钢管混凝土浇筑密实度检测分析

曹晓中 张鹤 冯少孔

1中建宏达建筑有限公司 北京 101500 2上海交通大学 上海 200240

在钢管混凝土施工过程中，由于钢管内往往存在钢隔板，在隔板下靠近管壁处混凝土不容易密实，现有规范建议采用敲击法初步检查混凝土的密实性，当有异常时采用超声波进行检测[1]。本文采用冲击映射法对截面较大的钢管混凝土密实性进行检测，并与实际情况进行比较。

1 工程试验概况

本试验段钢管为方形截面，外轮廓尺寸为长1200mm×宽1200mm×高1800mm，内部分布有四条横隔板，隔板厚度分别为50mm、50mm、40mm、26mm，如图1所示。

图1 试验段钢管立面和横截面图

2 测试方法和目标

2.1 基本原理

冲击映像法[2]理论基础是弹性波动理论，当击打检测物件表面时，在检测物件内部将会激发弹性波动场，包括面波、纵波、横波等，如图2所示。检测物件表面的弹性波动场分布是检测物件内部结构在其表面的映像。当混凝土与钢板存在脱空时，钢板表面的弹性波动场分布特性将发生变化，包括能量、波形特性与频谱特性等。通过对表面波动场分布做反映射分析，即可推断检测物件的内部结构。

图2 冲击映像法基本原理

理论分析、数值模拟和现场试验表明，距离震源D处的波动场，其变化情况对缺陷的大小和深度敏感度不同。因而，震源偏移距应不大于缺陷深度、大小，以保证至少有一个激发点和接收点均落在缺陷对应的检测面上。由于无法预先获知缺陷状态，实际作业时将布置多个检波器，取得多个震源偏移距的冲击响应波形数据，进而对缺陷的大小和深度进行综合分析。其次，冲击锤的重量、接触面尺寸和材料特性，以及冲击力度均会影响冲击响应波形，包括振幅和频谱，从而影响检测的精度和分辨率。一般说来，冲击锤越重，冲击力度越大，激发的弹性波能量也越大，频率也越低，检测深度变大，但分辨率和检测精度变低。因此，数据采集时应尽量保持冲击力度不变，并记录其大小，在数据分析时消除其影响。

2.2 检测方法

（1） 数据采集方法

冲击映像法采用机械方式击打检测物件表面，在检测物件内部产生弹性波动场。在距离激发点D处，用检波器（间隔 X0）接收检测物件表面的弹性波动，然后保持偏移距、击打方向和击打力度不变，将激发检波系统移至下一个检波点，并重复以上数据采集过程。当所有检波点的数据采集完成后，对原始数据进行时间域、频率域的滤波、降噪等处理，并通过分析波动场波形特征和频谱特征随检波点的变化，进而推测介质内部结构变化[3]。

（2）数据处理方法与流程

数据处理的目的是对检测数据进行编辑、滤波和数学变换等，去除或压制噪音，并把有用信息按特定的形式表现出来，主要包括数据预处理、数据归一化、波形处理、波场分离以及生成响应强度分布图等。

数值模拟：建立实体结构的三维模型，设置多种脱空形式，包括厚度、面积等，以及吸收边界条件；输入激振信号，进行三维波动方程模拟；最后对接收信号进行多维度的分析，与既定的缺陷形式进行匹配，建立脱空评判标准。

数据预处理：进行有限数据提取、重新排列和格式变换，并加入位置信息。

数据归一化：将冲击锤传感器记录的冲击加速度数据，对数据进行归一化处理，去除敲击力度不一致的影响，确保激发强度相同。

波形处理：包括非正常数据处理、时窗切除和滤波。首先，对存在异道号的数据，将数据异常部分切除，并用相邻数据进行内插；其次，对干扰信号与检测信号时间段不一致的数据，设计合适的时间窗口，切除时间窗口以外的数据；最后，设计各种频率滤波器（低通、高通、带阻等），在频率域对噪音数据进行压制。

波场分离与响应强度分析：将振动信号的面波、纵波直达波、纵波反射波和横波-纵波转换波等进行分离与装换，比选合适的信号进行响应强度、卓越频率和频谱等处理，并与数值模拟评价标准进行比对与优化。

根据试验资料，采用冲击映像法对试验段主体外表面进行检测，通过检测明确隔板下脱空情况。

3 实施方案

3.1 检测设备

冲击映像法检测系统[4]由激振器、采集系统和控制系统组成，采用力锤作为激振器，采集系统由耦合器、振动传感器阵列和主电缆组成，振动传感器为 100Hz 动圈式垂直分量速度型传感器，控制系统由动态数据采集仪、笔记本电脑、外电源，以及各种连接线组成。

3.2 检测线路布置

根据现场条件，在钢管混凝土模型每一个侧面上高度30cm～150cm间布置24条水平测线，并在模型每一个角布置4条垂直方向的辅助测线，测线间距5cm，检测点间距10cm。

3.3 数据采集及分析

现场准备：检查仪器设备情况，确保各部件完整。

采集系统设置：采样频率20.83us，记录时长0.128s。现场标定好测线，以确定的勘测点为基准点。

信号激发与采集：采用质量500g的圆顶铁锤进行信号激发，震源偏移距0.1m，完成1次采集后，整体移动采集系统至下一个测点，步长为0.1m，完成两次激发-接收-记录后，移动传感器阵列至下一个测点，并重复激发操作至完成整条测线的采集。

数据分析：完成现场检测后，进行数据分析和图像处理，提交检测报告。

3.4 检测工作量

采用冲击映像法评价钢隔板与混凝土脱空情况，水平测线每个侧面布置24条，测线长1.1m，测点总数1056个，垂直方向每个侧面4条，测线长度1.5m，测点总数240个，合计测点1296个。

4 检测结果和验证

4.1 评价标准

混凝土与钢板胶结状态评价图：着眼于混凝土与钢板的贴合紧密程度，分为胶结（密切贴合）、疏松（结合疏松）、轻微剥离（轻微分离）和剥离（彻底分离）4个等级。混凝土与钢板胶结状态反映的是混凝土表面与钢板的贴合关系。

混凝土与钢板间脱空状况评价图：着眼于混凝土是否充满整个空间，分为密实（填满整个空间）、疏松（混凝土表面有微小气泡、蜂窝麻面等）、轻微脱空（较明显的间隙）和脱空（充填不满）4个等级。混凝土与钢板间脱空状况反映一定范围内的充填状态。

剥离现象可能由于混凝土收缩、移动引起，也可能由于混凝土排气不充分等引起。一般说来，混凝土存在收缩特性，总会出现剥离现象，因此，混凝土与钢板的胶结状态在工程上意义不大，但对混凝土脱空检测是一个干扰因素，尤其是出现大面积剥离区域时，影响脱空推断精度。因此，混凝土与钢板胶结状态图仅仅作为评价脱空状态可靠性的参考数据。

4.2 检测结果

由结果可见：1）试验模型在高度120cm以上部分，以及模型底部，普遍存在剥离现象，可推断为混凝土凝固后多次移动所致；2）侧面①在第2条隔板下部存在脱空；3）第1条隔板和第2条隔板之间存在局部脱空或不密实显示，特别是侧面③，可能存在较大气泡或较严重的蜂窝麻面； 4）侧面第一条隔板右侧下部存在脱空。侧面①和侧面③试验结果如图3、图4所示。

图3 ①侧面冲击映像法检测结果

图4 ②侧面冲击映像法检测结果

图5 ③侧面冲击映像法检测结果

图6 ④侧面冲击映像法检测结果

4.3 检测验证

通过绳锯对侧面④进行割开验证，主体切割面平滑，混凝土密实情况良好，无气泡空隙。侧面④检测结果在（0.6，1.1）、（0.7-0.8,0.4-0.6）区域存在脱空与轻微脱空，通过与切割隔板侧混凝土对比，脱空高度≤2mm，脱空较小，其他区域与隔板贴合，无脱空。

图7 检测结果与主体切割面结构对比图

图8 检测结果与隔板切割面对比图

4.4 脱空面积占比统计

经统计，侧面①密实占比76%，疏松占比13%，轻微脱空占比8%，脱空占比3%；侧面②密实占比76%，疏松占比13%，轻微脱空占比9%，脱空占比2%；侧面③密实占比74%，疏松占比15%，轻微脱空占比6%，脱空占比5%；侧面④密实占比75%，疏松占比14%，轻微脱空占比7%，脱空占比4%。整体密实平均占比75%，疏松平均占比14%，轻微脱空平均占比8%，脱空平均占比3% 。

5 结论

采用冲击映像法对试验段四个侧面进行脱空检测，布置水平测线96条，垂直测线16条，采集1296个数据。通过对数据分析处理，结果表明试验段密实平均占比75%，疏松平均占比14%，轻微脱空平均占比8%，脱空平均占比3%；混凝土与隔板间贴合良好，仅在隔板间存在局部脱空或不密实情况，经绳锯开盖验证，脱空区域脱空高度2mm以内，其他区域与钢板紧密贴合，混凝土浇筑质量良好。