件、音頻傳感器、信號調理線路、聲卡、計算機采集處理、結果顯示幾個構成部分。

4.4 音頻檢測法主要步驟

從實際操作角度,音頻檢測法主要由以下步驟組成:1)初步判定可能存在有缺陷的鋼管混凝土構件(利用錘擊法等經驗方法)。2)對初判的構件借助音頻檢測系統對構件進行激勵,數據采集與處理,顯示與打印等工作。3)利用傳統的檢測方法,對個別較為重要或存在爭議構件進行復查,結果相互對比,以進一步確認。4)利用檢測數據,確定缺陷的位置、大小、性質等情況。通過以上步驟,可以看出音頻無損檢測實現了自動化的信息收集,轉化,處理與顯示的整套過程,明顯提高了工作效率,而且受人工影響因素很小。依據國內外應用音頻檢測技術對金屬的無損檢測,其精度誤差在5%以內。音頻檢測應用于混凝土結構發展較為緩慢,同濟大學通過采集可聽見的音頻信號,來反演混凝土強度缺陷等方面研究。通過實際工程檢驗,精度良好。音頻無損檢測法不僅具有操作方便,使用簡單的特點,而且采用專門程序對結果進行判定,精度較高。因此,其可以作為土木工程無損檢測的一種新型檢測方法來推廣使用。

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