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8 0 四川建筑科学研究 S i c h ua n Bu i l di ng S c i e n c e 第 3 6卷第 1 期 2 0 1 0年 2月 超声法检测钢管混凝土质量 曹国辉， 祝 新 ， 刘 辉 ( 湖南城市学院土木工程学院， 湖南 益阳4 1 3 0 0 0 ) 摘要： 结合钢管混凝土拱桥的大比例试验模型， 采用波形识别法、 首波频率法和首波声时法 ， 分别对有、 无缺陷的2根钢管混 凝土拱质量进行超声波检测。将两组检测数据进行对比分析， 总结了一套操作方便、 结果准确的无损检测技术， 为钢管混凝 土质量检测提供依据。实践证明， 综合这三种方法得出的结论具有科学性和代表性。 关键词： 超声波； 钢管混凝土； 无损检测 中图分类号 ： T U 4 4 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 8—1 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 l 一 0 8 0—0 4 Ul t r a s o u n d d e t e c t e d o n t h e q u a l i t y o f c o n c r e t e ． fil l e d s t e e l t u b e C A0 Gu o h u i 。 Z HU Xi n． L I U Hu i ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， H u n a n C i t y U n i v e r s i t y ， Y i y a n g 4 1 3 0 0 0 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： C o m b i n a t i o n l a r g e - s c a l e a r c h b ri d g e mo d e l o f c o n c r e t e —fi ll e d s t e e l t u b e ( C F S T ) ， w a v e f o r m i d e n t i fi c a t i o n l a w， t h e fi r s t w a v e ’ s f r e q u e n c y l a w a n d t h e fi r s t wa v e ’ S t i me l a w we r e u s e d t o d e t e c t t h e q u a l i t y o f t wo CF S T arc h w h i c h h a v e o r n o d e f e c t s ． T w o g r o u p s o f t e s t d a t a w e r e c o mp are d， a c o n v e n i e n t a n d a c c u r a t e n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g t e c h n o l o g i e s w e r e s u mme d， i t w o u l d p r o v i d e t h e b a s i s f o r d e t e c t i n g t h e q u ali t y o f C F S T． P r a c t i c e h a s p r o v e n t h a t t h e c o n c l u s i o n i n t e g r a t e d i n a l l t h r e e me t h od s w o u l d b e s c i e n t i fi c a n d r e p r e s e n t a t i v e ． Ke y w o r d s ： u l t r aso u n d ； c o n c r e t e — fi l l e d s t e e l t u b e ( C F S T ) ； n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g 0 引 言 钢管混凝土这种新结构形式的出现 ， 较好地解 决了桥梁结构所要求 的用料省 、 安装重量轻、 施工简 便、 承载能力大等诸多问题。钢管混凝土拱桥 由于 其特殊的结构组成 和施工工艺 ， 在实际工程 中很 难 避免缺陷， 而混凝土浇灌质量 的好坏 ， 将直接影响到 钢管混凝土拱桥的安全性和可靠性。通过无损检测 及时发现钢管混凝 土质量缺陷 ， 避免灾难性事故的 发生， 无疑具有 良好的社会效益和经济效益 。 1 检测模型概述 制作了跨径为 1 0 m的下承式钢管混凝 土系杆 拱桥模型 ， 拱轴线方程为 Y=2 ． 5— 0 ． 1 x ， 钢管内径 为 3 9 ． 4 c m， 外径 为 4 0 c m； 钢管采用开孔灌注 C 5 0 混凝土； 钢管 A内混凝土掺加 6 ％的膨胀剂 ， 钢管 B 内混凝土没有掺膨胀剂。拱肋分为 A钢管和 B钢 管， 每根按 0 ． 4 m的间距分为 2 7节段。在 B钢管内 收稿 日期 ： 2 0 0 8 - 0 7 -01 作者简介： 曹国辉( 1 9 6 9一) ， 男， 湖南益阳人， 博士， 教授 ， 主要从事 桥 梁与结 构工程研究 。 基金项 目： 湖南省 自然科学基金项 目( 0 7 J J 3 1 0 0) ； 湖南 省高等学校科 学研究 项 目( 0 8 A 0 0 8 ) E —ma i l ： c g v i l @ 1 6 3． c o n 人为设置 了若干缺 陷： 在 B钢管拱脚 附近 ( B - 6节 段) 模拟离析缺陷； B 一 3节段混凝土内掺加大量小颗 粒泡沫 ， 模拟混凝土 中的蜂窝缺陷 ； 在拱脚 附近 ( B 一 2 6节段 ) 混凝土中放置 1 ． 5升可乐瓶 1个 ， 内装满 水 ， 模拟混凝 土空洞缺 陷。另外 ， 由于 B钢管 内混 凝土没有掺加膨胀剂 ， 混凝土凝结收缩后， 可能会出 现“ 脱空” 现象 。A钢管 内混凝 土没有设 置任何缺 陷。通过混凝土试块来测量混凝 土超声波波速 ， 为 钢管混凝土检测提供参考。 2钢管混凝土超声检测原理 钢管混凝土超声检测不同于普通素混凝土或钢 筋混凝土 ， 超声波在钢管混凝土中主要有如图 1 ( a ， b ， c ) 所示的三种传播途径。 ⑨ ① ( a ) 混凝土饱满超声渡 ( b ) 混凝土脱空超声波 ( c ) 混凝土空洞超声波 传播途径 传播途径 传播途径 图 1 超声波在钢管混凝土中的传播途径 Fi g ． 1 T h e t r a n s mi s s i o n m o de o f u l t r a s o u nd i n CF S T 采用超声波法检测钢管混凝土质量的主要方法 有首波声时法 、 波形识别法和首波频率法 。 曹国辉 ， 等： 超声法检测钢管混凝土质量 8 1 2 ． 1 首波声 时法 当混凝 土内部 或钢管与混凝土之 间存 在缺 陷 时， 在超声波发一收通路上形成 了不连续 的介质 ， 在 缺陷的孔、 缝或疏松 的混凝土中充有较低声阻抗 的 气体或水 ， 声波透过率极低 ， 低频超声波将绕过缺陷 向前传播。在传播的距离内， 其绕射到达所需“ 声 时” 比超声纵波在混凝土中直接传播所需要 “ 声 时” 长 ， 反映了存在缺陷混凝土的超声波声速小。 2 ． 2波形识别法 超声波参量( 波形、 波幅) 随着钢管混凝土的密 实度 、 均匀性不 同而变化 ， 由于超声仪发射的脉冲正 弦或脉冲余 弦在传播 过程 中若 遇到 界面 ， 特 别是 固一气界面， 会发生反射 、 绕射现象 ， 使得接收到 的 绕射信号十分微弱。如果混凝土中存在缺陷或构造 的非匀质性 ， 使超声波因散射、 绕射 以致相位发生差 异， 叠加结果导致接收波形畸变， 对于钢管壁处胶结 不 良或裂缝 ， 接收到的波形畸变尤为严重 。因此 ， 通 过判断接收到的脉 冲波首波波幅及波形 畸变 程度 ， 可判断钢管混凝土 内部是否存在缺陷。 2 ． 3首波频率法 虽然在超声波检测中采用了固定发射频率的脉 冲波 ， 但在超声波传播 过程 中， 由于介质 的不均匀 性 ， 加上内部缺陷 ， 使声波在传播过程 中发生反射、 折射 ； 频率越高 ， 衰减越大。均匀性越差 的混凝土或 存在缺陷的混凝土将使 高频率声波衰减 ， 到达接收 换能器的波大多为较低频率的波。而密实的无缺陷 混凝土则首波频率相对较高 ， 故可根据首波频率判 断混凝土密实性及缺陷大小 。 3 试 验检 测数 据读 取与分析 3 ． 1 测点布置 混凝土试块于 2 0 0 5年 9月 2 8日浇筑 ， 均采用 R S — S T 0 1 C非金属声波检测仪检测 。 3 ． 1 ． 1 混凝 土立 方体 试块 的检 测 采用 1 5 0 m m X 1 5 0 m m X 1 5 0 m m的立方体标准 试块 ， 其检测位置和波形如图 2所示 。 试块声 时测量取 试块浇筑方 向的侧 面为测试 面， 黄油为耦合剂， 采用对测法， 在一个相对测试面 布置 5个测点。发射 和接收换 能器 轴线在 一直 线 上， 试块声时值 t 为5点平均值。 3 ． 1 ． 2钢 管混 凝 土拱 肋 测 点布置 ( 1 ) 布置原则： 测点具有代表性和可分析性， 对 有缺陷的部位适当增加测区， 进行重点检测。 ( 2 ) 拱肋测区、 测点布置 ： 根据拱肋 的具体结构 当前通道：通道一 文件：B1 4 Z 序号： A B． 0 0 5 0时间： 1 3 0 3 u s 幅度：3 ．9 2mV 采样间隔： 1 ． 1 u s 采样点数：1024 A 延迟时间：24us 触发方式：连发 触发电平：10％FSR 发射脉宽：10us 发射电压： 1 0 0 0 V 通频带： 2 k -~ 6 0 k H z 零声时： 1 8 ． 0 u s 声时： 1 3 0 ．3 u s 波幅： 7 1 9 d B 主频：4 0 ．8 k Hz放缩：4 0 ／ 1 图 2 试块的检测 波形 Fi g． 2 The i n s pe c t i o n wa v e f or m o f t e s t bl o ck 情况 ， 将 A， B拱肋 各分为 2 7个 测区， 如图 3所示。 对无缺陷截面进行 2次超声检测 ， 每个测 区采用水 平 (I—I) 、 垂直 (Ⅱ 一1 1 ) 两种情况布置测 点， 如 图4 ( a ) 所示 ； 对有 缺陷截 面进行 4次超声检 测， 每 个测区采用水平 (I— I) ， 4 5 。 (Ⅱ 一Ⅱ) ， 垂直 ( Ⅲ 一 Ⅲ) ， 1 3 5 。 ( Ⅳ 一Ⅳ)四种情况 布置 测点 ， 如 图 4 ( b ) 所示 。 图 3 测区布置 F i g ． 3 La y o u t o f t h e me a s u r i n g a r e a Ⅱ 图 4 测点布置 F i g ． 4 La y o u t o ft h e me a s u r i n g p o i n t s I ( b ) Ⅲ 3 ． 2检测结果分析 3 ． 2 ． 1 声时、 主频分析与判别 为了检测可疑测点处混凝土与钢管内壁脱空的 最大距离， 如图5 所示： 将发射换能器 T固定， 接收 8 2 四川建筑科学研究 第 3 6卷 换能器 左右移动测量 ， 根据换能器移动位置在水 平的投影距离 c， 可计算 出理论最大脱空距离 h ， 或 按式( 2 ) 可预先确定满足工程要求时的换能器平 移 最大距离 。 = 一 ~ ／ 一 c ( 1 ) 或 c=~ ／ 2 R 一 h 。 ( 2 ) 式中^为混凝土与钢管壁 的最大脱空距离 ； R为 钢管半径 ； C为换能器斜测 时移动距离在水平面上 的投影。 T 图 5 超声波检测换能器布置方式 Fi g． 5 Tr a ns duc er l a yo ut o f ul t r a s o ni c i n s pe ct i o n 声速 ， 即超声波在混凝土中传播的速度 ， 是混凝 土超声检测 中一个主要参数。声速与混凝土的弹性 性质有关 ， 也与混凝土内部 结构 ( 孔 隙、 材料组成 ) 有关 。 超声波是复频超声脉 冲波 ， 它包含一系列不 同 频率成分的余弦波分量。混凝土看作是一个类似高 频滤波器的介质。主频率下降的多少除与传播距离 有关外 ， 还取决于混凝土本 身的性质 ( 质量、 强度) 和内部是否存在缺陷、 裂缝等。 3 ． 2 ． 2波形分析 检测 中所反映的波形 可分为两类 ， 即正常波 和 非正常波。正常波 ( 图 6 ) 表现为首波明显 ， 波形稳 定 ， 能够准确读 出声时； 非正常波( 图 7 ) 表现为首波 信号较弱， 受到干扰， 首波位置难以找准， 且声时不 易找准 ， 该种波形 反映 出波在传播路 径上有缺陷。 另一种非正常波形表现为严重畸变 ( 图 8 ) ， 整个波 形受到沿钢管壁半周长传来 的混响信 号的严 重干 扰 ， 说 明核心混凝土与钢管壁大范围胶结不良， 声波 当 前通 道：通道 一 文件 ： B 3 V序 号：A B - 0 1 0 0 ： 7 4 9 u s幅 度 ： 2 7 4 5 1 m Y 采样 间隔 ： I _ l u s 咪 ：： 采样点数：1024 延迟时间：50us 触发方式：连发 触发电平：10％FSR 发射脉宽：10us 发射 电压： 1 0 0 0 V 通频带： 2 k - 6 0 k H z 零声时： 1 8 ． 0 u s 声时： 7 4 ． 9 u s波幅： 1 0 8 ． 8 d B 主频：4 4 ． 4 k H z放缩： 1 ／ 1 图6 首波信号较强。 波形良好 F i g ． 6 Th e s i g n a l o f f h - s t wa v e i s s t r o n g， wa v e f o r m i s go o d 传播过程时能量衰减较大或根本无法穿过或绕过。 当前通道： 通道一 文件：B 3 VI 6 序号：AB 0 0 4 0时间： 1 0 7 ．9 u s幅度：5 8 ． 8 2 mV 采样间隔： l _l u s 采样点数： 1 0 2 4 糯 延迟时间：50us 触发方式：连发 触发电平：10％FSR 发射脉宽：10us 发 射 电压 ： 1 0 0 0 V 通频带：2 k - 6 0 k Hz 零声时： 1 8 ．0 u s 声时： 1 0 7 ． 9 u s 波幅：9 5 ．4 d B 主频： 3 7 ．3 k Hz 放缩：4 ／ 1 图 7 首波信号稍弱 。 波形稍差 Fi g ．7 Th e s i g na l o f fir s t wav e is we a k， wa v e f o r m i s s o me wh at po o r 当前通道： 通道一 采样间隔： 1 ． 1 u s 采样点数： 1 0 2 4 延 迟时 间： 4 1 u s 触发方式： 连发 触发电平： 1 0 ％F S R 发射脉宽： 1 0 u s 发射电压： 1 0 0 0 V 通 频带 ：2 k -- 6 0 k Hz 零声时： l 8 ．0 u s 文件：B3 V1 6 序号： A B． 0 0 6 0时间：2 7 0 ． 5 u s幅度： 1 9 6 ．0 8 m Y 声时： 2 7 0 ．5 u s 波幅： 1 0 5 ． 8 d B 主频： 3 9 ． 1 k Hz放缩：2 ／ 1 图 8 首波信号受到一定干扰 F i g ． 8 Th e s i g n a l o f fi r s t w a v e i s s u b j e c t e d t o c e r t a i n i nt e r f e r e n c e 部分测区检测结果见表 1 。 表 1 部分测 区检测结果 Ta b l e 1 Th e t e s t r e s ult s o f p a r t m e a s u r i n g a r e a 曹国辉， 等： 超声法检测钢管混凝土质量 8 3 从表 1 测试结果 ， 通过分析可作如下判断 ： ( 1 ) A 3截 面波形没有 出现 畸形 ， 首波 明显 ， 声 速较高 ， 水平方 向 5 0 3 1 m／ s ， 竖直方向 5 2 1 5 m ／ s ， 可 判断 A 3截面混凝土质量 良好。 ( 2 ) B 3截面水平和竖直两个 方 向的波形 没有 出现 畸 形 ， 首 波 明显 ， 声 速较 高 ， 水 平 方 向 5 0 0 9 m ／ s ， 竖直方向 4 9 9 8 m ／ s 。但对另两个方 面进行 探 伤， 发现首波不明显 ， 波速较小 ， 分别为 2 3 1 9 m ／ s 和 2 4 5 9 m／ s ， 表明此处混凝土存在质量问题 ， 结合预设 缺陷 ， 判断 B 3截面混凝土存在蜂窝。 ( 3 ) A 6截面波形未 出现 畸形 ， 首波 明显 ， 水平 方 向波速 5 2 3 5 m／ s ， 而竖直方 向 2 7 8 7 m ／ s ， 表 明截 面顶部存在混凝土脱层。 ( 4 ) B 6截面波形未 出现畸形 ， 首波 明显 ， 波速 较高， 水平方向 5 3 1 2 m ／ s ， 竖直方 向为 5 1 6 1 m ／ s ， 实 测波速大于 A 6截面波速 ， 表 明振捣时间长 ， 混凝土 质量好 ， 且未发 生混凝 土离析现象。判 断 B 6截面 混凝土存在过振 ， 但混凝土未出现脱层现象。 ( 5 ) A 1 4截面波形未 出现畸形 ， 首波明显 ， 水平 方向波速 5 5 5 6 m／ s ， 竖直方 向 3 5 0 8 m ／ s ， 表明 A1 4 截面顶部存在混凝土局部脱层现象。 ( 6 ) B 1 4截面水平方向波形正 常， 首波 明显 ， 水 平方向波速 5 3 9 0 m／ s ， 竖直 方向波速 3 0 5 3 m ／ s ， 结 合两加 密 点波 形 特 征 ( 波 速分 别 为 5 4 7 2 m ／ s和 5 1 9 5 m ／ s ) ， 判 断 B 1 4截 面顶 部存在} 昆 凝 土严重脱 层现象。 ( 7 ) A 2 6截面水平方 向波形正常 ， 首波明显 ， 水 平方 向波速 5 3 1 9 m／ s ， 但竖直方 向波速 2 5 0 0 m ／ s ， 表明 A 2 6截面顶部存在混凝土脱层现象。 ( 8 ) B 2 6截面水平 方向波形正常 ， 首波 明显， 水 平方向波速 5 0 8 9 m ／ s ， 竖直方 向波速 3 1 5 0 m ／ s ， 结 合两加密 点 波形 特 征 ( 波 速分 别 为 5 1 6 1 r n ／ s和 5 0 1 9 m ／ s ) ， 判断 B 2 6截面顶部存 在混凝土空 洞现 象 。 4 结 论 该模型试验表明， 其检测结果与实际情况吻合 较好 ， 对于有缺陷的部位确定 了缺陷的具体位置 ； 实 际工程中混凝土不可能完全理想地充满钢管 ， 尤其 是钢管拱顶部容易出现混凝土脱空现象， 因此 ， 必须 最大限度地保证钢管和混凝土的密贴性 ， 以保证钢 管混凝土的内部质量 。 实践表明 ， 利用超声波技术对钢管混凝土拱肋 进行无损检测是切实可行的。对钢管混凝土采用首 波声时 、 波形识别 、 首波频率 的综合判断 比较理想 ， 相对一般混凝土缺陷检测方法 ， 其精确性有一定 的 提高。 参 考 文 献： [ 1 ] 张娟．钢管混 凝土桥 拱的质 量控 制 与检测 [ J ] ， 上 海公路 ， 2 0 0 6， 2 9 ( 3 ) ： 1 0 1 — 1 0 6 ． [ 2 3 C E C S 2 1 ： 2 0 0 0超声波检测混凝土缺陷技术规程[ s ] ． [ 3 ] 潘绍伟， 叶跃忠， 徐全． 钢管混凝土拱桥超声波检测研究 [ J ] ． 桥梁建设， 1 9 9 7 ， ( 1 ) ： 3 2 - 3 5 ． [ 4 ] 董清华．混凝土超声波、 声波检测的某些进展[ J ] ． 混凝土， 2 0 0 5 ， ( 1 1 ) ： 3 2 - 3 5 ． [ 5 ] 周先雁， 肖云风， 曹国辉． 用超声波法检测钢管混凝土质量的 研究『 J 1 ． 铁道科学与工程学报 。 2 0 0 6 。 6 ( 3 ) ： 5 O -5 4 ． 本 刊 启 事 鉴于投往本刊的稿件 日益增多， 且 出现一稿 多投等不负责的现象， 为从 源头 上控制、 严把期刊质量关， 本刊编辑部从 2 0 0 9年5月 1日起， 对所有同意接收的来 稿均收取 1 0 0元的稿件处理及初审费。 稿件处理及初审费请直接寄到本刊编辑部收， 汇款单附言上请注明文章第一 作者姓 名。 邮寄地址： 成都市( 金牛 区) 一环路北三段 5 5 《 四川建筑科学研究》 编辑部 邮 编 ： 6 1 0 0 8 1 《 四川建筑科学研究》 编辑部