超声波检测环形钢筋混凝土电杆病害的研究.pdf

第 9卷第 4期 2 0 1 2年 8月 铁道科学与工程学报 J OURN AL OF RAI L WAY SCI ENCE AND ENGI NEERI NG VO 1 9 Au g NO 4 201 2 超声波检测环形钢 筋混凝土 电杆病 害的研究 赵望达。 ， 冯瑞敏 。 赵俊锴 ( 1 中南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ； 2 中南大学 材料科 学与工程学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 ) 摘要： 采用 R S S T 0 1 D非金属超声波测试仪检测环形钢筋混凝土电杆的强度和 内部缺 陷。探讨环形钢筋混凝土电杆裂 缝的产生机理， 获得超声波测强的拟合方程， 并推导出纵向裂缝深度的计算公式。在此基础上， 给 出一个具体的环形钢筋 混凝土电杆强度与裂缝深度的工程检测实例， 获得剩余使用寿命的时间。这对类似工程质量检测、 健康性能评估和耐久性 寿命预测具有一定的参考作用。 关键词 ： 环形钢筋混凝土 电杆 ； 超 声波检测 ； 裂缝深度 中图分类号： T U 3 1 7 8 文献标志码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 3 6 0 5 Re s e a r c h o n d i s e a s e o f c i r c u l a r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p o l e s b y u l t r a s o n i c t e s t s Z HAO Wa n g d a ，F ENG Ru i mi n ， Z HAO J u n - k a i ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ，C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 ，C h i n a ； 2 S c h o o l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g in e e r i n g ，C e n t r al S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ，C h i n a ) Abs t r ac t： Th e me t h o d o f u hr 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 he s t r e n g t h a n d d e f e c t s i n c i r c u l a r r e i n f o r c e d c o n c r e t e po l e s ，a n d me c h a n i s m o f t h e c r a c k e me r g e d o n t h e c i r c u l a r r e i n f o r c e d c o n c r e t e wa s d i s c us s e d， wh e r e b y a c g u i n i n g t h e fit t e d e q u a t i o n o f t h e s t r e n g t hTh e n t h e r e l e v a n t f o r mu l a s f o r t h e de p t h s o f l o n g i t u d i na l c i r c u l a r c r a c k s w e r e d e ri v e d B a s e d o n t h i s ，a s p e c i fi c e n g i n e e ri n g t e s t i n g e x a mp l e for s t r e n g t h a n d t h e d e p t h o f c r a c k s o f c i r c u l a r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p o l e w a s g i v e n，a n d t h e r e s i d u a l s e r v i c e l i f e t i me wa s o b t a i n e d I t i s g r e a t s i g ni fic a n c e for s i mi l a r e ng i n e e ring i n c o n c r e t e q ua l i t y d e t e c t i o n，he a l t h p e r f o r ma n c e a s s e s s me n t a n d s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n Ke y wo r d s： c i r c u l a r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p o l e；u l t r a s o n i c t e s t ；c r a c k d e p t h 2 0 0 8年和 2 0 1 2年 2次特大冰雪灾害袭击 了 湖南大部分地区 ， 使得正在服役中的环形钢筋混凝 土电杆( 以下简称 电杆 ) 受到不同程度的损坏， 极 大地威胁 了湖南省电力系统的安全稳定运行 。 同时， 露天的工作环境 、 各种使用荷载的长期效应 、 疲劳效应和内力作用下 以及随着使用年限的增长 ， 服役中的钢筋混凝土电杆会出现不同程度的病害 ， 严重影响了电杆的使用寿命。目前， 国内进行混凝 土强度和缺陷检测 的规范有超声 回弹综合法检测 混凝土强度技术规程 、 超声法检测混凝土缺陷技术 规程 J ， 电杆 由于其截面 的特殊性 ， 已有规范不 能直接应用于环形混凝土 电杆检测 。如何利用超 声波更准确地检测环形特殊截面构件 的裂缝深度 ， 目前国内对这方面的研究极少。因此 ， 本文结合现 场检 测 实 例 ， 采 用 武 汉 岩 海 公 司生 产 的 R S S T 0 1 D非金属超声波测试仪对环形电杆 的强度和 缺陷检测进行探索性研究 ， 对类似工程质量检测 、 健康性能评估和耐久性寿命预测具有重要的意义。 收稿 日期： 2 0 1 2 0 2 2 1 基金项 目： 中南 大学研究生教育创新工程项 目( 2 0 1 0 s s x l 3 ) ； 中南大学米塔尔学生创新创业项 目 作者简介 ： 赵望达( 1 9 6 5一)， 男， 湖南双峰人 ， 教授 ， 博士生导师 ， 从事消防 自动化 、 智能控制和土木工程 防灾减灾研究 第 3期 赵望达， 等 ： 超声波检测环形钢筋混凝土电杆病害的研究 3 7 1 环形混凝土电杆 1 1 环形混凝土电杆的力学特性 湖南大部分地区变电站 、 中低压输送线路均应 用环形电杆。钢筋混凝土电杆由于其施工方便 、 工 程造价低、 耐久性好、 维修成本低等优点， 广泛应用 于电力系统、 铁路系统和邮电系统。本文研究的环 形钢筋混凝土电杆外形为锥形 ， 如图 1 所示。图 1 中： 为杆长； L 为荷载点高度； L 为支持点高 度 ； L 为稍端至荷载点距离 ； D为跟径 ； d为稍径 ； 为壁厚。 图 l 环形 混凝土电杆 Fi g 1 Ci r c u l a r r e i n f or c e d e o n e r e t e po l e 在实际的工程项 目中， 构件都必须满足强度 、 刚度 、 稳定性的要求 。环形混凝土变截面 电杆可将 其简化为轴线铅垂的悬臂梁 ， 其所受荷载一般可简 化为集中荷载和均布荷载 ， 如 图2所示 。荷载下 的 弯矩如图 3所示 。 图 2电杆简化受力 图 F i g 2 T h e f o r c e d i a g r a m o f p o l e s 图 3 电杆弯矩 图 Fi g 3 T h e b e n d i n g mo me n t d i a g r a m o f p o l e s 由图 3可得 ： 在外荷载作用下 ， 沿杆 自上 向下 各截面的弯矩 越来越大 ， 电杆底部所 受的弯矩最 大。由材料力学可知 ： 等截面面积的空心 圆截面抗 弯截面模量大于实心圆截面的抗弯截面模量 ， 电杆 横截面上离中性轴越远， 正应力越大， 中性轴附近 的正应力较小， 电杆的空心截面正好把中性轴附近 的材料集 中到离 中性 轴较远 的地 方 ， 充分 利用材 料 ， 以提高其抗弯强度。电杆这种上细下粗 的变截 面形式 ， 在满足承载力的前提下 ， 节约材料 ， 减小 自 身质量 ， 降低了成本 。 1 2 环形混凝土电杆病害的原因分析 雪灾 、 冰灾等特大冰雪灾害中的突变效应造成 杆塔倒塌、 输电线路破坏的事故都有发生。混凝土 电杆的环向体积变形一般是干缩变形、 温度变形、 碳化变形 、 纵向荷载作用下的环向变形这 4种综合 作用下引起的 。 混凝 土的收缩变形使钢筋与混凝土的产生相 对位移 ， 主筋在纵向荷载下的弯曲受到环筋的限制 而产生的残余应力都可造成外 围混凝 土裂缝 的产 生 。 若养护方法不当， 会破坏混凝土的孔结构 ； 环 筋不足 ， 会造成主筋 的过大变形 ； 未严格按施工工 艺进行施工 ， 如混凝土浇筑过程中振捣不实或漏振 等会造成混凝土表面出现蜂窝 、 麻 面等缺陷 ； 进场 材料质量不佳 ， 如骨料的级配、 混凝 土配合 比设计 不佳， 会容易造成混凝土的密实度降低， 浪费水泥 并降低水泥的和易性等 ； 由于模板安装不牢固 ， 或 者模 板不干净 ， 会造 成表面粗糙 、 不光 滑、 不严密 等 。 2 超声波检测环形混凝土 电杆病害 的基本原理 现场 采 用 的非 金 属 超 声 波 测试 仪 为 R S S T 01D。 2 1 超声波检测环形混凝土电杆强度的基本原理 混凝土材料是粘弹塑性的复合体 ， 目前还没有 一 种普通的数学模型 ， 可以严密定量的描述混凝土 结构强度。超声波检测混凝土构件强度 的基本依 据是超声波在混凝土中的传播速度与混凝土本身 的弹性性质的密切关系_ 8 J 。 式中： 为纵波声速； E为弹性模量； P为密度 ； 为泊松比。 由式 ( 1 ) 可知 ： 混凝土弹性模量越 高， 声速值 越大 。因此 ， 在实际检测中， 根据测得的声速 ， 便可 推断混凝土的强度 。 3 8 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 2 超声波检测混凝土电杆纵 向裂缝深度的基本 原 理 超声波检测是混凝土结构裂缝深度检测的常 用方法 j ， 超声波首波相位反转法和表面波 横波 的传播声时是检测混凝土裂缝深度 的新方法 ， 主要 用于平面混凝土结构的检测 7 j 。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。 当裂缝处无钢筋时， 如图 4 ( a ) 所示 ， 发射换能 器 1置于 A点 ， 接收换能器 2置于 B点 ， 和 B 2点 位于裂缝同一侧 ， 依次移动换能器 2使 2个换能器 之问的圆弧长 5 分别为 6 0 ， 8 0， 1 0 0 ， 1 2 0和 1 4 0 m m， 并读取相应的声时 ， 由几何关系可知 ： ( a ) 不跨缝测量 ；( b ) 跨缝测量 图 4 环形混凝土 电杆纵向裂缝检 测示意图 Fi g 4 De t e c t i o n s c h e me o f l o n g i t u di n a l c r a c k s i n c i r c ul a r r e i n f o r c e d c o n c r e t e po l e s A B = 2 R s in ( ) ( 2 ) ： 2 Rs i n ( ) A B 2 ( 3 ) 1 、 t t 式 中： s 为 2个换能器之问的圆弧长 ； A B为 2个换 能器中心直线间距 ； 为视波速 ； R为环形混凝 土 电杆外径。 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 。 如图4 ( b ) 所示 ， 跨缝的声时测量， 换能器 1和 2分别置于以裂缝为轴心的对称两侧 。2个换能器 之间的圆弧长 s 与 2个换 能器位 于裂缝 同侧时一 样 ， 当2个换能器的连线与裂缝的交点 E高于裂缝 尖端 c点时， 因波 的实际传播距离 A C B大于 2个 换能器的直线距离 A B， 故按式( 3 ) 计算得的视波 速 小于混凝土实际平均波速 ； 当2个换能器 的连 线正好与裂缝尖端相切时( 此时换能器 l 和 2分别 位于 和 日 点 ) ， 波的实际传播距离就为 2个换 能器的直线距离， 所求得的视波速等于 2个换能器 置于裂缝 同一侧时所得平均波。 假如2个换能器在裂缝同一侧时测得弧长为 ( 直线间距为 A B) 时的声时为 t ， 2 个换能器不在裂 缝同一侧时测得相同弧长时的声时为 t 则有 ： E C = 一 = 尺 sin ( ) ( 等 ) 一 ( 4) D E = R 一 c 。 s ( ) ( 5 由此可得裂缝深度为： d = DC = DE + EC 1 s( ) + sin ( ) ( 6 ) 取不同的s ， 可以得到不 同的 和 t 从而得到 不同的裂缝深度 。取各深度的平均值 ， 即为裂缝深 度测定值 m 。 含钢筋的裂缝深度测定 ， 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 2个换能器连线与钢筋相切时， 视波速最大； 当 2个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 离不是特别小 时( 若太小就只能忽略钢筋 以下部分深度) ， 则 随 着 2个换能器间距继续增大， 视波速降至最小值后 又增大。当 2个换能器的连线正好 与裂缝尖端相 切时， 波的实际传播距离就为 2个换能器的直线距 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 ( 6 ) 计算 。当裂缝 已贯穿环形 混凝土壁厚时 ， 2个换能器连线超过钢筋后视波速 持续减小。 3 工程实例 湖南省益 阳市毛家塘变电站 由于混凝土电杆 服役时间近 3 0年 ， 露天的工作环境 、 各种使用荷载 的长期效应 、 疲劳效应和内力 的共 同作用下 ， 随着 使用年限的增长 ， 使服役 中的钢筋混凝土电杆出现 不同程度的病 害， 各混凝土立柱均有 不 同程度碳 化 ， 碳化平均深度在 2 73 0 m m， 个别箍筋处碳 化深度在 1 0 m m以上。箍筋混凝土保护层 出现脱 落现象 ， 且不少钢筋锈蚀严重 ， 截面积减小 ， 对电力 第 3期 赵 望达 ， 等 ： 超声 波检测环形钢筋混凝土 电杆病 害的研究 3 9 系统的正常运行产生威胁 。因此 ， 及时进行钢筋混 凝土电杆质量检测是我 们迫切需要 解决 的问题 。 外观检测缺陷如图 5和图 6所示。 3 1强度 的检测 测试面应保持清洁和平整 ， 每个测 区内布置 3 对超声波测点 ， 耦合剂采用黄油 。检测结果如表 1 所示 。 图 5 混凝土 电杆表 面钢筋锈蚀 Fi g 5 Ru s t y s t e e l o n t he S Ul a c e o f t h e po l e 图 6混凝 土 电杆表 面碳化 Fi g 6 C a r b o n i z a t i o n o n t h e s u r f a c e o f t h e p o l e 表 1 测 量结果 Ta bl el Me a s u r e I ne nt r e s u l t s 拟合方程如图 7所示。从而得出拟合方程为 ： Y=4 3 4 1 7 x一2 2 6 4 3 ( 7 ) 图 7线性拟合 F i g 7 F i t l i n e a r 3 2 纵 向裂缝深度的检测 按照上述方法 ， 对电杆纵向裂缝深度含钢筋和 不含钢筋处分别进行检测 ， 其结果如 图 8 ( a ) 和图 8 ( b ) 所 示 。 囊 翼 ： 一 3 ( a ) 不含钢筋 ；( b ) 含钢筋 图 8 纵 向裂缝 深度 测量偏 差 Fi g 8 Me a s u r e d d e v i a t i o n o f l on g i t ud i n a l c r a c ks 由图 8 ( a ) 可知 ： 裂缝深度越小 ， 测量绝对偏差 越小， 但相对误差加大 。同理 ， 由图 8 ( b ) 可知 ： 裂 缝处含有钢筋 ， 对测量 的准确度有一定影 响； 随着 测量深度 的增大 ， 绝对误差增大 ， 相对误差变化不 大 。 3 3剩余寿命的评估 基于前述的检测结果 ， 益阳市服役中的环形电 杆在 已有 的服役期 限内主要环境作用效应是混凝 土碳化引起的钢筋锈蚀 ， 除了少数环形电杆需要进 行加 同修复外 ， 其余环形电杆 的整体性 、 安全性基 本满足现有的使用要求 。 准确预测既有环形 电杆的剩余服役寿命是一 个非常复杂的问题 。为了使 问题简单化 ， 本文仅考 虑在现有 的环境作用效应条件下 ， 不改变环形电杆 的使用功能 ， 仅对承载力产生危害的构件进行修复 加固处理 的情况下 ， 该建筑结构后续 的使用寿命。 考虑服役环境条件 的作用效应 ， 以下采用碳化寿命 准则对其剩余 寿命 进行预测 ， 碳化寿命预 测模型 为 ： ( t )= 2 5 6 K 尼 h 。 k ( 1一 R ) H R f 一 0 7 6 ( 8 ) 、-， 式中： t 为碳化时问 ， a ； X( t )为 t 时刻的碳化深度 ， I l l m ；k 。 ，为 C O 浓 度影响 系数 ， 工业建筑 室外环 境 ， 取 1 11 4； 为浇注面修正系数 ， 浇注面取 1 2； k 为工作应力修正系数 ， 受压取 1 0， 受拉取 1 1 ； T为环境温度 ， ； 为相对 湿度 ， ； = 为 混凝土立方体抗压强度， M P a ； m 为混凝土立方体 抗压强度平均值与标准值之 比； 为计算模式不 定性随机变量 ， 反映碳化模型计算结果与实际测试 结果问的差异 。 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 2年6月 根据湖南益阳市 的气候资料可得到结构 的所 处的环境 的年平均温度为 1 7 2 ， 年平均相对湿 度为 7 8 。预测模型 中， k c 取 I 2 ， 后 。 取 1 2， k 取 1 1 。因此 ， 根据实测 的最大碳 化深度 、 实际服 役年限以及混凝土的设计强度 ， 可得到修正的碳化 深度预测模型如下 ： ( ) ： 2 0 7 ( 5 7 9 4 0 7 6 ( 9 ) 、 c u 由检测结果可知 ： 环形 电杆最大碳 化深度为 8 2 mi l l ， 剩余 的保 护层厚度 为 2 0 08 2=1 1 8 mm， 实测的混凝土强度为 2 5 8 MP a 。由修正的碳 化深度预测模型可计算得到 ， 当碳化达到钢筋表面 时， 需要的时间( 剩余服役寿命或后续服役寿命) 为 ： 1 1 8 - 2 0 7 ( _ 0 _ 7 6 ( 1 0 ) 、 ) 6 可得 t=1 5 a 。已知现场检测中的环形电杆服 役期均超过 3 0 a ， 满足原始设计要求。对病害严重 的部分环形电杆 ， 应对其进行相应的维修 、 加固， 可 适当延长其使用寿命。 4 结论 ( 1 ) 根据环形混凝土电杆的力学特性 ， 提出了 将其简化为轴线铅垂的悬臂梁 ， 从而对超声波测强 检测数据处理进行有效简化 ， 在此基础上 ， 获得 了 超声波测强 的拟合方程。 ( 2 ) 针对环形混凝土电杆裂缝深度的检测 ， 提 出了研究超声波波速与纵 向裂缝深度关系时必须 考虑钢筋影响的思路， 并在此基础上推导出环形混 凝土电杆纵 向裂缝深度的计算公式。 ( 3 ) 研究 了环形 混凝 土电杆 常见病 害的产生 机理 ， 为现场检测优化布点提供了依据。 参考文献 ： 1 国家电力监管委员会南方监管局 灾害气候期间电力 系统运行情况报 R 广州： 国家电力监管委员会南方 电监局 ， 2 0 0 8 S o u t h C h i n a B u r e a u o f S t a t e E l e c t ric i t y Re g u l a t o r y Co m mi s s i o n o f Ch i n a Re p o o f e l e c t ri c a l p o we r s y s t e m o p e r a t i o n s i t u a t i o n d u ri n g t h e d i s a s t e r c l i ma t e R G u a n g z h o u：S o u t h C h i n a B u r e a u o f S t a t e E l e c t ri c i t y R e gu l a t o r y C o mmi s s i o n o f C h i n a， 2 0 0 8 2 邵德军， 尹项根， 陈庆前， 等2 0 0 8年冰雪灾害对我国 南方地区电网的影响分析 J 电网技术 ， 2 0 0 9 ， 3 3 ( 5 ) ： 3 8 4 3 S H A O D e - j u n ，Y I X i a n g g e n ，C H E N Q i n g q i a n ， e t a 1 Af f e c t s o f i c i n g a n d s no w d i s a s t e r o c c ur r e d i n 20 0 8 o n p o w e r d s i n s o u t h C h i n a J P o w e r S y s t e m T e c h n o l o g Y ， 2 0 0 9 ， 3 3 ( 5 ) ： 3 8 4 3 3 周凯 超声波混凝土构件检测系统的研究和试验分 析 D 长沙： 中南大学土木工程学院， 2 0 0 7 Z HOU Ka i T h e s t u d y a n d r e s u l t s a n a l y s i s o n u l t r a s o n i c t e s t i n g s y s t e m o f c o n c r e t e c o m p o n e n t s D C h a n g s h a ： C e n t r al S o u t h Un i v e r s i t y S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e ri n g， 2 00 7 4 C E C S 0 2 ： 2 0 0 5 ， 超声回弹综合法检测混凝土强度技术 规程 s CECS 0 2： 20 0 5，Te c h n i c al s pe c i f i c a t i o n f o r t e s t i ng c o n c r e t e s t r e n g t h b y u l t r a s o n i cr e b o u n d c o mb i n e d me t h o d S 5 C E C S 2 1 1 2 0 0 0 ， 超声法检测混凝土缺陷技术规程 S C EC S 2 1： 2 0 0 0， T e c h n i c al s p e c i f i c a t i o n f o r i n s p e c t i o n o f c o n c r e t e d e f e c t s b y u l t r a s o n i c m e t h o d S 6 G B T 4 6 2 3 -2 0 0 6 ， 环形混凝土电杆 S GB T 4 6 2 3 - 2 0 0 6，C i r c u l a r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p o l e s S 7 聂毓琴， 孟广伟 材料力学 M 北京： 机械工业出版 社 ， 2 0 0 9 NI E Yu qi n，MENG Gua n g we i Me c h a ni c s o f ma t e ria l s M B e ij i n g ：M e c h a n i c al I n d u s t ry P r e s s ， 2 0 0 9 8 L i a n g M T， Wu J T h e o r e t i c a l e l u c i d a t i o n o n t h e e m p i r i c a l f o r mu l a e o r t h e u l t r a s o n i c t e s t i n g me t h o d f o r c o n c r e t e s t r u c t u r e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ( 3 2 ) ： 1 7 6 3 1 7 6 9 9 方永浩， 贾丽丽， 戴砒， 等 环形混凝土电杆裂缝深度 的超声波检测 J 水利水 电科技进展， 2 0 1 1 ， 3 1 ( 3 ) ： 8891 F ANG Yo n g - h a o， J I A L i l i ，D AI P i n ，e t a 1 Ul 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 i nfo r c e d c o n c r e t e p o l e s J A d v a n c e i n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r R e s o u r c e s ， 2 0 1 1 ， 3 1 ( 3 ) ： 8 8 9 1 1 0 S h a h A A，R i 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 u r e s J Ma t e ri a l s and D e s i g n ， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 1 ) ： 6 1 6 9