超聲波在巨型鋼管混凝土密實性檢測中的應用

許 明 耀

(武漢大學土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072)

?

超聲波在巨型鋼管混凝土密實性檢測中的應用

許 明 耀

(武漢大學土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072)

介紹了超聲波檢測巨型鋼管混凝土密實性的原理，歸納了平面檢測、預埋聲測管檢測、混合檢測三種常規檢測方法，結合工程實例，綜合運用三種檢測方法，實現了對巨型鋼管混凝土密實性的檢測，可供類似工程參考使用。

超聲波，巨型鋼管混凝土，密實性，檢測方法

0 引言

目前，巨型鋼管混凝土柱廣泛應用于高層或超高層建筑中，深圳賽格廣場、武漢中心大廈及天津高銀117大廈等超高層建筑均有應用。隨著巨型鋼管混凝土結構在工程中應用的日益增多，鋼管內混凝土的質量問題已逐漸成為施工質量的關鍵指標。由于其截面尺寸大、內部構造復雜、施工困難等特點，即使澆筑高性能膨脹混凝土，也會出現孔洞、脫空等缺陷，造成工程質量下降。近些年來，超聲波檢測是一項發展迅速的實用技術，其通過發射周期性超聲脈沖波，經過結構內部傳播與接收，對其聲學參數的檢測與分析來判斷結構內部密實性。超聲波檢測技術操作簡單且對結構無損傷，因而使之成為巨型鋼管混凝土密實性檢測的主要方法之一。

本文對超聲波檢測巨型鋼管混凝土密實性的原理、檢測方法以及注意事項作了相關介紹，并結合工程實例，綜合運用幾種檢測方法，實現了對巨型鋼管混凝土密實性的檢測。

1 超聲波檢測巨型鋼管混凝土原理

超聲波檢測是指超聲波發射換能器在巨型鋼管柱外壁的一側發出周期性脈沖波，經過鋼管壁、混凝土等傳播后，由接收換能器所接收，最后由儀器顯示聲波信號[1]。

在傳播途中如遇到缺陷時，將導致聲學參數(波形、波速、波幅)異常，通過對超聲脈沖波在混凝土中聲學參數的檢測與分析，判斷鋼管內混凝土的缺陷情況。

當鋼管與混凝土粘結良好且混凝土均勻密實時，其傳播聲速是在固定的范圍內保持不變的，而當鋼管內存在缺陷時，會導致超聲波傳播時間增大，傳播速度相應減小。

一般來說，超聲波在密實性良好的鋼管混凝土中傳播聲速在4.1 km/s～4.8 km/s范圍內，而鋼管內出現缺陷時聲速會有所改變，當裂縫寬約0 mm～0.2 mm時，異常聲速3.5 km/s～4.1 km/s，當裂縫寬約為0.2 mm～0.4 mm時，異常聲速為2.7 km/s～3.5 km/s。總之，鋼管內混凝土缺陷越大，異常聲速會越小。

超聲波檢測巨型鋼管混凝土密實性時主要以聲速作為判別標準，并結合幅值、頻率和波形等綜合特性來實現對巨型鋼管混凝土缺陷的判斷。

2 超聲波檢測方法

在實際工程中，根據鋼管混凝土柱的尺寸大小、結構構造、環境狀況、檢測表面以及可能出現缺陷等情況選用不同的檢測方法。參考已有研究成果[2-4]和工程實踐，目前國內常采用平面檢測法、預埋聲測管檢測法和混合檢測法三種超聲波檢測鋼管混凝土缺陷方法，依據不同的方法選用不同的超聲波測試儀器。現階段工程中常采用非金屬超聲波檢測儀以及平面換能器和徑向換能器等附屬配件，如圖1所示。

2.1 平面檢測法

平面檢測法一般包括徑向對測法和軸向斜測法兩種，其主要檢測尺寸相對較小、掛壁較薄的鋼管柱內孔洞、脫空等缺陷。檢測儀器需要一臺非金屬超聲波檢測儀及一對平面換能器進行檢測。

2.1.1 徑向對測法

徑向對測法是指發射和接收換能器耦合于鋼管柱表面兩側，透射路線穿過鋼管柱的中軸線，并與其垂直，如圖2a)所示。其具體過程如下：

1)在檢測時首先在鋼管混凝土同一水平環線上將一對發射換能器和接收換能器用黃油與鋼管外壁進行耦合，且需使發射和接收換能器的連線通過鋼管截面的圓心。

2)在同一水平環線上變換發射和接收換能器的位置進行逐一檢測。其環線間距可根據鋼管混凝土直徑大小及其在結構中所處的位置確定。

3)在檢測過程中如發現某些測點聲時偏長或波幅明顯偏低，應檢查發射和接收換能器與鋼管外壁表面的耦合是否良好,同時還應敲擊發射和接收換能器耦合處是否存在空鼓聲,以便排除耦合不良和混凝土與鋼管壁脫空的干擾。

2.1.2 軸向斜測法

軸向斜測法是指發射和接收換能器耦合于鋼管柱表面兩側,透射路線穿過鋼管柱中軸線，但其不與柱軸線垂直，如圖 2b)所示，其具體過程與對測法一致。

2.2 預埋聲測管檢測法

預埋聲測管法包括管中對測法和管中斜測法，其主要檢測鋼管內部混凝土的孔洞等缺陷,檢測儀器需要一臺非金屬超聲檢測儀以及一對徑向換能器進行檢測。

2.2.1 預埋管中對測法

預埋管中對測法是指將發射和接收徑向換能器置于預埋的聲測管中的同一高度進行檢測，如圖3a)所示，其具體過程如下：

1)將一對發射和接收換能器置于預埋聲測管內，并用水進行耦合，開啟超聲波儀器，調制相關參數，并保持儀器處于無干擾的環境中；

2)將發射和接收換能器置于同一高度，進行聲速、波幅及頻率數據采集；

3)發射和接收換能器應同步升降，從聲測管底部到上端進行逐一檢測，每個測點應保持合理的間距，以免出現異常情況。

2.2.2 預埋管中斜測法

預埋管中斜測法是指將發射和接收換能器置于被測鋼管的預埋聲測管中,但兩個換能器不能處于相同高度而是需要保持一定高程差進行檢測,如圖3b)所示，其具體過程與對測法一致。

2.3 混合檢測法

混合檢測法也包括對測法和斜測法兩種，指將一個徑向換能器置于預埋聲測管中,另一個平面換能器耦合于鋼管外壁，其主要檢測聲測管與鋼管壁之間混凝土的密實性。其中對測法需要兩種換能器保持在同一水平線上,斜測法使兩種不同的換能器處于不同的高度，如圖4所示。

3 工程實例

本文綜合運用上述三種超聲波檢測方法對武漢某超高層建筑中巨型鋼管混凝土柱的密實性進行了檢測。工程中巨型鋼管柱的直徑為2 m～3 m，在鋼管柱內設有圓形鋼筋籠，圖5為工程中巨型鋼管混凝土柱的截面圖，柱中澆筑為C60自密實混凝土。

為滿足工程中超聲波檢測的需要，在澆筑混凝土前，預先在巨型鋼管柱內的圓形鋼筋籠上綁扎三個均勻分布的聲測管。巨型鋼管柱內混凝土澆筑完成，且混凝土產生充分的收縮與徐變后密實性檢測開始進行。鋼筋籠內的區域密實性采用預埋聲測管法進行檢測，鋼管與鋼筋籠間的區域密實性采用混合法進行檢測。

在檢測過程中，將置于預埋聲測管中的徑向換能器用水進行耦合，置于鋼管外壁的平面換能器涂黃油進行耦合。發射與接收換能器由鋼管柱底同時往上依次進行檢測，上下相鄰測點的距離為250 mm。

表1列舉了工程中兩根巨型鋼管混凝土柱的檢測結果，并依據超聲波檢測原理對其密實性進行了分析判斷。

從判斷結果可以得到，巨型鋼管柱中大部分區域的密實性處于良好狀態，只有少數區域存在異常現象，但該區域的截面平均聲速在大于3.5 km/s的范圍內，表明鋼管柱內并沒有出現較大的脫空、孔洞等缺陷，基本滿足工程質量要求。

表1 超聲波檢測結果

4 結語

巨型鋼管混凝土柱具有截面尺寸大、管壁厚、內部構造復雜、施工困難等特點，僅采用單一檢測方法難以確定巨型鋼管混凝土柱中缺陷的具體位置。

因此，將平面檢測法、預埋管檢測法和混合檢測法相結合，綜合應用于實際工程中，發揮各自的優點，彌補其不足，更好地實現對巨型鋼管混凝土的密實性檢測。

[1] 曾運平,敖 衛,薛 帆.超高層建筑矩形鋼管混凝土柱超聲波檢測技術[J].施工技術,2011,40(22):76-78.

[2] 檀永杰,徐 波,吳智敏，等.基于超聲對測法的鋼管混凝土脫空檢測試驗[J].建筑科學與工程學報,2012,29(2):102-110.

[3] 熊 銳.鋼管混凝土界面狀態試驗研究與分析[D].武漢：武漢理工大學,2013.

[4] 王 飛.超聲法在大體積復雜鋼管混凝土缺陷檢測中的應用研究[D].天津：天津大學,2014.

Application of ultrasonic wave in compactness detection of giant steel tube concrete

Xu Mingyao

(School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

The theory of ultrasonic wave in compactness detection of giant steel tube concrete was introduced. It summarizes three common detection methods including plane detection, pre-embedded sonic-testing tube detection and composite detection. Combined with the engineering project, the integrated detection methods can be realized for giant steel tube concrete compactness detection and can provide a reference for similar projects.

ultrasonic wave, giant steel tube concrete, compactness, detection method

1009-6825(2016)12-0211-03

2016-02-17

許明耀(1988- )，男，在讀碩士

TU755.7

A