超声波检测环形钢筋混凝土电杆病害的研究.pdf
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1、第 9卷第 4期 2 0 1 2年 8月 铁道科学与工程学报 J OURN AL OF RAI L WAY SCI ENCE AND ENGI NEERI NG VO 1 9 Au g NO 4 201 2 超声波检测环形钢 筋混凝土 电杆病 害的研究 赵望达。 , 冯瑞敏 。 赵俊锴 ( 1 中南大学 土木工程学院, 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ; 2 中南大学 材料科 学与工程学院, 湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 ) 摘要: 采用 R S S T 0 1 D非金属超声波测试仪检测环形钢筋混凝土电杆的强度和 内部缺 陷。探讨环形钢筋混凝土电杆裂 缝的产生机理, 获得超声波测强的
2、拟合方程, 并推导出纵向裂缝深度的计算公式。在此基础上, 给 出一个具体的环形钢筋 混凝土电杆强度与裂缝深度的工程检测实例, 获得剩余使用寿命的时间。这对类似工程质量检测、 健康性能评估和耐久性 寿命预测具有一定的参考作用。 关键词 : 环形钢筋混凝土 电杆 ; 超 声波检测 ; 裂缝深度 中图分类号: T U 3 1 7 8 文献标志码: A 文章编号: 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 3 6 0 5 Re s e a r c h o n d i s e a s e o f c i r c u l a r r e i n f o r c e d c o
3、 n c r e t e p o l e s b y u l t r a s o n i c t e s t s Z HAO Wa n g d a ,F ENG Ru i mi n , Z HAO J u n - k a i ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ,C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 ,C h i n a ; 2 S c h o o l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e
4、a n d E n g in e e r i n g ,C e n t r al S o u t h U n i v e r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ,C h i n a ) Abs t r ac t: Th e me t h o d o f u hr a s o n i c t e s t s wa s e mp l o y e d t o i n v e s t i g a t e t he s t r e n g t h a n d d e f e c t s i n c i r c u l a r r e i n f o r c e
5、d c o n c r e t e po l e s ,a n d me c h a n i s m o f t h e c r a c k e me r g e d o n t h e c i r c u l a r r e i n f o r c e d c o n c r e t e wa s d i s c us s e d, wh e r e b y a c g u i n i n g t h e fit t e d e q u a t i o n o f t h e s t r e n g t hTh e n t h e r e l e v a n t f o r mu l a s
6、 f o r t h e de p t h s o f l o n g i t u d i na l c i r c u l a r c r a c k s w e r e d e ri v e d B a s e d o n t h i s ,a s p e c i fi c e n g i n e e ri n g t e s t i n g e x a mp l e for s t r e n g t h a n d t h e d e p t h o f c r a c k s o f c i r c u l a r r e i n f o r c e d c o n c r e t
7、e p o l e w a s g i v e n,a n d t h e r e s i d u a l s e r v i c e l i f e t i me wa s o b t a i n e d I t i s g r e a t s i g ni fic a n c e for s i mi l a r e ng i n e e ring i n c o n c r e t e q ua l i t y d e t e c t i o n,he a l t h p e r f o r ma n c e a s s e s s me n t a n d s e r v i c e
8、l i f e p r e d i c t i o n Ke y wo r d s: c i r c u l a r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p o l e;u l t r a s o n i c t e s t ;c r a c k d e p t h 2 0 0 8年和 2 0 1 2年 2次特大冰雪灾害袭击 了 湖南大部分地区 , 使得正在服役中的环形钢筋混凝 土电杆( 以下简称 电杆 ) 受到不同程度的损坏, 极 大地威胁 了湖南省电力系统的安全稳定运行 。 同时, 露天的工作环境 、 各种使用荷载的长期效应 、 疲劳效应和内力作用下 以
9、及随着使用年限的增长 , 服役中的钢筋混凝土电杆会出现不同程度的病害 , 严重影响了电杆的使用寿命。目前, 国内进行混凝 土强度和缺陷检测 的规范有超声 回弹综合法检测 混凝土强度技术规程 、 超声法检测混凝土缺陷技术 规程 J , 电杆 由于其截面 的特殊性 , 已有规范不 能直接应用于环形混凝土 电杆检测 。如何利用超 声波更准确地检测环形特殊截面构件 的裂缝深度 , 目前国内对这方面的研究极少。因此 , 本文结合现 场检 测 实 例 , 采 用 武 汉 岩 海 公 司生 产 的 R S S T 0 1 D非金属超声波测试仪对环形电杆 的强度和 缺陷检测进行探索性研究 , 对类似工程质量检
10、测 、 健康性能评估和耐久性寿命预测具有重要的意义。 收稿 日期: 2 0 1 2 0 2 2 1 基金项 目: 中南 大学研究生教育创新工程项 目( 2 0 1 0 s s x l 3 ) ; 中南大学米塔尔学生创新创业项 目 作者简介 : 赵望达( 1 9 6 5一), 男, 湖南双峰人 , 教授 , 博士生导师 , 从事消防 自动化 、 智能控制和土木工程 防灾减灾研究 第 3期 赵望达, 等 : 超声波检测环形钢筋混凝土电杆病害的研究 3 7 1 环形混凝土电杆 1 1 环形混凝土电杆的力学特性 湖南大部分地区变电站 、 中低压输送线路均应 用环形电杆。钢筋混凝土电杆由于其施工方便 、
11、 工 程造价低、 耐久性好、 维修成本低等优点, 广泛应用 于电力系统、 铁路系统和邮电系统。本文研究的环 形钢筋混凝土电杆外形为锥形 , 如图 1 所示。图 1 中: 为杆长; L 为荷载点高度; L 为支持点高 度 ; L 为稍端至荷载点距离 ; D为跟径 ; d为稍径 ; 为壁厚。 图 l 环形 混凝土电杆 Fi g 1 Ci r c u l a r r e i n f or c e d e o n e r e t e po l e 在实际的工程项 目中, 构件都必须满足强度 、 刚度 、 稳定性的要求 。环形混凝土变截面 电杆可将 其简化为轴线铅垂的悬臂梁 , 其所受荷载一般可简 化为
12、集中荷载和均布荷载 , 如 图2所示 。荷载下 的 弯矩如图 3所示 。 图 2电杆简化受力 图 F i g 2 T h e f o r c e d i a g r a m o f p o l e s 图 3 电杆弯矩 图 Fi g 3 T h e b e n d i n g mo me n t d i a g r a m o f p o l e s 由图 3可得 : 在外荷载作用下 , 沿杆 自上 向下 各截面的弯矩 越来越大 , 电杆底部所 受的弯矩最 大。由材料力学可知 : 等截面面积的空心 圆截面抗 弯截面模量大于实心圆截面的抗弯截面模量 , 电杆 横截面上离中性轴越远, 正应力越大,
13、 中性轴附近 的正应力较小, 电杆的空心截面正好把中性轴附近 的材料集 中到离 中性 轴较远 的地 方 , 充分 利用材 料 , 以提高其抗弯强度。电杆这种上细下粗 的变截 面形式 , 在满足承载力的前提下 , 节约材料 , 减小 自 身质量 , 降低了成本 。 1 2 环形混凝土电杆病害的原因分析 雪灾 、 冰灾等特大冰雪灾害中的突变效应造成 杆塔倒塌、 输电线路破坏的事故都有发生。混凝土 电杆的环向体积变形一般是干缩变形、 温度变形、 碳化变形 、 纵向荷载作用下的环向变形这 4种综合 作用下引起的 。 混凝 土的收缩变形使钢筋与混凝土的产生相 对位移 , 主筋在纵向荷载下的弯曲受到环筋的
14、限制 而产生的残余应力都可造成外 围混凝 土裂缝 的产 生 。 若养护方法不当, 会破坏混凝土的孔结构 ; 环 筋不足 , 会造成主筋 的过大变形 ; 未严格按施工工 艺进行施工 , 如混凝土浇筑过程中振捣不实或漏振 等会造成混凝土表面出现蜂窝 、 麻 面等缺陷 ; 进场 材料质量不佳 , 如骨料的级配、 混凝 土配合 比设计 不佳, 会容易造成混凝土的密实度降低, 浪费水泥 并降低水泥的和易性等 ; 由于模板安装不牢固 , 或 者模 板不干净 , 会造 成表面粗糙 、 不光 滑、 不严密 等 。 2 超声波检测环形混凝土 电杆病害 的基本原理 现场 采 用 的非 金 属 超 声 波 测试 仪
15、 为 R S S T 01D。 2 1 超声波检测环形混凝土电杆强度的基本原理 混凝土材料是粘弹塑性的复合体 , 目前还没有 一 种普通的数学模型 , 可以严密定量的描述混凝土 结构强度。超声波检测混凝土构件强度 的基本依 据是超声波在混凝土中的传播速度与混凝土本身 的弹性性质的密切关系_ 8 J 。 式中: 为纵波声速; E为弹性模量; P为密度 ; 为泊松比。 由式 ( 1 ) 可知 : 混凝土弹性模量越 高, 声速值 越大 。因此 , 在实际检测中, 根据测得的声速 , 便可 推断混凝土的强度 。 3 8 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 2 超声波检测混凝土电杆纵 向裂缝深度的基
16、本 原 理 超声波检测是混凝土结构裂缝深度检测的常 用方法 j , 超声波首波相位反转法和表面波 横波 的传播声时是检测混凝土裂缝深度 的新方法 , 主要 用于平面混凝土结构的检测 7 j 。钢筋混凝土电杆 表面是环形的, 用于平面构件的检测方法及相关计 算均不能直接应用于环形钢筋混凝土 电杆裂缝深 度的测定和计算。 当裂缝处无钢筋时, 如图 4 ( a ) 所示 , 发射换能 器 1置于 A点 , 接收换能器 2置于 B点 , 和 B 2点 位于裂缝同一侧 , 依次移动换能器 2使 2个换能器 之问的圆弧长 5 分别为 6 0 , 8 0, 1 0 0 , 1 2 0和 1 4 0 m m,
17、 并读取相应的声时 , 由几何关系可知 : ( a ) 不跨缝测量 ;( b ) 跨缝测量 图 4 环形混凝土 电杆纵向裂缝检 测示意图 Fi g 4 De t e c t i o n s c h e me o f l o n g i t u di n a l c r a c k s i n c i r c ul a r r e i n f o r c e d c o n c r e t e po l e s A B = 2 R s in ( ) ( 2 ) : 2 Rs i n ( ) A B 2 ( 3 ) 1 、 t t 式 中: s 为 2个换能器之问的圆弧长 ; A B为 2个换 能
18、器中心直线间距 ; 为视波速 ; R为环形混凝 土 电杆外径。 计算不同测距的视波速 的平均值 , 作为无裂 缝混凝土电杆的波速 。 如图4 ( b ) 所示 , 跨缝的声时测量, 换能器 1和 2分别置于以裂缝为轴心的对称两侧 。2个换能器 之间的圆弧长 s 与 2个换 能器位 于裂缝 同侧时一 样 , 当2个换能器的连线与裂缝的交点 E高于裂缝 尖端 c点时, 因波 的实际传播距离 A C B大于 2个 换能器的直线距离 A B, 故按式( 3 ) 计算得的视波 速 小于混凝土实际平均波速 ; 当2个换能器 的连 线正好与裂缝尖端相切时( 此时换能器 l 和 2分别 位于 和 日 点 )
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