大型钢管混凝土模拟试验无损检测技术研究

2013-02-06周茗如郭中宇沈琼斐李郑波

中国建材科技 2013年1期

周茗如郭中宇沈琼斐李郑波

(兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州730050)

钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成、且钢管及其核心混凝土能共同承受外荷载作用的组合结构构件。钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高。同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力[1,2]。

由于钢管混凝土受混凝土材料自身特性和泵送施工工艺的影响，常出现混凝土与钢管壁脱粘，直接影响钢管混凝土结构的质量与安全[1,3]。陈宝春等对钢管混凝土脱粘构件的温度场作了相关研究[4]，刘振宇，周松川和涂光亚等对钢管混凝土脱粘构件的受力影响作了分析[5，6，7]。钢管混凝土构件出现脱粘后，钢管和混凝土不能共同工作，变形出现不连续性，偏心和失稳加剧，从而导致承载力下降，同时脱粘也会对耐火和抗震性能产生不利影响[8]。目前钢管混凝土脱粘状况检测的方式主要有人工敲击法、超声波检测法、钻芯取样法、应变(应力)分析法、光纤传感法等[2]，其中前两种为相关规范规定必须采取的方法。本文以某现场大型钢管混凝土模拟试验为背景，以超声波检测法为基础，联合应用人工敲击法和应变分析法对钢管混凝土试验段作无损检测，分析有无脱粘状况。

1 钢管混凝土检测技术

人工敲击法是从钢管回声判断钢管壁与混凝土的粘结状况，与操作人员的经验与主观判断有很大关系。超声波检测法是行之有效的检测混凝土灌注质量的一种方法，也是目前使用最多的方法。钻芯取样法是最可靠的方法，可定性定量分析粘结状况，但是其属于半破损的检测方法，若开孔小、测点少，则很难说明问题；而开孔大、测点多又将对钢管混凝土结构产生人为的损伤，影响钢管混凝土结构的质量与使用安全[3]。应力应变分析法和光纤传感法技术要求相对较高，经济性较低，但结果相对准确。目前依据相关规范的要求对钢管混凝土的检测与评价采用人工敲击法和超声波检测法，对于一般构件均须使用人工敲击法全数检查，而对于人工敲击初步判断为异常的部位、特别重要的部位和钢管厚度大于16mm 的构件必须采用超声波检测[9,10,11]。因此目前人工敲击法和超声波检测法常联合使用于钢管混凝土的无损检测，在部分工程则辅助于其他方法。

1.1 超声波检测法

超声脉冲在传播过程中遇到由各种缺陷形成的界面时会改变传播方向和路径，其能量会在缺陷处引发衰减，造成声时、振幅、频率变化[12]。对这些变化进行分析，可实现对钢管混凝土质量的检测。采用超声波检测钢管混凝土脱粘的主要方法有首波声时法、波形识别法和首波频率法。

图1 超声波检测钢管混凝土示意图

1.1.1 首波声时法(声速)

首波是指接收探头接收到的是最短途径到达的波，因此可依据超声波首波声时大小而判断首波途径。

若混凝土与钢管粘结良好，首波是沿钢管混凝土径向传播的超声纵波(如图2 左)，其声时为

式中：T1 为总声时；

TC 为混凝土声时；

TS 为钢管壁声时。

a 为钢管壁厚；

VC 为混凝土声速；

VS 为钢管壁声速。

若钢管混凝土有脱空现象，则首波是绕钢管壁半周长传至接收探头(如图2 右)，其声时为:

故若钢管与混凝土结合质量良好，应满足1T＜T2，由于2a 远小于D，故T1 可忽略钢管壁厚的影响，即：

1.1.2 波形识别法

脉冲波在传播过程中遇到两种不同介质交界面时，会发生波的反射、折射、绕射等现象，而后与原脉冲波叠加产生波的干扰，通过对波形特征(如波形的组成、波的叠加现象、分布特点等)进行分析有无脱粘状况，若钢管混凝土质量良好，则波形稳定正常，有明显圆弧状脉冲包络线。

1.1.3 首波频率、幅值法

超声波传播过程中，由于介质的不均匀性及缺陷的存在，超声波的频率产生衰减。质量良好的钢管混凝土首波频率相对较高，这样可根据首波频率判断钢管内混凝土的质量。综合首波声时、波形及首波频率进行判断后，可查明检测点处钢管混凝土是否存在缺陷，而后有选择的开孔验查。

1.2 人工敲击法

人工敲击法是通过人工敲击钢管表面，根据声音回响以定性判断钢管壁与核心混凝土黏结状况的一种直接、简单的方法。如果回声沉哑无振感，则说明钢管内混凝土填充饱满，核心混凝土与钢管结合紧密。而如果回声声音清脆有振感，则可能是混凝土与钢管壁存在脱空现象，需做进一步分析检查。

1.3 应变分析法

钢管混凝土结构中的混凝土一般为膨胀混凝土，通过在混凝土中布置一定数量的埋入式应变计来定量检测混凝土纵向和径向的应变，对比分析试验室标养条件下标准试件的限制膨胀率值,从而判断核心膨胀混凝土是否发挥了膨胀效能。

2 模拟试验

刘家峡黄河特大桥属于临夏折桥至兰州达川二级公路的重点工程，为跨越刘家峡水库黄河支流而设，跨径布置为：148m ＋536m ＋113m。主缆中心距为15.6m, 是国内同规模桥梁中最窄的悬索桥。主桥双塔采用钢管混凝土框架结构，塔柱高60.5m，由桩基础、塔基、塔柱(3000mmX50mm 的钢管，钢管内灌注C40 混凝土)和横梁组成。

目前国内外大直径钢管混凝土柱应用于大型悬索桥的实例不多，因此采用大型现场试验来研究无损检测技术。试验选取4 个高度×直径×壁厚:0.6m×1.5m×0.05m 的钢管作为试验段(编号分别为10%-1,10%-2,12%-1,12%-2)，其中10%-1 和10%-2 两个试验段浇筑膨胀剂掺量为10%的C40 混凝土(试验配合比见表1)；12%-1 和12%-2 两个试验段浇筑膨胀剂掺量为12%的C40 混凝土(试验配合比见表1),结合人工敲击法、现场超声波检测和应力应变分析法，综合评价混凝土的密实性。

表1 10%-12%掺量膨胀剂C40 微膨胀混凝土试验配合比

2.1 人工敲击法检测结果

4 个试验段按照相关要求选取若干测点采用小锤敲击的方法进行检测，所有测点回声均浑沉无振感，初步判断无脱空现象。

2.2 超声波法检测结果

使用ZBL—U520 非金属超声检测仪检测混凝土与钢管结合密实性。检测采用平面换能器对测的方式，发射电压为500V,采样周期为0.4μs。每个试验段均布置12 个测点(如图3)，竖向分3层(间距150mm)，每层4 个测点，图3 为试验段超声波检测示意图。

图3 超声波检测钢管混凝土测点布置图

通过现场实测钢管速度为5400m/s，因此由(3)式可得出，只要实测波速Vc 大于3456m/s,即满足1T＜2T，则可说明混凝土与钢管壁胶结良好。

现场检测4 个钢管混凝土试验段的16 个截面，共48 个超声波测点，超声波速均在4261～4973m/s 之间，小于声波在钢管中的波速(5400m/s)(见表2)。同时首波信号较强，频率、幅值较大，波形无衰减(见图3)。检测范围内没有发现空管、空洞等缺陷，说明钢管混凝土的混凝土与钢管粘结良好，混凝土内部严密充实，符合要求。

表2 试验段超声波速(m/s)

图4 a 10%试验段超声波检测波形图

图4 b 12%试验段超声波检测波形图

2.3 应变分析法结果

在每个试验段混凝土中部位置埋设3 个径向应变计和2 个纵向应变计(如图5a)，并浇筑微膨胀混凝土(如图5b),定量检测混凝土28 天的应变。

图5 a 混凝土应变计布置示意图

图5 b 现场试验图

在混凝土浇筑完成后由于重力作用、气孔等因素，混凝土应变均不同程度的下降，约24 小时左右达到最低值；之后开始迅速增长，在5 ～7天达到峰值，之后开始出现小幅下降，在14 天左右即保持稳中略降的趋势(如图6)，经分析认为是由于浇水养护仅持续7 天左右，7 天以后混凝土中膨胀剂剩余膨胀组分缺水未发挥作用，同时加上混凝土徐变收缩造成的。