格桑澤仁

(西藏自治區(qū)交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督局， 拉薩850001)

基于誘導(dǎo)振動的鋼管混凝土脫空無損檢測技術(shù)的研究及應(yīng)用

格桑澤仁

(西藏自治區(qū)交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督局， 拉薩850001)

由于鋼管混凝土具有強(qiáng)度高、耐疲勞等特點(diǎn)，在橋梁工程中得到了廣泛應(yīng)用。鋼管混凝土在施工或運(yùn)行過程中，因混凝土材料配比、環(huán)境等多方面因素影響，導(dǎo)致鋼管混凝土脫空現(xiàn)象普遍存在。通過對比現(xiàn)有鋼管混凝土脫空檢測方法，在敲擊法的基礎(chǔ)上提出了基于誘導(dǎo)振動法的鋼管混凝土脫空檢測技術(shù)。并深入分析敲擊力度等方面對該方法的影響，同時(shí)利用該方法對鋼管混凝土橋梁進(jìn)行現(xiàn)場測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行破損驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果與測試結(jié)果吻合度高。通過現(xiàn)場對該方法進(jìn)行工程檢測應(yīng)用，說明該方法能夠準(zhǔn)確測試鋼管混凝土的脫空。為鋼管混凝土脫空提供新的可靠測試方法，為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的補(bǔ)修加固方案提供可靠依據(jù)。

誘導(dǎo)振動法；鋼管混凝土；脫空；無損檢測

引言

眾所周知，混凝土具有很好的抗壓性能，但抗彎特性很低，而鋼材具有很強(qiáng)的抗彎性能，在受壓時(shí)，鋼材很容易失穩(wěn)[1-2]。鋼管混凝土則結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)，鋼管的存在，提供的圍壓可使混凝土處于側(cè)向受壓狀態(tài)，使得鋼管混凝土的抗壓承載力優(yōu)于普通混凝土，而混凝土的存在可提高鋼管的剛度。因此，核心混凝土處于多向受壓，使兩種材料的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮，使混凝土的抗彎性能大為改善，可以避免或延緩鋼管發(fā)生部分屈曲，從而使鋼管混凝土具有高強(qiáng)度、重量小、延性強(qiáng)、耐疲勞、耐沖擊等力學(xué)性能和省工省料、架設(shè)輕便、施工快捷等特點(diǎn)，使鋼管混凝土技術(shù)在橋梁工程中得到大量應(yīng)用。

據(jù)相關(guān)資料[3]，鋼管混凝土拱橋的脫空(脫粘)現(xiàn)象普遍存在。根據(jù)脫空產(chǎn)生的原因，可以分為以下兩類：

(1)核心混凝土不密實(shí)引起的脫空：主要為在澆筑過程中缺陷引起混凝土和鋼管界面的孔洞、水膜層造成。

(2)脫粘引起的脫空：在軸壓、溫度、收縮、徐變等因素作用下，核心混凝土與鋼管接觸面間產(chǎn)生的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力超出兩者的粘結(jié)強(qiáng)度而產(chǎn)生的脫空[4-5]。例如，鋼管混凝土拱橋直接與陽光作用。夏季，鋼管表面溫度可達(dá)80 ℃，而內(nèi)部核心混凝土一般為50 ℃。鋼管混凝土拱橋歷經(jīng)多年，核心混凝土經(jīng)過長期的收縮、徐變完成(相當(dāng)于溫降20 ℃)。這兩種情況共同作用[6]，相當(dāng)發(fā)生約70 ℃溫差，在大直徑鋼管中很容易導(dǎo)致鋼管和核心混凝土脫空(即鋼管與核心混凝土分離)，特別是在拱頂部位。

當(dāng)出現(xiàn)該情況后，使整個(gè)鋼管混凝土的受力情況發(fā)生重大變化。造成混凝土的圍壓降低，嚴(yán)重情況下，可導(dǎo)致鋼管本身發(fā)生座屈的可能，進(jìn)而大幅降低鋼管混凝土的承載力[7-8]。

及時(shí)明確鋼管混凝土脫空位置及區(qū)域，并進(jìn)行相應(yīng)處理，對其進(jìn)行有效檢測是必不可少的。目前，根據(jù)我國的相關(guān)規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)，已對鋼管混凝土的內(nèi)部質(zhì)量檢測給出了相應(yīng)的檢測方法。

1 現(xiàn)有檢測方法對比

經(jīng)過對現(xiàn)有方法的歸納，主要檢測方法包括鉆芯法、敲擊法、超聲波檢測法、沖擊回波法[9-11]，其主要特點(diǎn)見表1 。

表1 各測試方法統(tǒng)計(jì)一覽表

通過各檢測方法的對比，可以發(fā)現(xiàn)這些方法雖然都有相應(yīng)的適用范圍，但是其缺點(diǎn)也相對明顯。需要對現(xiàn)有方法進(jìn)行改進(jìn)或提出新的方法。其中，檢測方法中的敲擊法，其根本是通過敲擊被測對象，通過聲音來確定缺陷位置。該方法在進(jìn)行測試時(shí)，對環(huán)境噪聲的要求高，且存在較強(qiáng)的隨機(jī)性。研究者在此基礎(chǔ)上，提出了基于卓越周期及持續(xù)時(shí)間的鋼管混凝土脫空的無損檢測方法：誘導(dǎo)振動法。

2 誘導(dǎo)振動法基本原理

當(dāng)鋼管混凝土產(chǎn)生脫空時(shí)，敲擊鋼管時(shí)振動特性會發(fā)生鋼管的彎曲剛度顯著降低，卓越周期增長；振動能量的逸散變緩，振動的持續(xù)時(shí)間變長(圖1 )[12-13]。

圖1 誘導(dǎo)振動法原理

3 影響因素分析

利用激振錘對結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振時(shí)，需要注意振動信號卓越周期的影響因素?？赡艿挠绊懸蛩匕ǎ簜鞲衅鞯墓潭ǚ绞?、敲擊力度等。其中為了避免傳感器固定方式對卓越頻率的影響，傳感器可采用專用統(tǒng)一固定方式進(jìn)行拾振。對激振錘敲擊力度的影響，進(jìn)行如下模擬試驗(yàn)進(jìn)行分析。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了避開測試對象的塑性變形對卓越周期的影響，測試對象采用厚度約20 mm的鋼材，傳感器探頭的固定方式采用磁性固定的方式(傳感器探頭的位置不變)，同時(shí)采用不同的敲擊力度對相同位置激振。測試結(jié)果見表2 。

表2 測試數(shù)據(jù)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過試驗(yàn)可知，當(dāng)被測對象內(nèi)部情況相同時(shí)，不同的敲擊力度對測試信號的卓越周期沒有影響，說明激振錘的敲擊力度對基于卓越周期的鋼管混凝土脫空的檢測方法沒有影響。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

4.1 工程概述

測試對象橋梁為獨(dú)拱肋鋼管混凝土拱梁組合橋，橋長97.2 m，寬24 m。主拱肋高140 cm，寬310 cm，左右鋼管外徑均為140 cm，壁厚為25 mm(圖2 )。

圖2 某鋼管混凝土橋梁

根據(jù)現(xiàn)場的情況，對結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)部位進(jìn)行布點(diǎn)測試，測點(diǎn)布置方案如圖3 所示。為了提高測試效率及測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場測試時(shí)，傳感器的固定采用磁性吸附方式。

圖3 測點(diǎn)布置

4.2測試結(jié)果

測試發(fā)現(xiàn)該橋某區(qū)域存在大面積脫空(圖4 )。施工單位隨即對測試結(jié)果顯示脫空位置處進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。因脫空深度為幾毫米，通過肉眼無法精確判斷，因此對鉆孔區(qū)域進(jìn)行注水驗(yàn)證。由于注入的水迅速滲入，表明該區(qū)域存在大面積脫空，從而驗(yàn)證了檢測結(jié)果。

圖4 測試結(jié)果圖

4.3試驗(yàn)結(jié)果分析

通過在現(xiàn)場利用誘導(dǎo)振動法對在役鋼管混凝土橋梁進(jìn)行脫空檢測，并對脫空位置進(jìn)行破損驗(yàn)證，測試結(jié)果與開孔的結(jié)果一致性較高。

對測試數(shù)據(jù)采用相對分析評判方法，即采用了超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程中異常數(shù)據(jù)的處理方法[14]，當(dāng)測試區(qū)域內(nèi)同時(shí)包括脫空與密實(shí)的狀態(tài)時(shí)有較好的測試精度，而測試區(qū)域內(nèi)存在大面積或全部脫空的情況時(shí)，則存在較大的測試偏差。

因此，在實(shí)際測試鋼結(jié)構(gòu)脫空的過程中，準(zhǔn)確設(shè)置脫空閾值將直接影響脫空的測試精度。

5 結(jié)束語

通過對鋼管混凝土橋梁脫空現(xiàn)有測試方法的對比，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有方法對鋼管混凝土脫空檢測均存在一定程度的不足。本文在敲擊法的基礎(chǔ)上，采用高精度的傳感器及信號采集裝置，提出了針對鋼管混凝土脫空測試的新方法(誘導(dǎo)振動法)，并深入了分析該方法的相關(guān)影響因素。同時(shí)進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究。

在室內(nèi)對彈性結(jié)構(gòu)(鋼板)進(jìn)行測試，得到脫空特征參數(shù)(卓越周期)與敲擊力度大小基本無關(guān)。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)脫空等缺陷時(shí)，卓越周期會隨著脫空的嚴(yán)重程度不同而變化。通過現(xiàn)場實(shí)測，利用誘導(dǎo)振動法對鋼管混凝土橋梁的脫空進(jìn)行檢測，并對檢測結(jié)果進(jìn)行破損驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法能夠準(zhǔn)確的測試出鋼管混凝土的脫空位置及區(qū)域，為了更準(zhǔn)確的測試鋼管混凝土的脫空，需要準(zhǔn)確的設(shè)置脫空閾值。

誘導(dǎo)振動法是的是鋼管混凝土脫空檢測的新的有效測試方法，為鋼管混凝土的補(bǔ)修加固方案提供可靠的依據(jù)。

[1]蔡紹懷.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu).北京:交通出版社,2007.

[2]鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu).3版.北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[3]張永亮,焦楚杰,張亞芳,等.鋼管混凝土脫空問題的研究進(jìn)展.鋼結(jié)構(gòu),2013,28(3):20-22.

[4]鐘善桐.鋼管混凝土中鋼管與混凝土的共同工作.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2001,32(1):6-10.

[5]ROEDER C W,CAMERON B,BROWN C B,et a1.Composite Actionin Concrete Filled Tubes.Journal of Structure Engineering,ASCE.1999.125(5):477-484.

[6]吳德明,王福敏,殷祥林.基于溫度影響的鋼管混凝土脫空機(jī)理分析.重慶交通大學(xué)報(bào),2009,28(2):190-194.

[7]葉躍忠.混凝土脫粘對鋼管混凝土中.低長柱性能的影響.鐵道建筑,2001(2):2-4.

[8]饒德軍,張玉紅,王忠建.鋼管混凝土拱肋泵送混凝土脫空成因分析與試驗(yàn)觀察.鐵道建,2005(3):14-l6.

[9]楊勁.鋼管混凝土脫空無損檢測技術(shù)研究綜述.中外公路,2012,32(5):189-191.

[10]韓西.基于聲振法voiding的鋼管混凝土脫空檢測技術(shù)試驗(yàn)研究.公路工程,2012,37(1):108-110.

[11]高遠(yuǎn)富.鋼管混凝土疊合柱彈性波CT空洞與脫空缺陷檢測分析.物探化探計(jì)算技術(shù),2015,30(3):89-95.

[12]吳佳曄.土木工程檢測與測試.北京:高等教育出版社,2015.

[13]郝挺宇,吳志剛,吳佳曄.沖擊彈性波法在現(xiàn)場檢測混凝土剝離缺陷中的應(yīng)用.施工技術(shù),2013,42(4):49-51.

[14]CECS21:2000,超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程.

Research and Application on the NDT Technology for Concrete Vibro-vacancy Based on Induced Vibration

GESANGZeren

(Tibet Autonomous Region Traffic Engineering Quality and Safety Supervision Bureau, Lhasa 850001, China)

Due to its high strength and fatigue resistance, concrete-filled steel tube has been widely used in bridge engineering. However, void phenomenon of concrete-filled steel tube (CFST) is common in the process of construction or operation because of the ratio of concrete material and environment, and so on. In this paper, based on the knocking method, the hollow concrete filled steel tube (CFST) hollow steel tube based on induced vibration method is proposed. And the influence of the striking force on the method is analyzed. At the same time, this method is used to test the concrete-filled steel tubular bridge in the field, and the test results are verified by the damage test. The results agree well with the test results. It is proved that the method can accurately test the voids of concrete filled steel tube by the engineering application of the method in the field which provides a new reliable test method for concrete-filled steel tube (CFST) voids and provides a reliable basis for the repair and reinforcement of concrete-filled steel tubular structures.

induced vibration method; concrete filled steel tube; voiding; nondestructive testing

2016-10-09

格桑澤仁(1984-)，男，四川巴塘人，主要從事公路、橋梁、隧道檢測方面的研究，(E-mail)158278405@qq.com

1673-1549(2017)01-0075-04

10.11863/j.suse.2017.01.14

TU132

A