风机混凝土扩展基础施工冷缝缺陷检测与评估技术.pdf

第1 1 卷 第3 5 J 中国水利水 电科学研究 院学报 V o l- l 1 N o 3 l 3 年 旦 J o u m a 1 。 f C h i n a I n s c itu t e 。 f w a t e r R e s 0 u r c e s a n d H y d r o p 。 w e r R e s e a r c h S e p t e m b e r ， 2 0 1 3 文章编号 ： 1 6 7 2 3 0 3 1 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 2 3 2 0 4 风机混凝 土扩展基础施工冷缝缺 陷检测与评估技术 黄 昊，吕小彬，李 萌，邵薇薇 ( 中国水利水 电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室 ，北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要 ：风机混凝土扩展基础结构具有大体积 、钢筋分布密集等特点 ，加之现场施工条件的局限 ，常会 出现施工冷 缝和蜂窝孔洞等施工缺陷 ，为结构安全运 营造成严重的安全隐患 。针对这些施工缺 陷，目前尚无成熟 的检测和评 估方法。本研究在充分考虑风机基础混凝土结构特点的基 础上 ，首次将 国内外较先进 的混凝土冲击回波检测技术 应用于风机基础混凝土检测领域 ，结合小范 围钻芯取样验证 的方法 ，确定了基础施工缺陷 ；并参照美 国混凝土结 构设计标准 A C I 3 1 8 - 2 0 0 8 的方法对风机混凝 土扩展基础结构的安全性进行评价 。实践证明冲击回波检测与钻芯取 样相配合可以应用于风机混凝土现场缺 陷检测。 关键词 ：风机 ；混凝土 ；扩展基础 ；缺陷 ；冲击回波 中图分类号 ：T U 7 5 5 文献标识码 ：A 1 研究背景 风机混凝土扩展基础为支撑 高耸结构物 的独立基础 ，是决定风力发电机组正 常运行 的重要因 素。风机基础上的机组支撑塔筒高度一般在4 0 8 0 m，顶部垂 向机组荷载可达 6 0 9 0 t ，侧向又具有较 大的风荷载作用 ，故要求基础地基具有较高的承载能力 、抗变形能力和抗倾覆能力 ，因此风机基础 混凝土施工质量关系到整个风机的安全 。 风机混凝土扩展基础具有 以下特点 ：( 1 ) 混凝土体积大 ，一般在 2 0 0 4 0 0 m 之间 ；( 2 ) 配筋量大 ， 配筋密集 ，基础变阶斜面钢筋间距在 1 0 2 0 c m之间 ；( 3 ) 施工条件恶劣 ，各个基础相互分散 ，商品混 凝土施工距离较远 ，易受天气道路 因素干扰等。因风机混凝土扩展基础结构 自身和施工 的特点 ，其 施工质量较难控制。若施工管理不到位 ，基础混凝 土极易出现大规模施工冷缝等质量缺陷 ，严重削 弱基础承载能力 。根据钢筋混凝土结构正截面承载力设计 的原理 ，断面弯矩将 由截面底部钢筋拉力 和顶部混凝土受压区压力共 同承担 。如果出现水平施工冷缝 ，则冷缝处的抗剪强度必须满足不小于 受压区混凝土所产生 的压力的条件 ，从而使截面上混凝土压力和钢筋拉力形成一个有效力偶来抵抗 截面弯矩 ；若冷缝抗剪强度小于受压区混凝土产生 的压应力 ，则基础结构将严重削弱 ，为结构安全 运营造成严重的安全隐患。 风机混凝土基础缺陷检测和评估技术尚不成熟 ，暂无成型的检测技术和评估方法。目前常用的混 凝土缺陷检测方法有超声波和电磁波检测技术 ，这两类检测方法均有相应的检测规范 ，但这两种方法 均有其 自身的局限性 ，超声波检测一般需要两个可测面 ，而采用电磁波检测技术的探底雷达其 电磁波 容易受到钢筋影响。工程实践中，现场风机基础混凝土结构多已覆盖 ，且部分风机 已经运转发 电。考 虑到工程安全运营 ，无法将基础全面开挖，因此迫切需要一种能够在现有条件下进行混凝土结构检测 的方法，掌握施工冷缝的范围和结合程度 ，并有针对性地评价施工冷缝位置处的抗剪力。 2 风机基础混凝土施工冷缝检测评估技术 冲击 回波法是 国际上 自2 0 世纪 8 0 年代开始研究的一种新型混凝土无损检测方法 ，可以针对只有 收稿 日期 ：2 0 1 3 - O 1 0 7 基金项 目：水利部“ 9 4 8 ” 项 目( 2 0 1 3 0 1 ) 作者简介 ：黄昊( 1 9 8 2 一 ) ，男，河南新野人 ，博士生 ，工程师 ，主要从事混凝土缺陷检测和评估研究 。E - ma i l ：h u a n g h i w h r B o a - - 23 2 - 风机混凝土扩展基础施工冷缝缺陷检测与评估技术黄昊 吕小彬李萌邵薇薇 一 个 可测 临空面 的情况下对混凝土板 内部的缺陷进行检测 ，评估结构损伤程度 ，评价结构安全 性 ，进而提出行之有效的加固建议 。 2 1 冲击回波检测 美国N B S 公司从 1 9 8 3年开始研究冲击回波方法( I mp a c t E c h o Me t h o d ) 用于混凝土 内部缺陷无损检测 ，C a r i n o 研究了固体的介质属性对于应力波传播特性 的影响 ，并于 1 9 8 6 年正式将 应 力波检 测方法称之 为“ 冲击 回波 ” 法 。 目前 ，冲击 回波无 损检测方法 已经被写入美 国 国家标准 ( N I S T ) ，并且被美 国 A S T M和美 国AC I 所采用 ，全称为 A S T M C 1 3 8 3“ S t a n d a r d T e s t Me t h o d f o r Me a s u r i n g t h e P Wa v e S p e e d a n d t h e T h i c k n e s s o f C o n c r e t e P l a t e s U s i n g t h e I mp a c t E c h o Me t h o d ” ( 测 定 P 波 波 速和用冲击回波法测定混凝土板厚度的标准试验方法) 。其测试原理是通过打击锤在结构物的表面进 行 瞬时冲击 ，产生应力脉冲并激发结构物 内的弹性波 ，弹性波在结构物 的底 面和顶面之间来 回重复 反射 ，将所得到的冲击响应通过信号处理方法和快速傅里叶变换等频谱技术 ，获得该冲击响应中各 频率成分的振幅分布 ，即频谱图( 见 图 1 ) 。频谱图中最高峰值为弹性波在结构物的底面和顶面之间来 回重复反射形成的振幅加强所致 ，对应 P波( 纵波 ) 的波长为板厚的2 倍 ，频率为板厚度频率( 或卓越 频率 ) 。因此可通过下式来测定结构物波速 ： CP D J 。 = 2 厂 ( 1 ) 其中，c 为混凝土板内传播的P 波( 纵波) 波速；T 为测试对象厚度； 厂 为P 波板厚度频率( 卓越频率) 。 图 1 重复反射法测试弹性波波速的原理 在已知混凝土板厚度的情况下 ，通过测定 P 波的板厚度频率 ( 或卓越频率 ) ，即可获得 P 波在混凝 土中传播的速度 C ，p la 。，而 C ， 与混凝土的强度之间存在很好的相关性 ，因此可以评估混凝土的质 量 。当混凝土中存在缺 陷时 ，弹性波将在缺 陷和结构顶面之 间重复反射 ，利用相 同原理可 以推算出 缺 陷至结 构顶 面 的距离 。工 作原 理见 图 2 。 冲 击 力 位 I l l 移 帅 _ R 波 激 发 I 接 收 时 间 i 图 2冲击 回波 法 测 定 缺 陷 大 致 位 置 2 2 风机基础混凝土水平施工冷缝缺陷评估 我国现行有关混凝土结构设计规范中没有关于计算缝面 摩擦阻力 的规定 ，而美国混凝土结构设计标准 A C I 3 1 8 2 0 0 8 中规定了计算施工冷缝缝面的摩阻力 ，风 机混凝土扩展基础的施工冷缝摩擦阻力可使用该方法计算 。其摩擦阻力由两部分组成 ：( 1 ) 施工冷缝 以上混凝土及填土 自重在缝面产生的摩擦阻力 ；( 2 ) 基础钢筋 网中配置的竖向钢筋在缝面产生的摩擦 阻力 。对于基础钢筋 网中的竖 向钢筋考虑钢筋屈服 ，在缝面上施加与屈服拉力相等的压力。此压力 加上冷缝以上混凝土及填土 自重后乘 以缝面摩擦系数可得缝面的摩擦阻力 ，即抗剪强度 。对于施工 冷缝 ，根据A C I 3 1 8 2 0 0 8 的规定可 以取缝面摩擦系数为 1 0。 3 工程应用 受某风电建设单位的委托 ，对其部分风机混凝土基础缺陷进行了检测和评估工作 。结合国内外 一 2 3 3 风机混凝土扩展基 础施 工冷缝缺 陷检测与评估技术 黄吴 吕小彬李萌 邵薇薇 混凝土结构检测评估方法 ，并考虑到风机基础混凝土结构特点 ，制定了以冲击 回波检测和钻芯取样 相结合为基础的检测评估方法 。 3 1 施工冷缝缺陷检测 在现场检测 中，由于基础已被覆盖 ，不可能对施工冷缝的具体分布位置和 范围进行全面的调查，因此在局部几个有代表性的点挖开覆盖层进行检测。共选择了8 个测点，测点 布置见图3 ，其中在基础环上布置6 个测点( 5 一8 在塔筒 内部 中心处， 3 和4 在塔筒外部变阶边缘处 ) ， 1 和 2 处在基础变阶处下方 ，在基础环的两侧相对位置。其中在 1 和2 测点处钻取 了芯样验证施工冷 缝位置。根据冲击回波信号的F F T分析结果( 典型测点结果见图4 ) ，各个测点下可能存在的施工冷缝 位置的判断结果详见表 1 ，其 中：( 1 ) 根据芯样情况，混凝土P 波波速取为4 0 0 0 m s ；( 2 ) 3 和4 测点位 于基础变阶边缘处 ，由于受到结构边界效应的影响，反射信号 比较杂乱 ，未能进行有效数据分析。 现场综合检测表明 ，在基础 中心处经冲击 回波检测发现其下 2 0 2 1 m处存在一个 比较明显 的反 射面 ；在靠近基础变阶处 的 1 测点位置通过 冲击回波发现其下约5 0 6 0 c m处也存在一个 比较明显的 反射面 ，经取芯验证冷缝在表面以下约 5 5 c m；但在靠近基础变阶处的另一侧 2 测点位置通过冲击 回 波未发现厚度范围内存在明显的反射面 ，经取芯验证表面以下 7 0 c m未出现冷缝。综合分析 ，该冷缝 在基础局部一侧范围。 传感器反射峰值 施工冷缝反射峰值 I 4 枷 0 g “ 图 3 风机基础冲击回波测 点布置 图 4 典型测点频谱 图峰值频率分布 表 l 冲击回波测试结果 通过现场钻芯取样发现 ，施工冷缝明显张开，缝面上下层混凝土有脱开迹象 ，且在取芯过程中 出现钻头冷却水随缝面流走的情况 ，说 明施工冷缝在一定范围内是比较大且是贯通的。 3 2 施工冷缝缺陷安全评估和加固建议 根据前述评价方法 ，计算局部冷缝缺陷范围内水平施工冷 缝 的剪力为 6 7 0 3 k N，而实际抗剪力为 7 3 6 3 k N，缝面总剪力设计值小于缝面抗剪强度 ，因此该施工 冷缝是安全 的，不会出现 由于截面力矩平衡作用而产生沿缝面滑移破坏 ，但安全裕度不高 ；同时 以 上估算的缝面抗剪强度是在假定缝面摩擦系数 1 0 的情况下得 出的。按照文献 4 给出的定义 ，缝面 上下方混凝土应紧密接合 ，但是在现场的实际钻芯取样发现 ，此施工冷缝明显张开 ，缝面上下层混 凝土有脱开迹象 ，说明施工冷缝在一定范围内张开度较大且水平 向贯通 ，则缝面摩擦系数将大大降 - - 2 3 4 - 风机混凝土扩展基础施工冷缝缺陷检测与评估技术 黄 昊 吕小彬李 萌 邵薇薇 低 ，对缝面的抗剪稳定造成非常不利影 响。 为确保风机基础的安全运行 ，在现场检测和评估的基础上 ，提 出了在出现冷缝的区域进行植筋 和化学灌浆的处理方案 ，以提高缝 面混凝土 的完整性和接合程度 ，增加了缝面摩擦系数和冷缝上下 两部分 的抗拉应力。 目前 ，该风机基础混凝土结构经过加固处理后 已安全运行一年有余 ，取得了 良 好的经济和社会效益。 4 结论 工程实践证明冲击回波检测与钻芯取样相配合可以应用于风机混凝土现场缺陷检测 ，尤其适用 于基础混凝土施工冷缝的缺陷检测 ，其检测 的准确性得到了实践验证 ，在此基础上采用美国混凝 土 结构设计标 准 A C I 3 1 8 2 0 0 8 的规定 的方法计算和评 价了施工冷缝缝面的摩 阻力对结构安全性影响 ， 取得了积极有效 的成果 。通过实践 ，本文提 出的检测和评估方法可在风机混凝土扩展基础缺陷检测 和评估领域推广应用。 参 考 文 献 ： C a r i n o N JT h e i m p a c t e c h o m e t h o d ： a n o v e r v i e w J A m e r i c a n S o c i e t y o f C i v i l E n g i n e e r s ，2 0 0 1 ，6 9 ： 78 5 79 2 万里 ， 韩 晓健 ， 汪博 ， 等 冲击 回波法识别混凝土缺 陷试验研究 J 混凝土 ， 2 0 1 2 ， 6 8 ( 2 ) ： 8 1 0 A S T M C 1 3 8 3 T e s t Me t h o d f o r M e a s u r i n g t h e P Wa v e S p e e d a n d t h e T h i c k n e s s o f C o n c r e t e P l a t e s u s i n g t h e I m- p a c t E c h o Me t h o d S 2 0 0 0 A n n u a l B o o k o f A S T M S t a n d a r d s ， A S T M， We s t C o n s h o h o c k e n ， P A ， 2 0 0 0 A C I 3 1 8 2 0 0 8 B u i l d i n g c o d e R e q u i r e me n t s fo r S t r u c t u r a l C o n c r e t e a n d C o m me n t a r y S F a r m i n g t o n H i l l s ， 2 00 8 中国水利水 电科 学研 究院 某风机基础混凝土缺陷检测及安全评估报告 R 北京 ： 中国水利水 电科学研 究院 ， 2 0 1 1 D e t e c t i o n a n d e v a l u a t i o n t e c h n o l o g y f o r c o n s t r u c t i o n j o i n t s o f wi n d t u r b i n e f o u n d a t i o n HUANG Ha o， LU Xi a o - bi n， LI Me n g， S HAO W e i we i ( C h i n a I n s t i t u t e o f w a t e r r e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h ，S t a t e K e y L a b o r a t o r y ofS i mu l a t i o n a n d R e g u l a t i o n of Wa t e r C y c l e i n R i v e r B a s i n，B e ij i n g 1 0 0 0 3 8，C h i n a ) Abs t r a c t： Th e c o nc r e t e foun da t i o n s t r u c t u r e o f wi n d de n s e r e i n for c e d d i s t r i b ut i o nDue t o t h e l i mi t a t i o ns o f t u r bi ne h a s t he c ha r a c t e r i s t i c s o f l a r g e v o l ume a nd s i t e c o nd i t i o ns ， ma n y d e f e c t s f o r mi n g d ur i ng t h e c o n s t ruc t i o n，s u c h a s t h e c o n s t r u c t i o n j o i n t a n d h o n e y c o mb h o l e ，t h r e a t e n t h e s t r u c t u r a l o p e r a t i o n s a f e t y No wa da ys t he r e i s n o e f f e ct i v e me t h o d i n t hi s f i e l d for me a s ur e me n t a nd e v a l u a t i o nW i t h f u l l c on s i d e r a t i o n o f s t ru c t ur al c ha r a c t e r i s t i c s， t h e i mp a c t - e c ho t e c h ni qu e wa s i nt r o d uc e d a n d a pp l i e d t o d e t e r mi ne t h e co nc r e t e c o ns t r uc t i o n d e f e c t s o f t he wi n d t u r bi ne foun da t i o n， whi c h ha s be e n c o mb i n e d wi t h t h e me t h o d o f d r i l l i n g c o r e s a mpl e t o va l i da t eI n l i g h t o f t he Ame r i c a c o n c r e t e s t r u c t ur e de s i g n s t a n d a r d ACI 3 1 8 -2 00 8 me t h o d， t h e s t ru c t ur e s a f e t y o f wi n d t u r bi ne c o nc r e t e f o u nd a t i o n i s e v a l u a t e d I t i s pr o ve d t h a t t h e i mp a c t e c h o d e t e c t i o n c o mbi ne d wi t h c o r e s a mpl i n g c a n b e a pp l i e d t o t h e de t e c t i o n o f c o ns t r uc t i o n d e f e c t s o f t he wi n d t u r - bi ne foun da t i o n Ke y wor ds ： wi nd t u r b i n e； c o n c r e t e；f o un d a t i o n； d e t e ct i o n； i mp a c t e ch o ( 责任编辑 ：王冰伟) - - - 2 3 5 - 1 2 3 4 5 r；rL rL