环形钢筋混凝土电杆裂缝深度的超声波检测.pdf

第 3 1 卷第 3 期 V n I 3l No 3 水 利 水 电 科 技 进 展 Ad v a n c e s i n S c i e n c e an d Te c h n o l o g o f Wa t e r Re s o u r c e s 2 0 1 1 年 6 月 J u n 2 0 1 1 D O I ： 1 0 3 8 8 0 j i s s n 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 1 0 3 0 2 4 环形钢筋混凝土电杆裂缝深度的超声波检测 方永浩 ， 贾丽丽 ， 戴 王 比 ， 康秋波 ， 葛兆祥 ， 刘建军2 ， 陈大兵 ( 1 河海大学力学与材料学院 ， 江苏 南京2 1 0 0 9 8 ； 2 江苏省 电力试验研 究院有限公司 ， 江苏 南京2 1 1 1 0 0 ) 摘要： 研究采用超声波检测环形钢筋混凝土试件和环形钢筋混凝土电杆中裂缝深度的方法， 导出纵 向裂缝和环向裂缝深度计算公式。对环形钢筋混凝土试件和环形钢筋混凝土电杆裂缝深度的检测 结果表明： 用本文提 出的检测和计算方法对于环形钢筋混凝土构件裂缝深度的检测具有较 高的准 确度； 对于环向裂缝， 用两换能器的连线斜跨环向裂缝的布置方法可以基本消除钢筋的影响。 关键词 ： 钢筋混凝土电杆 ； 裂缝深度； 超声波检测 中图分类号： T U 3 1 7 8 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 8 8 0 4 U l t r a s o n i c t e s t s o n c r a c k d e p t h i n c i r c u l a r r e in f o r c e d c o n c r e t e p o l e s F A N G Y o n g h a o ， J I A L i l i ，D A I P i n ，K A N G Q i u I) o ，GE Z h a o - x i a n g 2 ，Uu J i a n - j u ，C H E N D a - b i r i g ： ( 1 C o l le g e o fM e c h a n i c s a n d Ma t e r le d s ，H o h a i U n i v e r s ，v n ， 2g 2 1 O O 9 8 ， i n a ； 2 J i a n g s u E le c t r ic a l P o w e r R e s e a r c h l n s t h u t e C o ，L i d ， 2 1 1 1 0 0 ，C h i n a ) Abs t r a c t ：T h e me t h o d o f u l t r a s o n i c t e s t s wa s e mp l o y e d t o i n v e s t i g a t e t h e c r a c k d e p t h s i n c i r c ula r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i me n s a n d p o l e s T h e r e l e v a n t f o r mula s f o r t h e d e p t h s of 1 o n g i t u d i n a l a n d c i r c ula r c r a c k s w e r e d e r i v e d T h e t e s t r e s u l t s of t h e c r a c k d e p t hs o f t h e c i r c u l a r r e i nfo r c e d c o n c r e t e s pe c i me n s and p o l e s s h o w t h a t the p r o po s e d me t h o d h as g h a c c u r a c yAs f o r the c ir c u l ar c r a c k t h e i n n u e n c e s of t h e a d j a c e n t b a r s o n t h e me a s u r e d r e s u l t s c a n b e a v o i d e d b y o b l i q u e l y s e t t i n g t w o t r a nsd u c e r s a c r o s s t h e c r a c k Ke y wo r d s：r e i n f o r c e d c o n c r e t e p o l e；c r a c k d e p t h；u l t r aso n i c t e s t 裂缝 是 环形 钢筋混 凝 土 电杆 的主要 缺 陷之 一_ 】 ，它不仅直接影响电杆 的承载力 ， 而且降低 了 混凝土对钢筋的保护作用， 严重影响电杆的使用寿 命_ 5 。准确检测钢筋混凝土电杆裂缝深度 ， 对于电 杆的安全使用和评估具有重要意义。 超声波检测是混凝土结构裂缝深度检测的常用 方法 ， 主要用于平面混凝土结构的检测 7 - 1 0 。钢筋 混凝土电杆表面是环形的 ， 用于平面构件 的检测方 法及相关计算均不能直接应用于环形钢筋混凝土电 杆裂缝深度的测定和计算。另外 ， 钢筋混凝土电杆 中钢筋的存在可能影响裂缝深度的测定结果 。祝贺 等l_ l l _ 将平面混凝土 的裂缝深度检测与计算方法应 用于环形钢筋混凝土电杆裂缝深度检测， 但仅是对 环向裂缝 的检测， 没有考虑钢筋 的影响。笔者采用 不同裂缝深度的环形钢筋混凝土试件， 研究超声波 视波速与裂缝深度的关系及用超声波测定环形混凝 土制品裂缝深度 的方法 ， 并应用于环形钢筋 昆凝土 电杆裂缝深度的测定 。 1 试件制备 用 P 0 4 2 5级水泥 、 细度模 数为 2 6 5的河沙 、 最大粒径为 2 5 B i n的石灰岩碎石 、 级粉煤灰和聚 羧酸减水剂配制 C 4 0混凝土， 制作成外径 、 内径、 高 度分别为 2 0 0 I T l r f l ， 7 5 l T l n ， 2 0 0 r f l n的环形混凝 土试 件。对于研究纵向裂缝检测方法的试件， 成型时在 模具 中放置厚度为 0 3 I l l U 、 不 同宽度 的 P V C薄片； 对于研究钢筋 影响 的试件 ， 在 P V C薄片上附一段 1 0 ra i n 的光圆钢筋 ， 混 凝土终凝后 即抽 去 P V C薄 片， 2 4 h后脱模 ， 标 准养护 ； 对于研究环 向裂缝检测 方法的试件， 用切割机沿圆周切出不同深度的缝隙。 2 裂缝检测和裂缝深度计算方法 用 Z B L - U 5 2 0非 金 属 超 声 检 测 仪 ( 频 率 为 5 0 k H z ) 检测含裂缝环形混凝土 的超声 波传播声时 并计算裂缝深度。 基金项 目： 江苏省电力公司科技项 目( 2 0 0 8 0 1 8 ) 作者简介 ： 方永浩( 1 9 5 6 一 ) ， 男 ， 浙江诸暨人 ， 教授 ， 博士， 从事高性能水泥基材料及混凝土结构评价方法研究。E - m a i l ： f a n g y h h h u e d u a n 8 8 水利水电科技进展 ， 2 0 1 1 ， 3 1 ( 3 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ： j z b h u m h t tp： lb h h u e d u m 2 1 纵向裂缝检测与计算 2 1 1裂缝处 无钢筋 首先将发射换能器 1 置于 4点 ， 将接收换能器 2 置于 B点 ， A点 、 B点位于裂缝同一侧 ， 见图 1 ( a ) ， 用凡士林将换能器 1与电杆耦合 ， 使 2个换能器间 的圆弧长 S分别为 6 0m m， 8 0 m ， 1 0 0m m， 1 2 0 n 1 r r I ， 1 4 0 I n I n ， 依次移动换能器 2并读取相应的声时值 t 。 两换能器中心直线 间距A B按式 ( 1 ) 计算 ， 视波速按 式( 2 ) 计算 ： 一A B = 2 n ( ) ( 1 ) ： AB ： 2Rs i n ( R ) 2 = = l Z J 图 1 环 形混凝土试件纵 向裂缝检测示意 图 计算不同测距的视 波速 的平均值 ， 作为无裂 缝混 凝土 电杆 的波 速 。 然后进行跨缝的声时测量。将换能器 1 和 2 分 别置于以裂缝为轴心 的对称两侧 ， 控制 S分别 为 6 0 l n lT l ， 8 0 12 1 1 q ， 1 0 0 n m 1 ， 1 2 0 IT I H I ， 1 4 0 n r n ， 依次移动换能 器 1 和 2 ， 并读取相应的声时值 t 见图 1 ( b ) 。当两 换能器的连线与裂缝的交点 高于裂缝尖端 C点 时， 因波的实际传播距 离A C B大于两换能器 的直线 距离A B， 故按式( 2 ) 计算得 的视波速 小于混凝土 实际平均波速。当两换能器的连线正好与裂缝尖端 相切时( 此时换能器 1 和 2分别位于 ， B 点) ， 波 的实际传播距离就为两换能器 的直线距离 ， 所求得 的视波速等于两换能器置于裂缝 同一侧时所得平均 波速 。 如两换能器在裂缝同一侧时测得弧长为 s( 直 线间距为A B) 时的声时为 t ， 两换能器不在裂缝同一 侧时测得相同弧长时的声时为 t ， 有 ： 一 面 = 心 n ( ) ( 孚 ) 3 一 D E = R 1 s( 嘉 ) 】 则裂缝深度 d=D C =D E+E C=RI 1一C O S I J + 厂 一1 s in ( S ) 一 1 J ( 4 ) 取不同的 s ， 可以得到不同的 t 和 t ， 从而得到不 同 的裂缝深度值。取各深度值 的平均值 ， 即为裂缝深 度测定值。 当两换能器的连线与裂缝尖端相切( 图 1 ( b ) 中 E点与 C点重合) 或 E点低于 C点时 ， 假定混凝土 表面与内部是均匀的， 则两换能器跨缝测得 的波速 与两换能器置于裂缝同一侧时所得波速 相等。因 此也可以将两换能器分别置于以裂缝为轴心的对称 两侧 ， 测定不同测距时的视波速 ， 当测得的视波速 刚好等于混凝土实 际平均波速时， 两换能器的连线 正好与裂缝尖端相切， 可得裂缝深度 r 、 1 d=D c=D E=R l 1 一c o s I J l ( 5 ) 2 1 2 裂缝 处含钢 筋 含钢筋的裂缝深度测定方法基本与无钢筋时相 似。当裂缝深度未达到钢筋保护层厚度时 ， 钢筋 的 存在对裂缝深度测定结果基本无影响。如裂缝深度 超过钢筋而未完全穿透混凝土壁厚， 则 当两换能器 连线与钢筋相切时， 视波速最大 ； 当两换能器间距继 续增大时 ， 视波速又减小 。如裂缝尖端超越钢筋距 离不是太小时( 若太小就只能忽略钢筋 以下部分深 度) ， 则随着两换能器间距继续增大 ， 视波速降至最 小值后又增大。当两换能器的连线正好与裂缝尖端 相切时， 波的实际传播距离就为两换能器的直线距 离 ， 所求得的视波速基本等于混凝土实际平均波速 ， 裂缝深度可按式 ( 4 ) 计算。当裂缝 已贯穿环形混凝 土壁厚 时 ， 两换 能器连线 超过钢 筋后视 波速持续 减小 。 2 2 环向裂缝测定与计算 对于环形混凝土制品中的环 向裂缝 ， 由于配筋 比较密集 ， 无论是钢筋穿越裂缝还是穿越裂缝下方， 如两换能器沿构件轴 向布置， 均无法达到“ 换能器需 避开钢筋的距离应至少为裂缝深度的 1 5倍 ” 的要 求l 1 2 j ， 即无法避免钢筋“ 短路” 作用的影响。为此采 用两换能器的连线斜跨环向裂缝的布置方法。 首先将发射换能器 1 和接收换能器 2置于裂缝 同一侧 ， 分别位于 点 、 点( 图 2 ( c ) ) ， 两换能器内 侧边缘与中间钢筋 的距离大 于 6 0I I ll I l ( 按最大裂缝 深度为 4 0 m m的 1 5 倍计) 。将换能器 1 耦合好 ， 控 制换能器 1 ， 2内边缘线轴 向间距 分别为 2 0 m m， 4 0 n q i n ， 6 0 m m， 8 0 I t l m， 依次移动换能器 2并读取相应 的声时值 t 。如图2中 口点和 点之间的圆弧长为 水利水电科技进展， 2 0 l 1 ， 3 1 ( 3 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ： j z h h u e d u m h t tp： k k b Mu e d u m 8 9 ( a )t - 视图 ( b ) 左视图 L c J 俯 图 图 2 环形混凝土试件环 向裂缝检测示意 图 S ， 则 D点 、 R点之间的直线距离为 一 D R = 2 心 n ( ) ( 6 ) 两换能器的直线距离为 一 T R：、 ： 【 2 n ( ) - b ( 7 ) 接收换能器在其他位置时计算方法相同。 然后进行 跨缝 的声时测量 。将换 能器 1 ， 2由 ，R点分别平移至图 2 ( c ) 所示的裂缝两边对称 的 A， B点位置 ， 测量超声波声时。 如两换能器在裂缝 同一侧 时测得声时为 t ， 声 速为 ， 两换能器分别置于 A点和 B点时测得声时 为 t ， 结合图 2和图 3 可得 一 AB = ： 2 心 n ( ) ( 8 ) 一 E C： ( ) 一 ： 厶 一( 9 ) 吉 ) 一 2 心 n ( 一 面 一 F E = 尺 一 = 尺 一s ( ) ( 1 0 ) d：而：瓦+丽： 吉 ) 一 2 心 n ( ) + s( ) ) 上述方法仅适用于环向裂缝深度未达钢筋处时 的裂缝深度检测。当裂缝深度超越钢筋时 ， 钢筋起 到超声波跨越裂缝的“ 桥梁” 作用。对于当裂缝深度 超越钢筋的情况， 两换能器仍按斜跨环形裂缝布置， ， 、 一一 一 雩专 1 ： 、 、 i 1 f l | 1 ) l ) I 、 。 。 - 、 、 、 l硼 l ， 一 图 3 裂缝深度计算 示图 而其测定方法和原理类似于含钢筋的纵向裂缝深度 测定方法 ， 即根据换能器在不同位置测得 的视波速 的变化来判断。 3 测定结果 3 1 环形混凝土试件裂缝深度 图4是采用 2 1 1 中方法对纵 向裂缝深度的测 定结果( 裂缝处不含钢筋 ) 。从图 4可以看出， 裂缝 深度越小 ， 测量绝对偏差越小 ， 但相对偏差越大。在 裂缝深度为1 4 c m的范围内， 本文方法测定结果与 裂缝实际深度的最大绝对偏差小于 0 3 c m， 最大相 对误差 为 1 8 。 O 暑 。 。 堡 兰 一 。 一。 一 O 图 4纵向裂缝深度测量偏差 ( 不含钢筋 ) 图 5是采用 2 1 2中方法对裂缝处含 1 0m i l l 钢筋( 钢筋埋深 3 c m， 即保护层厚度为 2 5 a m) 的纵 向裂缝深度的测定结果。裂缝 中含有钢筋， 对测定 准确度有一定影 响， 随着测定深度的增大绝对偏差 增大 ， 但 最大相对 偏差 变化不大 。在裂缝深度 为 1 4 e m的范围内， 测定结果与裂缝实际深度的最大 绝对偏差为 0 3 c m， 最大相对误差为 1 5 。 o 3 暑 0 2 o 1 譬 。 _ 0 _ 1 一 O2 图5 纵向裂缝深度测量偏差( 含钢筋) 图 6是对环向裂缝深度的测定结果。从图 6中 可以看出 ， 用本文方法检测， 在环向裂缝深度为 1 4 c m范 围 内， 测 量值 与 实 际深 度 的最 大 偏 差 为 0 4 0 c m， 最大相对偏差为 2 2 。 3 2 环形钢筋混凝土电杆裂缝深度 图 7是对 4根 旧环形钢筋混凝土电杆共 1 3条 9 0 7 g - ,I 水电科技进展 ， 2 0 1 1 ， 3 1 ( 3 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ： j z h h u e d u c n h t tp： k k b h h u e d u c n 量 堡 ： 爿 一 照 图 6 环 向裂缝深度测量偏差 ( 含钢筋 ) 不同裂缝( 包括纵向裂缝 、 环 向裂缝 、 含钢筋裂缝与 不含钢筋裂缝) 的裂缝深度测量结果。测量后凿开 裂缝 ， 用游标 卡尺测量裂缝各测量点 的实际深度。 从图 7中可以看到 ： 用本文方法对环形钢筋混凝土 电杆裂缝深度( 深度范围为 1 4 c m) 的测定均值与 电杆裂缝实际深度的最大绝对偏差为 0 5 a m 最大 相对偏差为 2 0 。 E 堡 ： 一 - - _ - 图 7 环形钢筋混凝土电杆裂缝深度测量偏差 从上述结果看 ， 用超声波法测量钢筋混凝土电 杆裂缝深度 ， 尽管可以基本满足要求 ， 但总的来说误 差还是较大。分析其原 因， 除了钢筋 和形状因素影 响检测结果以外 ， 本文所用试件和钢筋混凝土电杆 的尺寸较小 ， 裂缝深度都很浅， 因此测量时换能器间 距 比较小 ， 混凝土材料的非均质性影响就变得显著 ， 材料的非均质性对声速 的不均匀性影响较大 ， 显著 影响测量结果。 4 结论 a 对于裂缝处无钢筋时纵向裂缝深度的：则定 ， 可采用类似于混凝土基面为平面时的平测法 l= 时距 法) 测定裂缝深度 ， 裂缝深度按式( 4 ) 计算。 b 对于裂缝处含钢筋的纵向裂缝深度的测定 ， 当裂缝深度未达到钢筋保护层厚度时 ， 可用与裂缝 处元钢筋时的相 同方法测量和计算裂缝深度 ； 当裂 缝深度超过钢筋时 ， 可采用类似于混凝土基面为平 面时的对测法 ， 根据测得视波速的变化判断换能器 连线正好与裂缝尖端相切的位置 ， 裂缝深度按式( 5 ) 计算。 c 对于有钢筋穿越的环向裂缝 的深度测 量， 可 采用两换能器连线斜跨裂缝的布置方法 ， 可基本规 避钢筋 的影响； 测量时两换能器 内侧边缘与 中间钢 筋距离大于 6 0 ra n 1 ， 裂缝深度按式 ( 1 1 ) 计算。 参考文献 ： 1 何利， 赵庆斌 环形钢筋混凝土预应力构件纵向裂缝问 题探讨 J 四川建筑， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 8 ) ： 1 5 2 1 5 4 2 徐安 和， 赵化强 环形预应 力混凝土 电杆纵 向裂缝 的原 因及措施 J 漯河职业技 术学院学报 ， 2 0 0 7 ， 6 ( 3 ) ： 1 9 3 一 l 9 4 3张苏东 混凝土电杆裂缝的成因浅析及修补技术 J 电 力建设 ， 2 0 0 0 ( 5 ) ： 6 2 6 5 4 纪爱 民 电杆纵裂原 因新认识及改善措施 J 混凝 土与 水泥制品 ， 2 0 0 3 ( 4 ) ： 3 5 3 6 5周卫 ， 范 昌华 环形预应力混凝土 电扦纵 向裂缝 的试验 与研究 J 河北电力技术 ， 1 9 8 7 ( 8 ) ： 3 2 3 7 6马成理， 苏毅 变电站混凝土裂缝 电杆试验研究 J 山 西建筑 ， 2 0 0 1 ， 2 7 ( 1 ) ： 3 9 4 0 7S H A H A A， B A K O V YN o n d e s t r u c t i v e m e a s u r e m e n t s o f c r a c k a s s e s s me n t a n d d e f e c t d e t e c t i o n i n c o n c r e t e s t r u c t ure s J j M a t e r i a l s a n d D e s i g n ， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 1 ) ： 6 1 6 9 8 商涛平， 童寿兴 混凝土裂缝深度的超声波检测方法研 究 J 无损检测， 2 0 0 2 ， 2 4 ( 1 ) ： 6 - 8 9 林维正， 苏勇， 洪有根 混凝土裂缝深度超声波检测方 法 J 无损检测， 2 0 0 1 ， 2 3 ( 8 ) ： 3 2 3 3 2 6 1 O 谭国栋， 甄国杰， 冯甘霖， 等 混凝土裂缝深度超声波检 测试验研究 J 广东建材 ， 2 0 0 9 ( 4 ) ： l 8 2 0 1 1 祝贺， 毕春丽 钢筋混凝土输电杆裂缝超声诊测及修补 技术 J 吉林 电力 ， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 4 ) ： 1 3 - 1 5 1 2 国家建筑工程质量监督检测中心 混凝土无损检测技 术 M 北京： 中国建材工业出版社， 1 9 9 6 ： 2 2 0 2 2 5 ( 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 8 1 6 编辑 ： 骆超) + 一 +一+一+一 +一十一 十一 +一十一 +一 +*+一 +“ +*十一 +*+一 十。 十- 十 简讯 第九届 中国水论坛将在兰州召开 由中国 自然资源学会水 资源专业委 员会等主 办， 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所、 兰州大 学等共 同承 办的 第九届 中国水论坛将 于 2 0 1 1年 8月2 3日在兰州召开。论坛将 以“ 水与 区域 可持 续发展” 为主题 ， 从 多学科 交叉、 多学科视 野深入研 讨 。主要议题有 ： 干旱 区 内陆河流域水与生态； 冰冻圈对水、 生态及可持续发展的影响； 气候 变 化与区域水循环 ； 水与农业； 水资源转化与地下 水资源可持续利用； 水与灾害； 城市化过程 中的 水 问题； 区域生态水文过程的人文因素； 水技术 与 观测试 验 、 水文理论 与模拟 。 ( 本刊编辑部供稿) 水利水电科技进展 ， 2 0 1 1 ， 3 1 ( 3 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - rr d l ： j z h h M e d u c n h t t p ： k k b h h u e d u c n 。91 。