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5 4 江苏建筑 2 0 1 4年第 2期 ( 总第 1 6 1 期 ) 应用超声波技术检测方形钢管混凝土缺陷 曹旷 韩晓健 ( 南京 工 业大学 土木 工 程学 院 。 江 苏南 京 2 1 1 8 1 6 ) 【 摘 要】 简要介绍了 超声波检测的历史和原理。并将这种技术应用到对方钢管混凝土的检测中去， 通过对不同 检测结果 的分析 ， 指 出了可能存在的缺 陷部位及相应 的补救 方法 ， 并提 出了应用超声波技 术检 测方形钢 管混凝土时应注 意的一些 问 题 。 【 关键词】 超声波； 无损检测； 钢管混凝土； 混凝土缺陷 【 中I t - T U 3 1 7 8 文献标识码】 A 文章 - 1 o o 5 6 2 7 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 5 4 0 3 Ap pi i c a t i o n o f Ul t r a s o n i c Te c h no l o g y t o De t e c t Co n c r e t e - Fi l l e d Sq ua r e St e e l Tub e C A O K u a n g HA N X i a o - j i a n ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 1 8 1 6 C h i n a ) Ab s t r a c t ：A b rie f i n t r o d u c t i o n t o t h e h i s t o r y a n d p rin c i p l e s o f u l t r a s o n i c t e s t i n g T h i s t e c h n i q u e s h o u l d b e a p p l i e d t o t h e d e t e c t i o n o f c o n c r e t e- fi l l e d s t e e l t u b e T h r o u g h t h e a n a l y s i s o f t h e d i ff e r e n t t e s t r e s u l t s ，i t p o i n t e d o u t d e f e c t i v e p a r t s t h a t ma y e x i s t a n d t h e c o r r e s p o n d i n g r e me d i e s a n d p r o p o s e d s o me p r o b l e ms i n t h e a p p l i c a t i o n o f u l t r a s o n i c t e c h n o l o g y t o d e t e c t s q u a r e c o n c r e t e - fi l l e d s t e e l t u b e Ke y wo r d s ：u l t r a s o n i c ； ND T； c o n c r e t e - fi l l e d s t e e l t u b e ； c o n c r e t e d e f e c t s 1 概 述 钢管混凝 土组合是一种 有效 的材 料复合技 术方法 它 是将素混凝土灌入钢管而制成 。混凝土受到钢管壁 的紧箍 作用 强度 、 韧性 和耐久性 可大大提高 ： 钢管 中填充 了混 凝 土 ， 可提高结 构的稳定 性并减少用钢量 ： 组合材料 的综合 性 价 比明显优于两种材料 自身 。 其普及程度越来越高 。 伴 随而 来的质量控制 问题也 日益突 出超声波技术 的运用 为检 测 钢管混凝 土质量提供 了一种有效手段 运用 超声波技术 进行结构检 测最早 可追溯 到 2 0世 纪 中叶 。 1 9 4 9年 ，加拿大的 L e s l i d e 、 C h e e s ma n和英国的 J o n s 、 G a t fi l d等人首先将超声波脉冲检测技术用于结构混 凝土的 检测 ， 开始了混凝土超声检测这一新领域 的探索 ， 但 由于当 时仪 器灵 敏度较低 以及对混凝 土超声波检测影响因素认 识 不到位 、 经验不足等原 因， 混凝 土超声波检测的实用化受 到很 大限制 。 近年 以来 随着 电子技术 和制造水平 的发展 超 声波检测 仪器 日趋 精密化 。 并且 由于计算机技术 的应用 对 超声 波检 测信 号的采集 和分析趋于数字化和智能化 理论 研究和经验水平也 向更高的层次发展 使用于混凝土 的超 声波检测技术得到 了质的飞跃 成为钢管混凝土无损检测 的主要手段之一 2 超声 波检测钢 管混凝 土缺 陷的原 理 超声波 法检测 钢管 混凝 土其 实是 波反 问题 的一个 运 用 。 超声波在钢管混凝土中传播时它的声学参量发生变化 。 而超声波 的声学参量与核心混凝 土的密实度 、均匀性及 其 与钢 管壁 的黏结情 况等质量 有关 超 声波检测钢 管混凝土 就是 根据超声 波的声时( 或声速 ) 、 幅值 、 频率和 波形的相对 变化 对钢管混凝土 的质量进行分析判断 。 超声 波属 于机 械波的一 种 与其他机 械波一样 。 也具有 波速 、 频率 、 振 幅、 波形等特征参数 。 应 用于结构检测 的超声 波是一种脉冲超声波 ， 由发射换 能器 重复间断发射 ； 同时这 种波是一种复频波 通 常由许 多不 同频率 的余 弦波组成。 下 面对超声波的声学各参量进行简单介绍 ： ( 1 ) 波速 ： 指超 声波在介质中的传播速度 。它是超声波 检测中最为重要的一个参数 主要与传播介质 的特性和 内 部结构相关 当超声 波在混凝 土中传播 时 混凝 土的弹性模 量越高则波速越高 ， 其内部越密实波速越高 ： 当对混凝土 内 部存在孔洞或不密实的部位进行检测 时 其波速会低 于正 常部位 。此外 ， 波 速也 受到仪器或测量方法 的影 响 ， 探头 的 选择 、 布置方 位 ， 以及测试面 的平整度等均 影响测得 的波速 值大小 【 收稿日 1 2 0 1 4 0 1 - 0 8 【 作者简介】 曹 旷 ， ( 1 9 8 9 一 ) ， 南 京 工 业 大 学 土 木 工 程 学 院 ， 硕 士 研 究 生 研 究 方 向 ： 结 构 防 灾 减 灾 及 无 损 检 测 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 4年第 2期( 总第 1 6 1 期) 5 5 ( 2 ) 频率 ： 如前所述 ， 超声波是一种复频波 ， 根据波 的传 播理论 超声波在混凝土 中传播时 会 因为种种作用发生衰 减 ， 高频波首先衰减 ， 所以传 播距 离越 远 ， 高频波成分越少 ， 接收波的主频会 向低频方向漂移 ：主频下降的多少除 了与 传播距 离有关外 ， 还主要取 决于混凝土本 身的性质 ( 质量 、 强度 ) 和内部是否存在孑 L 洞 、 裂缝 等缺陷。 ( 3 ) 振 幅 ： 接收振幅主要 指首波前半 波 的振 幅 ， 反映 了 超声波能量的变化情况 。超声波能量在空气中的衰减远大 于在钢材与混 凝土本体 中的衰减 检测过程中 若超 声波的 传播路径上有孔洞 、 裂缝等缺陷 接收波首 波的振幅会明显 降低 。从 而根据振 幅的变化 也可以反 映混凝 土内部的密实 程度。 ( 4 ) 波形 ： 当超 声波在混凝 土传播过 程中碰 到裂缝 、 孔 洞造成的固一 气 界面时 。会 由于传播介质 的改变发生反射 、 绕射和传播路 径的复杂化 ， 直 达波 、 发射 波 、 绕射波等 相继 到达接收换能器 。 由于它们的频率和相位各不相 同 这些波 的叠加会使波形 畸变 超声波在钢管混凝土 中的传播是不 同于普通混凝土 结 构的 。 在进行钢管混凝土超声检测时 由发射换 能器 产生的 超声 高频振 动波 除 了沿钢管传播到接收换能器外 在钢 管 内混凝 土中传播 到接收换能器有 4种方式 。如图 l 所示 ： 点 裳 点 宴 田囹囹囹 l收 -收 艇 收 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 图 1 超 声波在钢 管混凝土 内的 4种传播方式 图 1 ( a 】 是当钢 管内核心 混凝土 与钢管 壁结合 紧密 。 核 心混凝土均匀密实 在混凝土介质中超声波就沿直线从发 射端传播 到接收端 ， 用时最短 ， 声 波能量衰减最小 。图 1 ( b ) 表示 当钢管壁 与其 内核心混凝土发生脱空 超声波首先 沿 钢管壁传播 ， 在脱空边 缘发生绕 射 ， 再从绕射点沿直线传播 到接 收端 。图 1 f c ) 所示传播路 径是由于钢管 内核心混凝 土 不密实 造成 了超声波的散射 最短的传 播路径变成 了曲 线 。 图 l ( d ) 是当钢管混凝土内存在空洞 ， 且空洞正好位于超 声波从发射到接收 的路径上 超声波会在空洞的边缘发生 绕射 。 使 传播声 时变大。 由此可见 因为超声波在传播途径上发生透射、 绕射等 现象 ， 造成超 声波到达 接收换 能器的声 时、 声速 、 振 幅 、 频率 出现相对变化 ， 通 过对 这些 接收信号进行处理 、 分析可 以对 钢管混凝土有无缺陷及其缺陷形式做出判断 3 方钢 管混凝土缺 陷的判别方 法 采用超声波对钢管混凝土进行检测主要有波形识别法 、 首波频率法和首波声时法。实际检测结果表 明 首波声时法 最适用于钢管混凝土的检测。 本文在此对其进行简单介绍。 假定被检测钢管混凝土无缺陷 超声 波传 播途径有透 射和绕射 2种方式 。 只有 当透 射声 时比绕射声时短时 才可 以应用首波声时法 对于方形钢管 混凝 土结构 ， 如图 1 ( a ) 所示 ， 忽略超声 波 穿透钢管壁厚所用时间 则超声波沿最短路径 穿过 钢管混 凝土的时间 t 为 ： t l = D V ( 1 ) 式 中： D 方钢管的边长 ： 超声 波在 混凝 土中的传 播速 度。 超声波沿钢管壁传播的时间 t 2 为 ： t ( D + 2 d ) ， ( 2 ) 式 中 ： 一 方钢 管的边长 ： d 换能器与管边的距离 ： 超声波在钢材 中的传播速度 。 根据一般工程实际 的经 验 ， 钢材 中的超 声波波速 一 般为 5 7 0 0 m s ， 混凝土 中的超声波波速 大致 在 3 6 5 0 m s 4 9 0 0 m s 之间 。 所 以只有 当换能 器与管边距离足够大 。 才可 以满足 t t 2 的要求 ， 在实际检测中 。 要求换能器 与柱边 的距 离一般不得小于方钢管 截面边长的 0 2倍 。进行超 声波缺 陷检测时 。 首选首波声时法 ， 同时 可辅 以波形识 别法和首波 频率法进行综合判别 。 4工 程 实 例 结合 以上原理 ， 运用超声波技术检测了某大型剧 院 。 其 框架 柱为钢管混凝 土结 构 截面形式为方形 混凝土龄期为 5周 ， 现场气温为 1 5 C N右 。测点布置如 图 2所示 。 A B C D C D A B 图 2 测点布置示意图 采用某型非金属超声检测仪 。仪器采用工业级 专用系 统 ， 最大发射电压为 l O 0 0 V， 声 时精度达 到 0 0 5 1 * s ， 具有 大 发射功率和低噪声接收 的特点 经过一周 的检测和数据分析 。 归纳出以下几种波形 ： ( 1 ) 超声波声 时短 ， 首波波形清晰 明显 ， 如图 3 所示 。 鼬 蠢 1 - 一 嵋 五 十 I 蕾 1 I- 一 图 3 超声波声时短 首波波形 清晰明显 的典 型波形 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 6 江苏建筑 2 0 1 4年第 2期 ( 总第 1 6 1 期 ) 波的声时短 ( 声速快 ) ， 首波振 幅值较大 ， 频率 较高 ， 说 明超 声波在传 播过程中能量 损失较小 说明所测区域的钢 管混 凝土密实均匀 、 没有缺 陷。 ( 2 ) 超声波声时较长 ， 波形有 变异 ， 如 图 4所示 。 ，= i R f V -n T - t t 0篁哑 酶 1 H l|口 l O H Z 岫 图 4 超 声波声时较长、 有轻微变异的典型波形 由图 4可 以看 出： 波的声时略长( 声速略慢 ) 。 首 波振幅 值较小 ， 频率较低。 这是因为超声波在传播的过程中损失 了 相当一部分能量 造成这种情况可能有如下几种原因： 发 射和接收换能器 的中心连线上存在缺 陷， 但缺陷较为轻微 ： 钢管混凝土的缺陷并不在发射和接收换能器的中心连线 上 。 而是在有效声场覆盖的空间范围内； 核心混凝土本身 并不存 在缺陷 但其与钢管壁的胶结不 良 也会 造成能量衰 图 5 超声 波声时长、 首波起点位置不 明显 、 波形变异较大的 典 型波形 减； 钢管混凝土本身并不存在缺陷 换能器探头与检测面 耦合效果不佳 也可能造成此种情况 。 如需要对缺 陷类型进 行准确判 断 还需要加以敲击 、 取 芯等方法辅助 。 ( 3 ) 超声波 声时长 ， 首波起 点位置不 明显 ， 波形 变异 较 大 如图 5所示。 造成这种情况 的原 因主要 是 ：波形受 由钢管壁传来 的 信号 严重 干扰 由核心混凝土传 来的信号弱于钢管壁传 来 的信 号 说明管内混凝 土与钢管大范围胶结不 良或核 心混 凝土内存 在严重缺陷 超声波传播至脱离面时能量 衰减较 大或根本无法穿过或绕过 。 5 结语 超声波是 目前检测钢管混凝土密实程度和均匀 性的首 选方法 超声波可根据合理布设 的检测点对钢管混 凝土的 密实程度和均匀性进行全面而细致 的检测 并指 出缺陷所 在 。 在对方形钢管混凝土 的检测 中经过此次检测发 现 钢管 混凝土柱的缺陷主要集 中在柱 内横隔板的下方 部分缺陷 情况较为严重 认 为主要有 以下几 种原因 ： 横隔板灌 浆孔开 孔过小 ， 导致混 凝土 未能全部填充钢 管 ： 施工不连续 ， 两次 浇筑 的接驳面易产生缺 陷： 混凝土干缩性的影响 。 对于缺陷 严重 的部位 建 议采取开孔高压注浆的办法进行补救 参考 文献 1 1 潘卫育， 赵伟， 李传 勇， 周佳 超声波检测钢管混凝 土密实性 中国铁道科 学， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 3 ) ： 6 4 - 6 7 2 】 韩林海 钢 管混凝 土结构【 M 北京 ： 科 学 出版社 ，2 0 0 0 【 3 】 李天降， 徐 昭， 肖瑞 超声波在钢管混凝 土检 测 中的运 用 】 山西建筑，2 0 0 5 ， 3 1 ( 2 0 ) ： 6 2 - 6 3 4 1 C E C S 2 1 2 0 0 0超声 法检测混凝 土缺 陷技 术规程 f S 1 中国 计 划 出版 社 2 0 0 0 5 1 刘永前， 张彦兵， 邹振祝 超声波检测钢 管混凝土拱桥 密实 度的试验研 究 】 北京交通大学学报， 2 0 0 4 ， 2 8 ( 4 ) ： 5 4 5 7 ( 上接 第 1 0页 ) 街天 桥 ， 轨道站点与建筑之间 的空间连廊 。 5 结 语 商务新城先导区的建设 应树立长远发展 的理念 特别 是注重土地利用与交通运行的相协调 在建设初期 通过构 建前瞻 、 合理 的交通体 系 ， 可引导商务 区交通模式 向可持续 图 2 花桥 国际商务新城规 划图 方向发展 较好 的指导近期交通设施 的建设 保 障近远期 的 良好 衔接 在具体 的商务新城先导 区交 通设 施建设中 应综 合考虑片区 自身特色 制定可引导与支撑先 导区可持续发 展的交通体系 成为对商务新城其他 片区建设 的“ 典范 ” 。 参考文献 1 花桥 国际商务新城规 划建设局 花桥 国际商务新城 先导 区规 划 方 案 交通 咨 询 报 告 1 2 0 0 7 【 2 】陈鹏， 李旭宏， 罗剑 发展 CB D 新 区生态交通的思 考 1 现代城 市研 究 2 0 0 6 ( 5 ) 【 3 】邵昀泓， 赵阳 大型 C B D 交通问题 的思考与建议 叫 交 通运输 工程 与信 息学报 2 0 0 7 ( 4 ) 4 王 国晓 城 市 中心地 区单 向交通 系统研 究 】 城 市交通， 2 0 0 6 ( 5 ) 5 1阎小培， 马跃 东， 崔 晓 广 州 C B D 的 交通特 征与 交通组 织研 究 】 城 市规划， 2 0 0 2 ( 2 6 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m