鋼管混凝土澆筑密實度檢測分析

曹曉中 張鶴 馮少孔

1中建宏達建筑有限公司 北京 101500 2上海交通大學 上海 200240

在鋼管混凝土施工過程中，由于鋼管內(nèi)往往存在鋼隔板，在隔板下靠近管壁處混凝土不容易密實，現(xiàn)有規(guī)范建議采用敲擊法初步檢查混凝土的密實性，當有異常時采用超聲波進行檢測[1]。本文采用沖擊映射法對截面較大的鋼管混凝土密實性進行檢測，并與實際情況進行比較。

1 工程試驗概況

本試驗段鋼管為方形截面，外輪廓尺寸為長1200mm×寬1200mm×高1800mm，內(nèi)部分布有四條橫隔板，隔板厚度分別為50mm、50mm、40mm、26mm，如圖1所示。

圖1 試驗段鋼管立面和橫截面圖

2 測試方法和目標

2.1 基本原理

沖擊映像法[2]理論基礎是彈性波動理論，當擊打檢測物件表面時，在檢測物件內(nèi)部將會激發(fā)彈性波動場，包括面波、縱波、橫波等，如圖2所示。檢測物件表面的彈性波動場分布是檢測物件內(nèi)部結(jié)構(gòu)在其表面的映像。當混凝土與鋼板存在脫空時，鋼板表面的彈性波動場分布特性將發(fā)生變化，包括能量、波形特性與頻譜特性等。通過對表面波動場分布做反映射分析，即可推斷檢測物件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖2 沖擊映像法基本原理

理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗表明，距離震源D處的波動場，其變化情況對缺陷的大小和深度敏感度不同。因而，震源偏移距應不大于缺陷深度、大小，以保證至少有一個激發(fā)點和接收點均落在缺陷對應的檢測面上。由于無法預先獲知缺陷狀態(tài)，實際作業(yè)時將布置多個檢波器，取得多個震源偏移距的沖擊響應波形數(shù)據(jù)，進而對缺陷的大小和深度進行綜合分析。其次，沖擊錘的重量、接觸面尺寸和材料特性，以及沖擊力度均會影響沖擊響應波形，包括振幅和頻譜，從而影響檢測的精度和分辨率。一般說來，沖擊錘越重，沖擊力度越大，激發(fā)的彈性波能量也越大，頻率也越低，檢測深度變大，但分辨率和檢測精度變低。因此，數(shù)據(jù)采集時應盡量保持沖擊力度不變，并記錄其大小，在數(shù)據(jù)分析時消除其影響。

2.2 檢測方法

（1） 數(shù)據(jù)采集方法

沖擊映像法采用機械方式擊打檢測物件表面，在檢測物件內(nèi)部產(chǎn)生彈性波動場。在距離激發(fā)點D處，用檢波器（間隔 X0）接收檢測物件表面的彈性波動，然后保持偏移距、擊打方向和擊打力度不變，將激發(fā)檢波系統(tǒng)移至下一個檢波點，并重復以上數(shù)據(jù)采集過程。當所有檢波點的數(shù)據(jù)采集完成后，對原始數(shù)據(jù)進行時間域、頻率域的濾波、降噪等處理，并通過分析波動場波形特征和頻譜特征隨檢波點的變化，進而推測介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化[3]。

（2）數(shù)據(jù)處理方法與流程

數(shù)據(jù)處理的目的是對檢測數(shù)據(jù)進行編輯、濾波和數(shù)學變換等，去除或壓制噪音，并把有用信息按特定的形式表現(xiàn)出來，主要包括數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)歸一化、波形處理、波場分離以及生成響應強度分布圖等。

數(shù)值模擬：建立實體結(jié)構(gòu)的三維模型，設置多種脫空形式，包括厚度、面積等，以及吸收邊界條件；輸入激振信號，進行三維波動方程模擬；最后對接收信號進行多維度的分析，與既定的缺陷形式進行匹配，建立脫空評判標準。

數(shù)據(jù)預處理：進行有限數(shù)據(jù)提取、重新排列和格式變換，并加入位置信息。

數(shù)據(jù)歸一化：將沖擊錘傳感器記錄的沖擊加速度數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，去除敲擊力度不一致的影響，確保激發(fā)強度相同。

波形處理：包括非正常數(shù)據(jù)處理、時窗切除和濾波。首先，對存在異道號的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)異常部分切除，并用相鄰數(shù)據(jù)進行內(nèi)插；其次，對干擾信號與檢測信號時間段不一致的數(shù)據(jù)，設計合適的時間窗口，切除時間窗口以外的數(shù)據(jù)；最后，設計各種頻率濾波器（低通、高通、帶阻等），在頻率域?qū)υ胍魯?shù)據(jù)進行壓制。

波場分離與響應強度分析：將振動信號的面波、縱波直達波、縱波反射波和橫波-縱波轉(zhuǎn)換波等進行分離與裝換，比選合適的信號進行響應強度、卓越頻率和頻譜等處理，并與數(shù)值模擬評價標準進行比對與優(yōu)化。

根據(jù)試驗資料，采用沖擊映像法對試驗段主體外表面進行檢測，通過檢測明確隔板下脫空情況。

3 實施方案

3.1 檢測設備

沖擊映像法檢測系統(tǒng)[4]由激振器、采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，采用力錘作為激振器，采集系統(tǒng)由耦合器、振動傳感器陣列和主電纜組成，振動傳感器為 100Hz 動圈式垂直分量速度型傳感器，控制系統(tǒng)由動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、筆記本電腦、外電源，以及各種連接線組成。

3.2 檢測線路布置

根據(jù)現(xiàn)場條件，在鋼管混凝土模型每一個側(cè)面上高度30cm～150cm間布置24條水平測線，并在模型每一個角布置4條垂直方向的輔助測線，測線間距5cm，檢測點間距10cm。

3.3 數(shù)據(jù)采集及分析

現(xiàn)場準備：檢查儀器設備情況，確保各部件完整。

采集系統(tǒng)設置：采樣頻率20.83us，記錄時長0.128s?，F(xiàn)場標定好測線，以確定的勘測點為基準點。

信號激發(fā)與采集：采用質(zhì)量500g的圓頂鐵錘進行信號激發(fā)，震源偏移距0.1m，完成1次采集后，整體移動采集系統(tǒng)至下一個測點，步長為0.1m，完成兩次激發(fā)-接收-記錄后，移動傳感器陣列至下一個測點，并重復激發(fā)操作至完成整條測線的采集。

數(shù)據(jù)分析：完成現(xiàn)場檢測后，進行數(shù)據(jù)分析和圖像處理，提交檢測報告。

3.4 檢測工作量

采用沖擊映像法評價鋼隔板與混凝土脫空情況，水平測線每個側(cè)面布置24條，測線長1.1m，測點總數(shù)1056個，垂直方向每個側(cè)面4條，測線長度1.5m，測點總數(shù)240個，合計測點1296個。

4 檢測結(jié)果和驗證

4.1 評價標準

混凝土與鋼板膠結(jié)狀態(tài)評價圖：著眼于混凝土與鋼板的貼合緊密程度，分為膠結(jié)（密切貼合）、疏松（結(jié)合疏松）、輕微剝離（輕微分離）和剝離（徹底分離）4個等級。混凝土與鋼板膠結(jié)狀態(tài)反映的是混凝土表面與鋼板的貼合關系。

混凝土與鋼板間脫空狀況評價圖：著眼于混凝土是否充滿整個空間，分為密實（填滿整個空間）、疏松（混凝土表面有微小氣泡、蜂窩麻面等）、輕微脫空（較明顯的間隙）和脫空（充填不滿）4個等級。混凝土與鋼板間脫空狀況反映一定范圍內(nèi)的充填狀態(tài)。

剝離現(xiàn)象可能由于混凝土收縮、移動引起，也可能由于混凝土排氣不充分等引起。一般說來，混凝土存在收縮特性，總會出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，因此，混凝土與鋼板的膠結(jié)狀態(tài)在工程上意義不大，但對混凝土脫空檢測是一個干擾因素，尤其是出現(xiàn)大面積剝離區(qū)域時，影響脫空推斷精度。因此，混凝土與鋼板膠結(jié)狀態(tài)圖僅僅作為評價脫空狀態(tài)可靠性的參考數(shù)據(jù)。

4.2 檢測結(jié)果

由結(jié)果可見：1）試驗模型在高度120cm以上部分，以及模型底部，普遍存在剝離現(xiàn)象，可推斷為混凝土凝固后多次移動所致；2）側(cè)面①在第2條隔板下部存在脫空；3）第1條隔板和第2條隔板之間存在局部脫空或不密實顯示，特別是側(cè)面③，可能存在較大氣泡或較嚴重的蜂窩麻面； 4）側(cè)面第一條隔板右側(cè)下部存在脫空。側(cè)面①和側(cè)面③試驗結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 ①側(cè)面沖擊映像法檢測結(jié)果

圖4 ②側(cè)面沖擊映像法檢測結(jié)果

圖5 ③側(cè)面沖擊映像法檢測結(jié)果

圖6 ④側(cè)面沖擊映像法檢測結(jié)果

4.3 檢測驗證

通過繩鋸對側(cè)面④進行割開驗證，主體切割面平滑，混凝土密實情況良好，無氣泡空隙。側(cè)面④檢測結(jié)果在（0.6，1.1）、（0.7-0.8,0.4-0.6）區(qū)域存在脫空與輕微脫空，通過與切割隔板側(cè)混凝土對比，脫空高度≤2mm，脫空較小，其他區(qū)域與隔板貼合，無脫空。

圖7 檢測結(jié)果與主體切割面結(jié)構(gòu)對比圖

圖8 檢測結(jié)果與隔板切割面對比圖

4.4 脫空面積占比統(tǒng)計

經(jīng)統(tǒng)計，側(cè)面①密實占比76%，疏松占比13%，輕微脫空占比8%，脫空占比3%；側(cè)面②密實占比76%，疏松占比13%，輕微脫空占比9%，脫空占比2%；側(cè)面③密實占比74%，疏松占比15%，輕微脫空占比6%，脫空占比5%；側(cè)面④密實占比75%，疏松占比14%，輕微脫空占比7%，脫空占比4%。整體密實平均占比75%，疏松平均占比14%，輕微脫空平均占比8%，脫空平均占比3% 。

5 結(jié)論

采用沖擊映像法對試驗段四個側(cè)面進行脫空檢測，布置水平測線96條，垂直測線16條，采集1296個數(shù)據(jù)。通過對數(shù)據(jù)分析處理，結(jié)果表明試驗段密實平均占比75%，疏松平均占比14%，輕微脫空平均占比8%，脫空平均占比3%；混凝土與隔板間貼合良好，僅在隔板間存在局部脫空或不密實情況，經(jīng)繩鋸開蓋驗證，脫空區(qū)域脫空高度2mm以內(nèi)，其他區(qū)域與鋼板緊密貼合，混凝土澆筑質(zhì)量良好。