全轻钢纤维钢筋混凝土损伤梁的综合无损检测方法

宋文超

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

全轻钢纤维钢筋混凝土损伤梁的综合无损检测方法

宋文超

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

本文利用超声波法对梁进行声速测量，并结合所观察到的梁表面混凝土孔洞、裂缝分布形态和大小，对梁的内部缺陷状况进行分析；采用回弹法对梁进行回弹，来确定混凝土表面强度及其分布的均匀性；采用振动法对梁进行动态检测，基于不同冲量、3只不同灵敏度加速传感器所采集到的综合信号，通过小波分析进行处理，判断出损伤个数、损伤位置和相对损伤程度。试验证明，通过该综合方法，可以由表及里、由现场实测结合理论计算，全面获得梁的损伤信息，使评估判断更具有科学合理性，使评估结果更准确可靠。

损伤位置；损伤程度；动态信号；声速值；回弹值；无损综合检测

实际工程中，混凝土梁的无损检测还是以回弹法、超声波法为主，对混凝土梁进行测量，通过回弹值和声速值来判断梁的内部缺陷(如裂缝、空洞、离析、沉渣)。然而，超声波法只能对混凝土结构内部缺陷粗略地进行区域位置和大小的确定，如果波传播方向与缺陷方向不一致，就会导致漏检；回弹法只能对混凝土结构表面10 mm～15 mm厚度范围内的质量进行判定；对振动法所采集到动态信号进行小波分析时，由于边界处往往会出现奇异点，从而导致误判和错判。这就导致对梁的检测和质量评估存在很大的误差，不能详细地、精确地确定损伤位置、损伤程度和损伤面积。

本文结合实际工程无损检测存在的问题，通过超声、回弹和振动法对LC30全轻钢纤维钢筋混凝土梁的强度和质量评估进行了研究，对比分析了3种不同检测方法，为全轻钢筋混凝土梁无损检测提供一些参考。

1 试验方法

本文研究对象为LC30全轻钢纤维钢筋混凝土梁，梁的规格尺寸为3 000 mm×200 mm×150 mm，钢筋采用6根HRB335，顶部3根和底部3根，箍筋采用HPB300，箍筋率1%，所用的页岩陶粒混凝土配合比如表1所示，配筋图如图1所示。陶粒密度等级为 675 级，表观密度为958 kg/m3，粒径大小是 5 mm～15 mm，堆积密度是610 kg/m3；陶砂密度等级为650级，表观密度为605 kg/m3，粒径大小是 0 mm～5 mm，堆积密度是700 kg/m3；mC、mFA、mLC、mLF、mW、mWRA分别表示水泥、粉煤灰、陶粒、陶砂、自来水和减水剂的质量。

表1 LC30混凝土的配合比 /kg

全轻钢纤维钢筋混凝土梁在浇筑过程中，由于各种原因，导致梁形成孔洞、蜂窝或麻面，如图2所示。本文采用超声法、回弹法和振动法[1-4]3种方法对全轻钢筋混凝土梁进行综合的无损检测，以便详细、精确地判断出梁的损伤位置和损伤程度，同时，对其质量进行一个定量的评估。

图1 全轻钢纤维钢筋混凝土梁的配筋图

图2 有缺陷的全轻钢纤维钢筋混凝土梁

1.1 回弹法和超声波法

依据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS21:2000)和文献[1]，用超声、回弹法对全轻钢筋混凝土梁进行检测，把梁的测试区域分为15块，如图3所示。

图3 全轻钢纤维钢筋混凝土梁的测区划分

回弹法、超声波法检测全轻钢筋混凝土梁的数据如表2和表3所示。

表2 全轻钢纤维钢筋混凝土梁测得的回弹值

表3 全轻钢纤维钢筋混凝土梁测得声速 /(km·s-1)

图4 LC30全轻钢纤维钢筋混凝土梁测区的平均回弹值和平均声速值

平均回弹值和平均声速如图4所示。对钢纤维全轻钢筋混凝土梁进行实际损伤检查时，结合图4可以看出，在1.0 m至1.2 m和1.8 m至2.0 m处有少量“麻面”和孔洞出现，同时在2.4 m至2.8 m处有大量的“麻面”和孔洞出现，相比的后者“麻面”和孔洞的面积要比前者的面积大。同时，后者“麻面”和孔洞所造成的损伤程度要比前者大很多。

1.2 取芯验证

依据《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS03∶2007)，用钻芯机在梁的两端随机取得3个直径为50 mm，高度为150 mm的标准样，对其进行抗压试验，测得数据如表4所示。通过计算得抗压强度平均值为23.98 MPa。

表4 取芯标准样的抗压强度

从表4可知，梁的实际强度的确低于设计强度LC30，所以通过超声、回弹试验所推断出梁的强度是正确、有效的，在使用梁时，要对其进行加固处理才能达到使用要求。

图5 全轻页岩陶粒混凝土梁的动态信号采集原理图

1.3 振动法

在全轻钢纤维钢筋混凝土梁的一端分别用质量为0.85 kg、1.275 kg、2.55 kg的秤砣从高度分别为200 mm、300 mm、400 mm撞击梁端，在梁的另一端安装3只压电式加速传感器，加速度传感器1、2、3的灵敏度分别为49.90、51.57、50.80，然后把加速传感器连接到恒流源，恒流源连接到数据采集仪，通过电脑软件采集信号。试验过程如图5所示。

2 小波分析在全轻钢纤维钢筋混凝土梁损伤检测的应用

实际工程中，小波基的选择对信号的分析极为重要，Daubechies小波函数作为有限紧支撑正交小波，不仅时域局部化特强，还有小波分解过程中提供数字滤波器更加实用有效，起到良好的去噪效果。因此，本文采用db6小波对梁的加速度信号进行分析。

2.1 动态采集信号处理

对不同冲量采集到的动态信号进行DWT，本文选择“db6”小波，用DWT代替CWT，这样就很容易利用小波分解和重构原始信号[12-15]。近似信号表明，波形幅值相对于原来信号的幅值存在一个小波分析的边缘失真问题[16-18]。而细节信号恰恰弥补这一缺陷，随着小波分解水平的增加，小波的边缘失真现象越来越小。因此，选用a1～a27中的6级细节系数波形b1～b27作为损伤指标的最优水平。

2.2 动态信号的分析

综合比较cd6波形可知，除边缘以外的三个区域还存在模极大值，且这三个区域的采样点范围分别为200～400、400～600和800～1 000。同时，在cd1～cd5波形中采样点范围分别为200～400、400～600和800～1 000的区域也存在模极大值。因此，在采样点250、456和816处存在模极大值，可判断为在采样点分别为250、456和816处是奇异点。

当mst为0.85 kg，在h为400 mm时，可从cd6波形中识别出损伤位置；但随着mst和h增大，cd6波形振荡剧烈，损伤位置识别困难。除了采样点范围为0～200、800～1 000区域的边缘振幅较陡峭外，其他地方基本为0。但有三个区域仍有明显的峰值，即在采样点范围为200～400、400～600和800～1 000区域分别有一个奇异点出现。因此，可以判断出该梁有三处区域存在内部损伤。

通过对b3～b5、b7～b9、b19～b21、b24～b27中的cd6波形分别在采样点为250、456和816处所对应的波振幅值进行对比分析，并通过计算可知，采样点259处的平均波振幅值A250为0.125，采样点456处的平均波振幅值A456为0.065，采样点820处的平均波振幅值A820为0.003，亦即前者的损伤程度大于中者，中者的损伤程度要大于后者。

3 3种检测方法对比分析

回弹法通过回弹值来判断混凝土硬度，但却不能检测出内部混凝土实际状况存在的差异；超声法通过声速的改变来判断缺陷的位置和相对大小，但如果波的传播方向与缺陷方向不一致，就会导致漏检，存在一定盲区；振动法通过波形的奇异点数和奇异点所对应的波的振幅可以判断出梁整体是否存在损伤、损伤的区域个数和损伤的位置，但对于具体的损伤面积、损伤的实际位置和损伤的严重程度都无法详细的检测。

4 结 语

本文通过回弹法、超声波法和振动法3种综合方法对全轻钢纤维钢筋混凝土梁进行无损检测，得到以下结论：

(1)综合超声、回弹试验结果，可以综合推断出梁的实际强度要低于设计强度LC30，为了验证这一推断结果，对梁进行取芯试验，取芯标准样的平均抗压强度为23.98 MPa，所以梁的实际强度的确低于设计强度，应对梁进行加固处理才能使用。

(2)通过小波分析可知，在采样点范围200～400、400～600和800～1 000之间，各存在一个奇异点，由此可判断出此梁存在3个损伤区域。

(3)以不同检测方法检测指标及检测对象互补性为基础，可以由表及里全面获得量的损伤信息，根据损伤信息可以科学合理的对其质量进行评估。

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Experimental Study on Comprehensive Testing of All Light Reinforced Concrete Beam with Steel Fiber

SONG Wenchao

(Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

In the paper the sound velocity value of the concrete are tested by ultrasonic test method. The internal defects of the beam are qualitatively analyzed when surface of the concrete beam hole and shape and size of crack distribution are observed. The beam is tested by rebound method in order to find uniformity of concrete surface strength and distribution. The dynamic detection of beam is done by use of vibration method, integrated signal is collected by acceleration sensors of different impulse and three different sensitivity. Based on wavelet analysis, damage number, damage Degree are judged by the principle of singularity. The results proved that the comprehensive method from the test can find damage of the beams, which is more scientific and rational. Meanwhile , it make the evaluation results more accurate and reliable.

damage location; damage degree; dynamic signal; sound velocity value; rebound value; nondestructive comprehensive test

10.3969/j.issn.1674-5403.2017.04.004

TU528

A

1674-5403(2017)04-0014-05

2017-08-30

宋文超(1992-)，男，河南焦作人，在读硕士研究生，主要从事工程材料与结构方面研究.