大截面钢管混凝土柱界面性能与混凝土的质量检测方法

中建五局第三建设有限公司 长沙 410004

1 项目概况

长沙保利国际中心（B3栋）为保利国际广场中的超甲级写字楼，它耸立于长沙市南湖路与湘江大道交汇处，与橘子洲头毛主席雕像正对。该工程的建筑物主体结构设计使用年限为50年。塔楼±0.00 m（绝对标高40.60 m）以上采用混合框架-钢筋混凝土核心筒-伸臂体系，其中梁以H型钢梁为主，柱由方钢管混凝土为主，角部为8 个圆钢管混凝土柱，核心筒区域外楼面采用钢筋桁架楼承板组合楼板；±0.00 m以下采用混合框架-钢筋混凝土核心筒结构体系，其中梁为混凝土梁，柱变成型钢混凝土柱（其中方钢管混凝土柱变成十字形截面柱，圆钢管混凝土柱变成圆钢管混凝土组合柱）。楼板均为混凝土楼板。剪力墙和柱在+88.95 m以下采用C60混凝土，+88.95～+173.55 m以下采用C50混凝土，+173.55 m以上采用C40混凝土浇筑。

2 检测方法选择[1-5]

2.1 基于压电应力波测量的检测方法

本工程的检测过程采用32 通道比利时进口LMS-SCM05振动测试分析集成系统。该系统自带信号发生功能，可以产生高频激励信号，并且各通道间完全独立高频采样。该系统可以产生简谐信号、扫频信号、随机信号以及触发信号等各类信号，可用于直接驱动压电功能块，在混凝土内部产生应力波。同时，该系统具有高效、稳定的采样能力，其最大采样频率可达100 kHz，而且该系统配备有功能强大的数据分析系统，其LMS Test.Lab Time Recording Addin模块具有时间历程记录功能，并与特征数据采集、阶次跟踪分析、谱采集或实时倍频程保持同步。记录的时间数据可利用Test.Lab特征数据通程处理模块作进一步的后处理。该系统集发射信号、采集信号以及后处理分析信号于一身，极大地满足了本次检测的需要。

2.2 基于压电机电耦合阻抗测量的检测方法

在机电耦合阻抗法中，通过测量粘贴于钢管外壁的压电智能材料与钢管壁所构成的机电耦合系统的机电阻抗来评估界面性能，其测量原理见图1。运用机电阻抗测量法对此带模拟界面剥离的钢管混凝土构件的剥离状况进行检测。实验结果表明，基于机电阻抗测量可以很好识别出钢管混凝土构件中无法观测到的界面剥离损伤。根据试验构件的性能选取相应频段，分别测量了界面损伤发生前后的阻抗值，通过比较阻抗峰值的偏移和峰值对应频率的变化，有效地识别结构的损伤。基于阻抗的方法能够有效地反映局部损伤，由于其测量频率较高，因此对初始微小损伤比较敏感。

此方法主要针对钢管混凝土柱的柱身在易于出现混凝土缺陷和界面缺陷的部位进行抽样检测，重点关注关键部位混凝土浇筑质量、横向加劲板以下范围钢管壁与核心混凝土的界面粘结状态。

图1 基于压电陶瓷的机电阻抗测量原理

3 钢管混凝土构件检测

利用两种检测方法对浇筑后的钢管混凝土柱中最易于发生核心混凝土缺陷以及核心混凝土与钢管内壁和横隔板下表面界面缺陷的部位进行检测，重点关注横隔板下部位内部核心混凝土完整性、核心混凝土与钢管内壁的界面粘结状态。

对于基于应力波的检测，采用一发一收以及一发多收的方式进行。通过对应力波传递距离相等的一组传感器的输出信号的分析来对核心混凝土的完整性以及界面状态进行评价。

对于压电耦合阻抗法，采用对粘贴在钢管外壁的压电陶瓷片或者嵌入式压电功能块的机电耦合阻抗测量对界面粘结性能进行检测与评价。

3.1 检测对象以及测点布置

为了实现以上检测目的，采用应力波法和压电耦合阻抗法两种方法相结合的方法，将在±0.00 m以上塔楼B3栋周边的每层24 根Q345B钢管混凝土柱中的选择关键截面进行抽样检测，采用技术压电功能块、压电传感器（PZT）进行。

±0.00 m以上高235.5 m，共50 层，钢柱采用自密实混凝土分段浇筑，其中1～10层每2 层钢管整体吊装并浇筑一次混凝土，10层以上每3 层钢管整体吊装并浇筑一次混凝土。24 根钢管柱中16 根为方钢管混凝土柱，8 根为圆钢管混凝土柱。横截面及立面如图2、图3所示。

选取矩形截面柱和圆形截面柱与型钢梁的连接节点处最容易出现缺陷的部位，即3 层横隔板中的最上层以下的部位进行检测。总抽检构件数为总吊装节段数的30％。

在上层横隔板下表面安装压电功能块，在钢管外壁粘贴压电片。结合应力波法和机电耦合阻抗法进行检测与分析。

3.1.1 方形截面钢管混凝土柱

（a）嵌入式与表面粘贴相结合。在上层横隔板下表面上每边布置3 个压电功能元，其中1 个位于每边的中间位置，其中PZT的方向为竖直且垂直于该钢管内壁。另外2 个压电功能元布置在该边的1/4和3/4处，该压电功能块与钢管内壁留20 mm距离，其PZT平面竖直但平行于该内壁。每个构件供设置12 个压电功能块。此外，每边对应位置设置4 个PZT，每个构件共设置16 个PZT片。方形截面钢管混凝土柱上层横隔板下表面的压电功能块以及外壁PZT片布置如图2所示。在每个吊装层中，选取一个方钢管柱采取该方式布置。

（b）外部粘贴压电陶瓷片。对于部分方钢管柱，采用外部粘贴压电片的方法。方形截面钢管混凝土柱上层横隔板下表面外壁PZT片，布置如图3所示。核心混凝土与钢管内壁的界面粘结状态通过压电阻抗法评估，核心混凝土采用应力波方法检测与评估。在钢管已经安装就位，其靠建筑外侧的表面无法在保证安全的情况下粘贴压电陶瓷片，可以只在方柱的2 个相对的侧面上进行粘贴。

图2 横隔板下表面压电功能元以及PZT片布置示意

图3 横隔板下钢管表面粘贴PZT片布置

3.1.2 圆形截面钢管混凝土柱

（a）嵌入式与表面粘贴相结合。对于部分圆形截面钢管混凝土柱，在上层横隔板下表面上沿钢管内壁均匀布置6 个压电功能元，该压电功能块与钢管内壁留20 mm距离，其PZT平面竖直且与钢管内壁保持相切。此外，钢管外壁对应位置设置6 个PZT。在每个吊装层中，选取一个方钢管柱采取该方式布置。

（b）外部粘贴压电陶瓷片。另外的圆钢管柱采用外部粘贴压电片的方法。核心混凝土与钢管内壁的界面粘结状态通过压电阻抗法评估，核心混凝土采用应力波方法检测与评估。考虑到嵌入式压电功能元的施工耗时较多，主要采取表面粘贴压电陶瓷片的方法进行。在钢管已经安装就位，其靠建筑外侧的表面无法在保证安全的情况下粘贴压电陶瓷片，可以只在圆柱相互垂直的2 个相对位置上进行粘贴。

3.2 检测方法

3.2.1 基于应力波的钢管混凝土检测

运用方形截面以及圆形截面构件内部对称位置的压电功能块进行信号发射和信号接收，对信号进行小波包能量分析，进而对钢管混凝土内部核心混凝土的均匀性进行评估。激励信号采用扫频信号、正弦信号和脉冲信号，测量2 次。用收发信号距离等同的一组传感器的输出信号来评定检测结果。对于方钢管混凝土柱4 个角区缺陷的检测，选取每边中间位置的压电功能块作为激励器，采集对应钢管外壁的2 个PZT的响应。

对于方钢管混凝土的四边钢管内壁与核心混凝土的截面粘结情况，分别采用嵌入式压电功能元作为激励，对于外壁PZT片接收信号的方式进行检测。

3.2.2 基于机电耦合阻抗的钢管混凝土界面性能检测

钢管壁与核心混凝土的粘结状况，分别对于嵌入式压电功能元和表面粘贴压电陶瓷片进行机电耦合阻抗测量，通过阻抗结果的分析对界面粘结性能进行评估。

3.2.3 混凝土界面性能检测

分别基于应力波和机电耦合阻抗测量，在混凝土浇筑后1～2 周内测量一次。

选取嵌入和粘贴方案的方形截面和圆形截面钢管混凝土试件各一个，进行多次检测。混凝土浇筑后3 d、7 d、14 d、28 d、90 d、180 d分别进行测试。