超声波检测技术在广州新电视塔钢管混凝土施工中的应用.pdf

超声波检测技术在广州新电视塔钢管 混凝土施工中的应用 Ap p l i c a t i o n o f UT( Ul t r a s o n i c T e s t i n g ) T e c h n o l o g y t o C F S T Co n s t r u c t i o n o f Gu a n g z h o u Ne w TV To we r 林海 上海建工集团股份有限公司 上海 2 0 0 0 8 0 摘 要： 广州新电视塔工程的钢管混凝土具有体量大、管壁厚、施工工艺要求严格 、检测困难等难点。为了解决这些 困 难 ，应用内置超声管法 ， 使超声波检测混凝土密实度得到了有效的检验。通过详述的检验实施方法和过程，总结了复 杂钢结构填芯混凝土的检测技术 ，为类似工程提供借鉴。 关键词 ： 广州新电视塔 钢管混凝土 超声波检测 内置超声管 径 向对测法 中图分类号： T U 7 5 5 ， 文献标识码 B 【 文章编号】 1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 2 J 0 6 0 5 5 4 0 3 1 工程概况 广州新电视塔总高 6 1 0 Il l ， 由 1 座 4 5 4 Il l 的主塔体和 1 根 1 5 6 Ill 的天线桅杆构成。 主塔体 由钢筋混凝土核心筒、 钢 结构外筒以及连接两者的组合楼层组成 。 外筒由 2 4 根钢管 柱 、 4 6组 环 梁 以 及 部分 斜 撑 组 成 ，最 高 处 的标 高 为 4 6 2 7 m 。2 4 根钢管柱在 + 5 0 m以下采用 西2 m的等截 面 钢管 ， 在 + 5 0 m以上则采用 2 m渐变至 西1 2 m的锥形 管 ， 每根钢管的倾斜角度约 7 。， 钢管壁厚从底至项分别为 5 0 m m 、 4 0 m m和 3 0 m m 。 在外筒结构中， 仅钢管柱柱内填充 混凝土 ， 基础面 1 2 6 4 Il l ( 即 1 2 环及 以下 ) 标高段填充 C 6 0 混凝土 ， 在 1 2 6 4 Il l 3 0 8 4 Il l ( 即 1 3 环至 3 3 环 ) 标高段填 充 C 5 0混凝土 ， 在 3 0 8 4 Ill 以上( 即 3 4环及以上 ) 标高段填 充 C 4 5 混凝土，其 中， 1 4 环及 以下的钢管混凝土在 浇筑时 添加了减缩剂 ， 以减少混凝土的收缩。 外框柱的钢管混凝土 施工工艺为泵送混凝土 ， 末端接壁挂式 白爬升布料杆 ， 采用 高抛法施工加人工辅助振捣叫 。 除了前期布料机的使 用有点不顺手之外 ，工程施工还 算顺利。但是 ， 由于钢管内部有环向加劲板 ， 设计方担心加 劲板下方有可能会不密实 ， 因为加劲板是和钢管柱垂直的， 而钢管柱却是 1 ： 1 0 倾斜的， 所 以理论上存在顶部死角。 为 解决这个死角问题 ， 参建各方都有不同的认识 ： 施工方提出 沿环形 加劲板 中开设 8 个 5 0 m m排气孔， 可以有效减小 死角的存在空间， 但还是未能完全消除 i 正是出于对这个死 作者简介： 林海( 1 9 6 8 一 ) ， 男， 本科， 高级工程师， 总工办副主任。 作者地址 ：上海市东大名路 6 6 6号( 2 0 0 o 8 o) 。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 5 2 8 5 5 4 I 2 o 1 2 6 B lm d in g 角的担心 ， 设计方在图纸上提 出了超声检测密实度的要求 ； 也有人提 出， 如果不做检测 ， 就无法证明钢管混凝土的内在 质量是否合格。 2 超声波检测法 早在 1 9 9 0年 ， 中国工程建设标准化协会就颁布了 钢 管混凝土结构设计与施工规程 ( C E C S 2 8 ： 1 9 9 0 ) 。对于钢管 混凝土的检测， 规范上提供了敲击法来检查密实度。 对于广 州新电视塔 2 m 、 钢管壁厚 5 0 m m的钢管混凝土来说 ， 这 个方法根本就是不可能的。 目前的各种无损检测方法中， 只 有超声波法最接近实际可能 ，而超声波检测混凝土密实度 又有 2 个方法 ： 内置超声管法和径 向对测法。 从径向对测法的原理可知 ，该法能完全覆盖整个钢管 柱断面 ， 能检测设计方 比较在意的环板 下的那一部分 ， 旋 工 方也 比较赞成采用径向对测法，因为这个检测方法对施工 的牵制少 ， 可以后测 ： 但本工程直径大、 管壁厚 ， 以前实施的 体量都没这么大 ， 见图 1 ( a o也有人提出采 用内置超声管 法( 埋管法 ) ， 该方法检测工艺成熟 ； 但是其检测范 围有限 ， 只能检测埋管中间的区域 ， 即埋管位置只能在环板中间， 环 板下的那一部份就无法检测 ，而中间检测管之内的那部 分却是施工质量最容易保证的 ， 见图 1 ( b o 从两种测量方法及检测结果来看 ，应该优选径 向对测 法。但是对这么厚管壁的钢管混凝土 ， 我们却没有把握 ， 而 且实施径向对测法有个前提，就是需要混凝土和 管壁结合 良好 ， 没有间隙。需要指出的是 ： 混凝土和管壁存在间隙是 完全可能的， 属于正常现象 ， 非施工不 良所造成 的。因为按 照混凝土的收缩特性 ， 收缩值一般为 0 0 8 ， 虽然这属于最 终收缩 ， 但是其早期将完成大部分收缩量 ， 检测龄期一般为 【丑 】 径内对测法 ( b ) 内置超声波法 图 1 超声波检测 混凝土密实度 1 4 d ， 1 4 d将完成收缩值的 5 0 ； 而我们的混凝土添加了低 收缩外加剂， 能减少收缩值的 5 0 ， 那么算下来收缩值也在 O 0 2 左右 ， 钢管直径为 2 m， 收缩量将达到 0 4 m m 。由于钢 管混凝土没有配筋 ， 因此 ， 裂缝开展将无规律开展 ， 极有可 能在筒壁 间形成部分间隙而影响检测。 综合以上的意见 ， 经参建各方开会讨论 ， 由于径向对测 法具有不影响施工进度且检测范围广 的特 点，决定先进行 体外径向对测法试验。 3径向对测法试验及结果 广州市建筑科学研究院受到业主委托 ， 于 2 0 0 7 年 5 月 2 4日、 2 8日和 6 月 4日， 分 3 次对 5 月 2 1 日灌注 的钢管混 凝 土进行体外径向对测法试验 。使用仪器为武汉岩海公司 生产的 R S - S T O I D ( P ) 数字型跨孔超声检 测仪 ， 发射 、 接 收主 要采 用 3 0 k H z 厚度振动式换能器 ， 仪器在检定期 内。 检测沿轴向 1 m范围内进行 ，钢管约为 2 0 0 0 m m 。 在柱面上分别布置对应测试 用的圆周长均分 的 3 2 列垂线 ( 列 ) 及相隔 2 0 0 m m的环 向线( 行 ) ， 环向线垂直于轴线 ， 垂 线( 列 ) 平行于轴线 ， 这样就形成 了 1 9 2 m m 2 0 0 m m的环 形网格。由于现场条件限制 ， 检测试验时布置 4条环 向线 ， 因此将有 6 4个对测点， 每对测点连线过轴心。检测采用厚 度振动式换能器 ， 用黄油耦合。 经过对检测结果的分析 ， 我们认为 ： 接 收到的首波可能 为超声波沿钢管壁传播的 ，不是通过柱内混凝土径 向传播 的 ， 这可能是由于直径大、 管壁厚、 结构复杂等原 因造成。 有 趣 的是 ， 试验组还对现场堆放 的未起 吊钢管进行检测 ， 数据 和 灌注混凝土后的钢管柱数据基本相 同。 广州市建 筑科学研究院在 2 0 0 7 年 6 月 8日提交 的报 告 ， 其结论为 ： 针对本工程大直径厚壁 的钢管混凝土柱 ， 无 论灌注混凝土时间的长短 ， 采用超声波管外对测法 ， 均无法 区分所接收的超声波是沿钢管壁传播 的还是穿透钢管混凝 土柱径向传播 的，因此也无法判定钢管柱 内混凝土的灌注 质量。 2 0 0 7 年 8 月 ， 台湾 中央大学和香港理 工大学对钢管混 凝土柱进行断层扫描试验 ，其原理来 自于医学上的 X 光断 层扫描。其试验结果显示混凝土收缩后形成的间隙对试验 结果影响较大 ， 即使没脱离 的部分 ， 检测结果也只是作为参 考 ， 不能作为正式检验报告， 也没有明确的判定。 鉴于径向对测法在本工程上无法应用 ，因此大家只有 转向内置超声管法。 4 内置超声管法检测的方案与实施 内置超声管法简便可靠 ， 为成熟检测手段 ， 广泛用于灌 注桩 的检测 中。针对本工程 ， 除了其检测范围狭 窄之外 ， 另 一 个负面因素就是施工检测配合复杂。 说到施工配合 ， 就要从施工方法说起。 新电视塔工程外 围一共有 2 4 根钢管柱 ， 吊装的时候 ， 先吊装主立柱( 也就是 需要浇注混凝土 的柱 ) ， 再 吊装斜撑和环梁 ， 当主立柱和斜 撑、 环梁连接形成整体 之后 ， 才能浇捣混凝土 ， 否则浇捣混 凝土会影响吊装精度。 一旦主立柱和斜撑、 环梁连接形成整 体之后， 接下去又该 吊装上一环的主立柱了。所 以， 留给混 凝土浇捣 的时间就很短 ， 通常只有 1 d 2 d 的时间。 而一节 立柱 的高度一般在 1 0 m多点 ， 每节都是不 同的 ， 故 多节柱 的混凝土浇捣将不利于质量保证。 内置超声管的检测工艺是 ：先在被检测的主立柱 内设 置超声管 ， 这只能在地面内放置 ； 吊装完成并浇捣完混凝土 之后 ， 对管内进行灌水 ； 当达到龄 期后再对管内放置换能器 进行检测。检测完毕后， 还要 回灌水泥浆置换管内清水 ， 因 为本工程 的防火要求不允许管内有水存在。 要实施超声检测就必须 同时协调施 工工艺和检测工 艺。其中的矛盾在于 ： 检测需要在浇捣完成的钢管 口进行 ， 需要龄期 ， 一般为 2 8 d ， 早期检测的龄期为 1 4 d ； 而从施工 工艺上看 ，钢管柱在混凝土浇捣后即开始上一环的主立柱 吊装 了， 无法留出时间等待龄期发展。关于这个矛盾 ， 我们 使用以下流程来解决 ( 图 2 ) 。 流程一 流程二 流程三 流程四 流程五 流程六 图 2 内置超声管法施工流程 ( a )流程一 ： 下节钢管混凝土浇筑完毕 建 筑 施 工第 3 4 卷第 6 期 f 5 5 5 ( b ) 流程二： ( 混凝土养护期间) 安装上节钢管、 对接声 测管 ； ( c ) 流程三 ： 声测管灌水并进行检测 ； ( d ) 流程 四： 浇筑上节钢管混凝土 ( e)流程五 ： 声测管注浆 ； ( f ) 流程六 ： 再安装上节钢管。 从以上过程来看 ， 内置超声管法施工配合复杂、 相互牵 制较多， 确实给工程增加 了难度， 需要总承包方投入大量的 精力去管理协调 ，一个超声检测居然需要牵涉 5 家专业分 包， 实在是意料不及。况且 ， 操作环境恶劣、 危险， 都是高空 作业( 图 3 ) 。事实上 ， 经协商 ， 在管 口上的工作基本上都是 长期从事高空作业的现场操作工人去完成 ，一般的管理技 术人员根本难以胜任。 除了管口的工作 ， 延长管和声测管连 接时， 工人只能从管口爬到 1 O m深的柱底( 说井底更恰 当) 进行钢管对接 ， 以确保其不漏水。 图 3 内置超声管法的作业环境 整个超声检测的实施过程也是一个不断改进 的过程 ， 除了施工配合上的不断调整外，检测龄期和判定参数也有 调整。 我们在正式施工钢管混凝土前 ， 利用一个废弃的钢管 柱做 了一个 1： 1 模拟试验。在浇捣完成 7 d 、 3 4 d 和 2 1 d 后 ， 广州市某检测单位分别进行 了体外对测和体 内检测。 据 第一次( 7 d ) 检测汇报 显示 ： “ 桩身完整 ， 柱混凝土表面浮 浆厚度很少 ，不超过 5 c m” 。但是在进行柱外壁超声对测 时， 发现超声信号透不过混凝土 ， 故有关单位认为 “ 管外对 测方法在本工程钢管柱检测难于实施 ” 。由于 1 4 d 和 2 1 d 的检验结果与 7 d结果基本相同， 因此 ， 检测单位决定在工 程实测 中采 用 7 d龄期进行检测。 在早期的结果判定 中， 也 出现过分歧 ： 因某根钢管柱的 测试曲线并不令人满意 ， 而该管 口恰好 尚未吊装上节柱 ， 在 经过钻芯取样后，报告显示该试件外观和试压结果都令人 满意。 这件事情也说明了 ： 钢管柱和灌注桩的实际情况还是 有差异 的。 经过该次分歧之后 ， 检测单位也适当的调整了有 关参数。 根据图纸要求 ， 需要对构件数量的 1 0 进行检测。经过 一 段时间的检测 ， 其结果稳定而良好 ， 故在其后 由市建委组 5 5 6 I 2 0 1 2 6 B 1坷 d 织召开的专家论证会上，专家们建议可将 比例减小到 2 。 而在实际上 ， 我们还是坚持每环柱子检测 1 根 ， 检测数量已 超过 了2 。新电视塔工程总共检测 5 4段钢管混凝土柱， 其 中被判定为 I 类桩的有 4 9 段 ， 占 9 O 7 茗 ， 被判定 类桩的有 5 段 ， 占 9 3 。 5 结语 广州新电视塔的超声检测是复杂而曲折的，中间牵涉 了很多的技术问题和施工配合问题。 回过头来再看 ， 其检测 结果已经和设计初哀有了较大的出入 ，预先选定柱子埋设 声测管， 就已经失去 了随机抽检 的意义。在检测初期， 参建 各方也去本地及外地的工程进行了考察取经 ，各工程都表 示实际意义不大 ， 还是以施工工艺去保证质量最重要。 在检测手段方面 ， 至 目前为止 ， 无论体外径向对测法还 是内置超声管法均不能反映出不良产品内部空洞 的大J J D 方位。 内置超声管法沿用了灌注桩的检测标准， 最终判定也 是 I 类桩、 类桩或类桩。 而灌注桩和钢管混凝土还是有 着很大的区别 ： 灌注桩是配筋混凝土桩 ， 当混凝土硬化发生 收缩时， 桩身整体收缩 ， 内部不会产生收缩裂缝 ， 桩身收缩 后外侧的泥土 自然填补空隙，不存在影响桩身摩擦力的问 题。而且灌注桩常见的质量问题是水下混凝土浇筑过程中 产生夹泥而形成断桩 ， 内置超声管检查断桩是对症下药 ， 即 通过波速和振幅的变化来判定断桩的情况 ，一旦断桩 比例 过大 ， 则征得设计认可 ， 采用补桩进行补强 ， 来达到原设计 要求 ； 而钢管混凝土柱则不同 ， 一般是不配筋的素混凝土 ， 会在固定空间内收缩而形成不规则裂缝 ，这种正常的裂缝 会影响检测结果。 裂缝一般随龄期而发展， 本工程的龄期较 短， 故影响较小。 钢管柱不同于灌注桩 ， 数量上是无法改变的， 而检测结 果又不能准确反映缺 陷的状况 ，这给补强工作带来了很大 的难度。根据我们的考察和了解 ， 凡经过检测的 ， 其结果都 合格 ， 没有发生需要补强的柱子 ， 当我们 问起若是有柱子不 合格时该如何补强 ， 对方都婉转地表示不可能。 同时我们也 了解到， 很多工程检测后 ， 管道内是不回灌水泥浆的 ， 且声 测管的壁厚选择上也没有考虑对混凝土的补强， 那么， 声测 管形成的空洞对截面也会起到削弱作用 ，甚至于一般形成 的空洞断面还抵不上声测管断面 ! 笔者认为，台湾中央大学的那个断层扫描法是今后检 测技术的发展方 向， 但是要等到能成熟地运用 ， 还有很长的 路要走。 参考文献 1 倪杰， 林海， 陈安民 广州新 电视塔钢 管混凝 土施工技术 J 1 _ 施T技 术， 2 0 0 9 ，3 8 ( 3 ) ： 1 5 1 7 2 】 哈尔滨建筑工程学院， 中国建筑科学研究院C E C S 2 8 ： 1 9 9 0钢管混凝土结 构设计与施工规程 S 埘E 京： 中国计划 出版社， 1 9 9 2