1、钢管混凝土质量的无损检测试验研究 ND T无损检测钢管混凝土质量的无损检测肖云风 ,周先雁 (中南林业科技大学 ,长沙 410004)摘 要 :综合应用超声波法 (声时、声频等 )、冲击回波法和声音识别法检测构件质量。结果表明 ,超声波法可以提高检测精度和识别缺陷的能力 ;冲击回波法能够初步检测钢管混凝土脱层厚度情况 ;声音识别法能够迅速判断出构件缺陷位置。中图分类号:O327 ;TU311. 3 ;TG115. 28 文献标志码:A 文章编号:100026656 (2009) 0520356204 关键词 :钢管混凝土 ;缺陷 ;超声波检测 ;小波分析 ;声音信号 ;冲击回波法Nondest
2、ructive Testing Technologies of Concrete2Filled Steel Tube XIAO Yun2Feng, ZHOU Xian2Yan (Central South University of Forestry and Technology , Changsha 410004 , China) Abstract : Three testing methods , such as impact2echo , ultrasonic and the acoustic signal were used to detect the structure qualit
3、y of a large bridge. The inspection and analysis showed that the accuracy of ultrasonic wave testing could be improved by using two or more parameters such as time and frequency; the impact2echo method could inspect the quality probably of concrete2filled steel tube ; the sound identification could
4、detect flaws in the concrete2filled steel tube. Keywords : Concrete2filled steel tube; Flaw; Ultrasonic testing; Wavelet analysis; Acoustic signal; Impact2echo testing钢管混凝土是将预制好的钢管内灌注水泥混凝土而形成的一种承重构件 ,它具有承载高、塑性和韧性好、施工方便、耐火性能和经济高效等优点。钢管混凝土构件受混凝土材料自身特性和泵送施工工艺等影响 ,常出现界面脱空和孔洞等缺陷 ,直接影响结构的质量 ,存在安全隐患 ,故对钢管混
5、凝土构件的质量检测不容忽视 1-2。目前 ,对钢管混凝土的检测与评价尚无很好的办法。常采用局部开孔洞检查和人工敲击判断的方法进行。显然 ,若开孔小、测点少 ,则很难准确检测构件 ;而开孔大、测点多又将对承重结构造成损伤。现今国内的主要无损检测方法是超声波法 ,但存在着检测精度不高 ,无法准确评价损伤的程度 ,同时对钢管混凝土缺陷的种类也无法区分的缺点 ,如混凝收稿日期 :2008211214作者简介 :肖云风 (1981-) ,男 ,硕士 ,讲师 ,主要从事钢管混凝土构件无损检测技术研究。356 2009年第 31卷第 5期土的脱层和空洞缺陷 ,在检测中只是表现为波速的偏低 ,而对构件而言 ,
6、不同缺陷的影响是不同的 (空洞缺陷的隐患更为严重 )3-5。随着钢管混凝土构件在工程实际中广泛应用 ,迫切需要提高超声波法的检测精度和缺陷识别能力 ,或找到一种新的检测方法。 1 试验模型模型为跨径 10 m的下承式钢管混凝土系杆拱桥 ,拱轴线方程为 y =2. 5-0. 1 x 2,拱肋钢管内径 19.7 cm,外径 20 cm。钢管内灌注 C50混凝土 ,钢管 A内混凝土掺加 8%的膨胀剂 ,钢管 B没有掺加膨胀剂 ,以制造“脱空”现象。图 1是拱桥的实体照片图 ,超声检测的测点布置如图 2所示 ,每根钢管按 0.4 m的距离分为 27节段。在钢管 B内人为设置了若干缺陷 :在右侧拱脚附近
7、 (B26)振捣时间延长 ,模拟离淅 (过振 )缺陷 ;B23附近混凝土内掺加大量小颗粒的泡沫 ,模拟混凝土中的蜂窝和麻面缺陷 ;在拱脚附近 (B226)混凝土中放置 1.5 L可乐瓶一个 , . 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/肖云风等 :钢管混凝土质量的无损检测 ND T无损检测 瓶内装满水 ,模拟混凝土空洞缺陷。钢管 A内正常灌浆。 2 超声波法原理及试验研究 2. 1 超声波法检测原理超声检测是依据波的传播原理 :在传播过程中遇到由各种介质缺
8、陷形成的界面时会改变传播方向和路径 ,其能量会在缺陷处引发衰减 ,造成声时、振幅和频率变化 ;通过分析声学参数的变化从而判别构件的质量6。采用超声波检测钢管混凝土质量的主要方法有首波声时法、波形识别法和首波频率法。 2. 1. 1 首波声时法首先考虑超声波在钢管混凝土中可能的传播路径下的超声波声时比较。若混凝土与钢管粘结良好、混凝土密实 (图 3a) ,超声波沿直径方向传播的声时 T1为 : D-2 t 2 tT1 =+ (1)vc v s 沿钢管壁传播的声时 T2为 : DT2 = (2)2 vs (a)结构密实 (b)脱层 (c)空洞图 3 超声波在钢管混凝土中的传播路径两者的声时比 b1
9、为 : D-2 t 2 t+T1 vc v sb1 = (3)T2 D 2 vs 钢管厚度相对直径可忽略时 ,则可简化为 : 2 vsb1 = (4)vc 式中 D 钢管的外直径 钢管壁厚;vc 混凝土波速; ; t vs 钢管壁波速。当 b1 3 584 m/s ( vc 0.64 vs,取 vs=5600m/s) ,可由式 (1)计算出 vc来判别钢管混凝土质量。当 b1 1时 (即 T1 T2 ),表明直径方向的钢管混凝土质量可能存在缺陷 (vc 3 800 m/s,故可据此来检测钢管混凝土质量。 2. 1. 2 波形识别法波形识别法是依据传播过程中遇到两种不同介质交界面时 ,会发生波的
10、反射、折射和绕射等现象 ,而后与先到达的超声波叠加产生干扰 ,通过对波形特征 (如波形的组成、波的叠加和分布特点等)进行分析 ,判断构件是否存在缺陷的方法。若混凝土质量良好 ,则波形清晰正常 ,有明显圆弧状包络线 ;若存在缺陷 ,则波形畸形 ,首波位置不明显 ,没有明显包络线。 2. 1. 3 首波频率法首波频率法是依据首波的声频参数来检测构件的质量。如果构件存在质量问题 ,则高频部分的超声波严重衰减 ,使得首波的主频值比正常的构件主频值低。 2. 2 试验结果分析表 1是试验所得超声波检测数据。由表 1的数据分析可得 : (1)超声波首波声时法可以检测出构件的脱层和空洞缺陷 :A216到 A
11、223范围的水平值较竖直值高出 5001 000 m/s,可以判断该范围的构件存在较为严重的脱层情况 ;对应部位的 A226的声速较 B226的高出 100250 m/s,则可以判别出 B226处存在质量问题。 2009年第 31卷第 5期 357 . 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/A23 4762 4720 43. 0 44. 9 B23 4790 4548 40. 8 41. 7 A26 4651 4301 39. 7 39. 6 B26 47
12、40 4624 43. 5 42. 6 A216 4734 3687 43. 0 40. 0 B216 4850 3625 42. 0 41. 4 A223 4751 3704 41. 0 41. 3 B223 4840 4400 42. 6 43. 0 A226 4819 4651 41. 0 41. 8 B226 4566 4510 43. 5 42. 6注:B23为蜂窝缺陷;B26为过振缺陷;B226为空洞。(2)综合声时法和声频法,可以较准确地判断构件的蜂窝缺陷和过振缺陷:蜂窝缺陷B23处频率较相同部位A23低很多;过振缺陷B26处频率较相同部位A26偏低更多,而该处的声速值正常。因此
13、检测蜂窝缺陷和过振缺陷应该以声频参数为主要判据。(3)声时、声幅和声频对不同的钢管混凝土缺陷有不同的敏感度。声时对钢管混凝土缺陷最为敏感:混凝土灌注密实,声速大;混凝土存在缺陷,声速小。声速对于混凝土不同缺陷的敏感程度如下:脱层空洞麻面。声频和声幅对于蜂窝和麻面类缺陷较为敏感。3 冲击回波法原理及试验研究冲击回波法是基于使用弹性冲击产生的瞬时应力波(图4)。在预留孔位置的混凝土表面,利用一个短时的机械冲击(用一个小钢球或小锤轻敲混凝土表面)产生低频应力波,应力波传播到结构内部,被缺陷表面或构件底面反射回来。因此,应力波在构件表面、内部缺陷表面或构件表面底部边界之间来回反射产生瞬态共振,其共振频
14、率能在振幅谱中验的检测结果。事后在存在脱层缺陷部位的钢管上A23 4762 4720 43. 0 44. 9 B23 4790 4548 40. 8 41. 7 A26 4651 4301 39. 7 39. 6 B26 4740 4624 43. 5 42. 6 A216 4734 3687 43. 0 40. 0 B216 4850 3625 42. 0 41. 4 A223 4751 3704 41. 0 41. 3 B223 4840 4400 42. 6 43. 0 A226 4819 4651 41. 0 41. 8 B226 4566 4510 43. 5 42. 6注:B23为
15、蜂窝缺陷;B26为过振缺陷;B226为空洞。(2)综合声时法和声频法,可以较准确地判断构件的蜂窝缺陷和过振缺陷:蜂窝缺陷B23处频率较相同部位A23低很多;过振缺陷B26处频率较相同部位A26偏低更多,而该处的声速值正常。因此检测蜂窝缺陷和过振缺陷应该以声频参数为主要判据。(3)声时、声幅和声频对不同的钢管混凝土缺陷有不同的敏感度。声时对钢管混凝土缺陷最为敏感:混凝土灌注密实,声速大;混凝土存在缺陷,声速小。声速对于混凝土不同缺陷的敏感程度如下:脱层空洞麻面。声频和声幅对于蜂窝和麻面类缺陷较为敏感。3 冲击回波法原理及试验研究冲击回波法是基于使用弹性冲击产生的瞬时应力波(图4)。在预留孔位置的
16、混凝土表面,利用一个短时的机械冲击(用一个小钢球或小锤轻敲混凝土表面)产生低频应力波,应力波传播到结构内部,被缺陷表面或构件底面反射回来。因此,应力波在构件表面、内部缺陷表面或构件表面底部边界之间来回反射产生瞬态共振,其共振频率能在振幅谱中验的检测结果。事后在存在脱层缺陷部位的钢管上肖云风等 :钢管混凝土质量的无损检测 ND T无损检测表 1 龄期 28 d时超声波检测声速与声频数据钢管节号声速 /m s-1频率 / kHz水平竖直水平竖直 图 4 冲击回波法示意图辨别出 ,用于确定内部缺陷的深度和构件的厚度 7。如果钢管内的混凝土存在其它缺陷 ,冲击应力波会发生散射和衍射等现象 ,导致测得的
17、回波信号峰值不明显或没有峰值。图 5是密实处的时域图和频域图 ,由图可以看出密实处的信号回波次数较多 ,表明应力波传播一个来回时声能损耗较少 ,即混凝土较密实 ;图 6是存在缺陷处的时域图和频域图 ,由图可以看出密实处的信号回波次数较少 ,表明应力波传播一个来回时声能损耗较少 ,即构件存在缺陷。这些均与超声检测的结果吻合。表 2为冲击回波试开孔 ,测量实际的脱层高度 ,其数据与分析的数据比较吻合。笔者还曾用冲击回波法检测厦门某桥的灌浆质量情况 ,其结果也比较理想。 358 2009年第 31卷第 5期. 1994-2009 China Academic Journal Electronic P
18、ublishing House. All rights reserved. http:/34. 2 345. 0 B216 183. 4 42. 8异常,存在质量问题128. 9 150. 7 B223 303. 2 90. 9异常,存在质量问题67. 8 269. 8 B226 23. 9 155. 9竖向值异常,脱层79. 5 114. 234. 2 345. 0 B216 183. 4 42. 8异常,存在质量问题128. 9 150. 7 B223 303. 2 90. 9异常,存在质量问题67. 8 269. 8 B226 23. 9 155. 9竖向值异常,脱层79. 5 114.
19、 2肖云风等 :钢管混凝土质量的无损检测 ND T无损检测 表 2 冲击回波信号数据处理测点位置侧面 / cm缺陷分析 A212 31.7可能存在 89 cm的脱层 A219 32.5可能存在 78 cm的脱层 A222 32.6可能存在 78 cm的脱层 B215 34.9可能存在 56 cm的脱层 B223 36.4可能存在 34 cm的脱层 B227 40.2检测面比较密实 4 音识别法试验工程实际中的敲击法是指有经验的检测人员依据多年的检测经验 来判断钢管混凝土构件内部质量情况;在工程中,其,以敲击钢管构件所发出的声音准确性有时比用仪器测出的还高。但是由于缺乏理论根据而只是作为辅助手段
20、。敲击法的声音信号实际上就是敲击钢管时钢管壁振动时所发出的声音。如果把敲击的钢管混凝土看作振动源的话 ,该点的声音信号与振动源特性有关 (即敲击部位的钢管混凝土质量有关 )。如果敲击处钢管与混凝土粘结密实 ,即该处的混凝土浇筑质量好 ,则所发出的声音音量小、长度小且频率低 ,往往是嘎然而止 ;反之 ,如果钢管与混凝土间存在空隙 ,则所发出的声音音量大、频率高且长度大 ,往往在敲完后还有余音绕耳的感觉。笔者根据这一原理 ,采集敲击拱肋的声音信号 ,运用 Matlab的小波工具箱 ,分析声音信号的音频等参数 8-10 ,结合超声波法的检测结果 ,研究声音信号参数与钢管混凝土质量之间的关系。声音的音
21、幅参数受到敲击力的影响 ,而试验由于条件限制 ,不能严格控制敲击力 ,所以只能定性地判断缺陷存在与否 ,而不能确定严重程度。表 3是试验采集的声音信号的部分声频参数及检测结果。通过数据分析可知 ,声音异常的部位通常在拱肋的上表面 ,这与工程中钢管混凝土的缺陷情况一致。 5 结论以拱桥模型为对象 ,进行了钢管混凝土质量的超声波试验、冲击回波试验和声音识别试验。通过试验分析得出以下结论 : (1)通过对预先设置的缺陷 (空洞和蜂窝 )及浇筑后钢管混凝土产生的脱层缺陷的检测分析可见 ,超声波的声频、声幅参数对于空洞和蜂窝缺陷比脱层缺陷更为敏感。空洞和蜂窝缺陷的超声波频率值表 3 采样频率为 8 Hz
22、的 nstdfft变换参数测点位置横向值 / Hz竖向值 / Hz结论 46.9 59.2A212 正常 42.8 47.0 A215 35. 5 37. 3 208. 5149. 1 竖向值异常 ,脱层 40. 4 209. 6B212 竖向值异常 ,脱层 小于正常混凝土的超声波频率值 ;脱层缺陷与正常混凝土无区别。试验结果表明 ,较之单一的超声波首波声时法 ,用多种参数进行综合检测更能准确判断钢管混凝土的缺陷程度与类型。 (2)在超声波检测的基础上 ,可以利用冲击回波法检测脱层缺陷的厚度 ,其结果与实际比较吻合。 (3)在超声波检测结果的基础上 ,通过分析比较有缺陷与无缺陷部位声音信号的声
23、频特征参数的差异 ,可以迅速检测出缺陷位置。分析结果表明 ,脱层处敲击的声音信号的频率值值高于密实处钢管混凝土的声音信号。参考文献 : 1 韩林海 .钢管混凝土结构 M.北京 :科学出版社 ,2000. 2 蔡绍怀 .现代钢管混凝土结构 M.北京 :人民交通出版社 ,2003. 3 潘绍伟 ,叶跃忠 ,徐 全 .钢管混凝土拱桥超声波检测研究 J .桥梁建设 ,1997 , (1) :32 -35. 4 丁 睿 .拱桥钢管混凝土无损检测技术研究 J .压电与声光 ,2004 ,26 (6) :447 -450. 5 童寿兴 ,商涛平 .拱桥拱肋钢管混凝土质量的超声波检测J .无损检测 ,2002
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