裝配式建筑構(gòu)件缺陷檢測方法的研究與應用

羅小進（蘇州方正工程技術(shù)開發(fā)檢測有限公司，江蘇 蘇州 215100）

裝配式建筑是傳統(tǒng)建筑業(yè)實現(xiàn)綠色化、信息化、智能化和工業(yè)化的重要一環(huán)，具有施工周期短、建筑能耗低、環(huán)境污染小、節(jié)約勞動力等諸多優(yōu)點，成為目前建筑業(yè)發(fā)展的重要方向之一[1]。裝配式建筑在施工過程中，其整體性和可靠性主要依賴于各個預制構(gòu)件之間的有效連接。灌漿套筒由于具有高強度、可操作性強、施工方便等特點，在裝配式建筑中得到廣泛應用[2-4]。

灌漿套筒的具體施作方法是在待連接的2 個預制構(gòu)件中，分別預埋套筒和鋼筋，拼接時將鋼筋插入套筒并灌入高強灌漿料，通過灌漿料的硬化黏結(jié)作用，實現(xiàn)構(gòu)件之間的受力傳遞[5]。因此，裝配式建筑構(gòu)件連接節(jié)點之間的灌漿套筒施工質(zhì)量的控制成為研究的重點，基于無損檢測方法快熟、低成本地獲得結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量數(shù)據(jù)具有十分重要的工程實踐意義[6]。

本文以江蘇省蘇州市某高層民用建筑為研究對象，在介紹沖擊回波法無損檢測原理的基礎上，運用室內(nèi)試驗的方法制作了灌漿不密實灌漿套筒試件，研究沖擊波激振縱波的速度變化規(guī)律，分析缺陷的響應特征，并將研究成果運用于現(xiàn)場工程的質(zhì)量控制。

1 工程概況

江蘇省蘇州市某高層民用住宅項目由6棟32層裝配式建筑組成，建筑總面積約189500m2，建筑裝配率為75%，屬于超高裝配率混凝土框架結(jié)構(gòu)，設1層地下室，地下室采用現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)。建筑裝配式構(gòu)件包括預制疊合板、預制剪力墻、預制空調(diào)板、預制柱體等10 余種構(gòu)件，預制構(gòu)件在工程制作完成后運輸至現(xiàn)場吊裝拼接，標準層預制構(gòu)件數(shù)量達到190 塊，各個預制構(gòu)件的連接方式為灌漿套筒連接。

2 基于沖擊回波法的裝配式建筑構(gòu)件缺陷無損檢測

裝配式建筑的各個構(gòu)件均是在工廠預制完成，構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量可控，但是構(gòu)件在施工現(xiàn)場拼接成整體時，主要通過節(jié)點的灌漿套筒連接實現(xiàn)。因此，構(gòu)件灌漿套筒的施工質(zhì)量缺陷是裝配式建筑工程質(zhì)量控制的關(guān)鍵[7-8]。基于沖擊回波對節(jié)點缺陷的無損檢測原理，主要是利用了彈性波在混凝土中傳播時，若遇到波阻抗不一致的缺陷時，會發(fā)生反射，反射波信號中的頻率、振幅、相位、速度等信息反映了缺陷的大小、位置、深度等參數(shù)，這些參數(shù)可以通過將采集的反射波進行頻譜處理得到。

在沖擊回波法測試時，通過小錘在混凝土表面激發(fā)彈性波，彈性波在三維空間中的擴散波動控制方程如公式（1）所示[9]。

式中▽為拉布拉斯算子；△為偏微分算子；λ為拉梅常數(shù)，λ=Eμ/(-2μ2-μ+ 1)；E為彈性模量；μ為泊松比，G 為剪切彈性模量，G=E/(μ+ 2)；υ、m、n分別為彈性波在x方向、y方向、z方向上的位移。

在無邊界條件約束下，求解公式（1），可以得到波動方程的解，即縱波速度vP、橫波速度vS和瑞利面波速度vR，如公式（2）～公式（4）所示[10-11]。

混凝土表面在受到小錘的沖擊激振時，其質(zhì)點開始發(fā)生變形，帶動周圍的質(zhì)點發(fā)生周期振動，形成擴展波，按照球體的自由下落原理，可以計算得到小錘與混凝土構(gòu)件的接觸時間，如公式（5）所示。

式中tc為小錘與混凝土構(gòu)件的接觸時間；D為小錘的直徑h為小錘下落的高度；μb為小錘的泊松比；Eb為小錘的彈性模量；μc為混凝土的泊松比；Ec為混凝土的彈性模量。

當沖擊波激發(fā)的縱波遇到混凝土構(gòu)件缺陷時，由于密實混凝土與空氣之間的波阻抗存在顯著差異，縱波會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，其傳播路徑是結(jié)構(gòu)厚度的2倍，由此可以計算縱波的傳播頻率如公式（6）所示。

式中f為反射縱波的頻率；k為截面系數(shù)，一般取0.96；t為傳播時間。

基于沖擊回波法的裝配式建筑構(gòu)件缺陷無損檢測具體方法和步驟如圖1所示。在待測灌漿套筒節(jié)點位置布置不少于3 個測點，由下至上測試，測點之間的間距為20mm～50mm，1 個測點為小錘激振點，1 個為接收傳感器點，每個測點激振2次，采集數(shù)據(jù)完成后，安裝傳感器的位置為下一個測點的小錘激振點的位置，傳感器向上挪動20mm～50mm，依次測試直至測試范圍覆蓋節(jié)點灌漿套筒的全長。

圖1 沖擊回波法測試的激振點及傳感器安裝示意

3 裝配式建筑構(gòu)件缺陷室內(nèi)物理模型試驗

3.1 室內(nèi)物理模型試驗的制作及試驗方法

為了更好地認識沖擊激振產(chǎn)生的彈性波在灌漿套筒中的傳播規(guī)律，在室內(nèi)試驗中制作了4種不同類型的灌漿套筒物理模型進行沖擊波采集。灌漿套筒模型的灌漿飽和度分別為工況I 型（飽和度40%）、工況II 型（飽和度60%）、工況III 型（飽和度80%）和工況IV 型（飽和度100%），如圖2所示。

圖2 不同飽和度的灌漿套筒測試試件

沖擊回波試驗測試時，數(shù)據(jù)采集設備為SPC-MATS預應力混凝土多功能檢測儀，可以一次采集40000 點，頻率為500kHz，波形噪聲可以采用BPF處理或EMD處理，主機可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速法傅里葉變換（FFT）和最大熵法（MEM）功能；沖擊波發(fā)射器為重量1kg 的圓形鐵錘；加速度傳感器為壓電陶瓷傳感器，可將接收的彈性波反射信號轉(zhuǎn)化為電信號。

試驗用的灌漿套筒為河北衡水安達機械設備有限公司生產(chǎn)的全灌漿套筒，內(nèi)直徑為36mm，外直徑為48mm，全長為200mm；灌漿料為湖北武漢洋洋建材有限公司生產(chǎn)的高強無收縮標準型水泥基灌漿料，1d 抗壓強度為36MPa，3d 抗壓強度達到70MPa，28d 抗壓強度達到90MPa；鋼筋為湖北省中國寶武武鋼集團有限公司生產(chǎn)的HRB400鋼筋。在模型灌漿時，為了控制灌漿飽和度，在灌漿套筒的不同位置設置了不同出漿口，當漿液到達出漿口位置時，停止灌漿，封堵出漿口即可，如圖3所示。

圖3 不同飽和度的裝配式建筑灌漿套筒試驗控制模型

3.2 室內(nèi)物理模型試驗的結(jié)果分析

經(jīng)過MEM頻譜分析，得到不同飽和度裝配式建筑灌漿套筒模型的反射縱波速度二位等值曲線，如圖4所示。從圖4中可以看出，所有時間都進行了21 個測點的波速測試，其中工況I型中，等效波速為3738m/s，有8點在等值線上下波動，其余均波動較小，可以得到灌漿套筒的密實度為8/21=38.1%；類似地，可以得到工況II型的等效波速為3883m/s，灌漿套筒的密實度為13/21=61.9%，工況III型的等效波速為3776m/s，灌漿套筒的密實度為17/21=80.9%，工況IV型的等效波速為3079m/s，灌漿套筒的密實度為21/21=100%，試驗結(jié)果均與模型設置飽和度一致，由此表明，基于沖擊回波法可以精確地測試裝配式建筑構(gòu)件的缺陷，沖擊回波法在現(xiàn)場實際中的應用具有可行性。

圖4 不同飽和度裝配式建筑灌漿套筒模型的反射縱波速度曲線

4 沖擊回波法在裝配式建筑構(gòu)件缺陷現(xiàn)場質(zhì)量控制中的應用效果

基于室內(nèi)試驗的物理模型觀測結(jié)果的認識，運用沖擊回波法對依托工程的500 個裝配式建筑構(gòu)件進行無損檢測，結(jié)果如表1 所示。從表1 中可以看出，實際工程檢測得到灌漿等級為優(yōu)秀的構(gòu)件比例達到78%，良好等級的構(gòu)件比例16%，中等等級的構(gòu)件比例5%，差等級的構(gòu)件比例1%。為驗證監(jiān)測準確性，對典型灌漿缺陷的構(gòu)件進行取樣觀察，如圖5所示。從圖5中可以看出，沖擊回波法檢測得到灌漿飽和度70%的構(gòu)件，經(jīng)過取樣破除后，檢測結(jié)果與實際一致，進一步確定沖擊波法在裝配式建筑結(jié)構(gòu)無損檢測中的可行性，且該方法具有施工效率快、監(jiān)測成本低的優(yōu)點，在裝配式建筑結(jié)構(gòu)無損檢測中具有廣泛應用前景。

表1 基于沖擊回波法的裝配式建筑構(gòu)構(gòu)件無損檢測結(jié)果

圖5 實際工程中飽和度70%的灌漿套筒試件剖開圖

5 結(jié)語

以江蘇省蘇州市某高層民用建筑為研究對象，在介紹沖擊回波法無損檢測原理的基礎上，運用室內(nèi)試驗的方法制作了灌漿不密實灌漿套筒試件，研究沖擊波激振縱波的速度變化規(guī)律，分析缺陷的響應特征，并將研究成果運用于現(xiàn)場工程的質(zhì)量控制，得到以下結(jié)論：

（1）沖擊回波法檢測裝配式建筑構(gòu)件缺陷的原理是利用了缺陷與完整混凝土之間的波阻抗差異，沖擊波激振產(chǎn)生的縱波在遇到構(gòu)件缺陷時，發(fā)生彈性波反射，其振幅、頻率和相位等均會發(fā)生改變。

（2）基于物理模型試驗結(jié)果表明，不同飽和度（缺陷）的裝配式建筑灌漿套筒模型的反射縱波速度二位等值曲線可以精確計算得到灌漿的密實度，沖擊回波法在現(xiàn)場實際中的應用具有可行性。

（3）實際工程檢測得到灌漿等級為優(yōu)秀的構(gòu)件比例達到78%，良好等級的構(gòu)件比例16%，中等等級的構(gòu)件比例5%，差等級的構(gòu)件比例1%。經(jīng)過取樣破除后表明，檢測結(jié)果與實際一致。