钢管混凝土缺陷检测过程中的声波特性研究

(湘潭大学土木工程与力学学院 湖南 湘潭 411105)

引言

钢管混凝土是指在空钢管中填充混凝土从而组成的一种高强度结构[1]。钢管混凝土结构不仅能够充分发挥钢材和混凝土各自的优点，而且克服了钢管结构容易发生局部屈曲的缺点，所以在高层建筑结构中得到了越来越广泛的应用[2]。近年来，钢管混凝

土结构被广泛使用于道路桥梁、城市轨道交通、多层工业厂房及超高层建筑等许多大型工程领域。钢管混凝土内混凝土的灌注过程中由于操作工艺的复杂性，可能导致存在的问题有：由于排气不顺畅或其他设计原因导致在混凝土内部形成的孔洞缺陷；由于混凝土硬化后收缩导致的混凝土与钢管壁之间的脱空缺陷[3]。钢管混凝土内部缺陷的存在对其结构、性能和稳定性影响较大，所以，钢管混凝土的缺陷检测对提高钢管混凝土质量十分重要。

一、声波透射试验研究

针对声波在钢管混凝土中的传播特点，制作了密实和有缺陷的钢管混凝土试件。尺寸为空钢管外径220mm，内径206mm，钢管壁厚7mm，钢管高度800mm。灌注钢管混凝土时分别在上半部分预留中部孔洞和钢管壁脱空的两种缺陷。试验过程中使用超磁检测和冲击回波法(不同直径锤子敲击)获得不同缺陷下接收点的时域图，同时提取采集的数据通过Origin软件得到对应的频域图，然后经过时域图和频域图的对比分析找出异同点[4]。

收集并导出接收点的各组数据，提取原始数据，使用Origin软件绘制钢管混凝土不同缺陷下的时域图，选取典型波形图如下：

图1 声波时域图

通过采集的时域图发现，密实和有缺陷的钢管混凝土存在一定的差异。钢管混凝土试件密实时，时域图幅值沿水平对称轴呈对称分布，波形无畸变，幅值随时间正常衰减。当钢管混凝土内部存在缺陷时，试验中混凝土中存在孔洞，则在一定的范围内幅值变化比较集中(图中200～400μs和500～700μs)，波形图衰减较快，产生这种现象的主要原因是孔洞处周围声波在此叠加，而较远位置则表现正常，这也与实际的情况比较相符。当钢管壁与内部混凝土胶结不良，现场试验中设置一定的脱空的时候，从图中可以看出波形图畸形比较严重，幅值衰减较慢，有多处位置的幅值与实际情况不符，产生部分缺失。

将声波仪采集到的由4000个数据构成的波形图进行快速傅里叶变换(FFT)，按照时间的顺序从下到上依次组成的频谱波列图如图所示。从图中可以看出正常密实的钢管混凝土主频只有一个，约为11000Hz，当钢管混凝土中存在缺陷时，其主频个数和大小均有所变化。例如混凝土中存在内部孔洞时，其主频偏大，约为13000Hz，而当钢管壁与混凝土胶结不良时，频域图显示有两个主频，其值分别为6000Hz和12000Hz。

图2 声波频域图

二、数值模拟仿真计算

有限元分析方法在工程建设各领域得到了广泛地推广和应用，其也由原来地求解线性结构问题发展到求解非线性，由原来的仅能求解单一场问题快速发展到多场和多场之间的耦合问题[5]。针对实际大型工程中的单物理场及多物理场的耦合问题，都可以用COMSOL软件进行数值模拟分析[6]。

本文的模拟对象为钢管混凝土，现实中是以空间三维形式存在的，考虑多方面的影响，本章在模拟时候选取了钢管壁外径220mm，内径206mm，钢管壁厚度7mm的同心圆形截面。

图3 二维模型图

经过计算，在本次模拟中超声波的信号是直接穿透钢管混凝土内部到达接收端的，能反映出其内部的缺陷，符合超声波检测钢管混凝土内部缺陷的前提条件[7]。

图4 超声波在不同时刻的传播云图

对比密实和不同缺陷下的钢管混凝土接收点的时域图，可以发现接收点位置的不同对声时的影响远小于缺陷对声时的影响，不同缺陷下接收点时间差异较大。在此次模拟中，声时分别为：密实90μs、孔洞115μs和脱空135μs，三种状态下的声时依次变长，这也符合实际情况。

在钢管壁测点间距的选择上，根据模拟结果，当选择测点间距为4cm～6cm时，无论是钢管混凝土密实还是存在缺陷，其波形图才相对比较平滑，能更好的识别和反映实际的情况。

三、结语

1.通过声波透射法和冲击回波法就声波在钢管混凝土中的传播进行了试验探究，分析比较了密实和不同缺陷下声波接收点时域图和频域图的不同，找到相对应的一般规律，在此基础上可以根据波形图直观地判断钢管混凝土内部缺陷的种类。

2.通过COMSOL Multiphysics软件仿真了声波在密实和不同缺陷下的钢管混凝土中的传播情况，结果表明不同情况下接收点的声时差异较大，同时同侧法中最佳的测点间距为4cm～6cm。

3.同一接收点的波形图整体走势大体相同，但由于缺陷的不同，波形图局部存在明显的差异；不同接收点的波形图由于测点间距的不同，首波声时的差异显著。

4.文中主要是对圆柱形钢管混凝土进行研究的，预先设置了缺陷的大小和位置，在声波的实际传播过程中也并未考虑边界的影响。这些理想状态简化了运算，给我们的分析提供了便利，但仍与实际情况有细微的区别，今后要力求保持与工程现场情况的吻合。