钢管混凝土柱超声波检测技术实践应用

张宁锋 马安财

（甘肃交通职业技术学院，甘肃 兰州 730070）

1 工程概况

某建筑综合体项目，其中1#楼地上结构总高度为249.65m，出屋面尚有23.1m高的玻璃幕墙构架，构架顶标高为272.60m。建筑平面为较规则的正方形平面。结构系统采用混凝土结构，形式为（钢管混凝土柱）框架+（外框架四角）剪力墙+（钢筋混凝土）核心筒结构（45层设有加筋层）。框架柱采用圆形截面混凝土填充钢管柱，框架梁采用H形截面钢梁，所有钢管混凝土柱的钢材采用Q345GJC，钢管外径在900-1100mm之间，管壁厚度在10-35mm之间，内填混凝土等级为C45-C60之间的微膨胀自密实混凝土。

2017年2 月至2018年5月期间对1#楼钢管混凝土框架柱的密实性、管内混凝土强度进行了多次检测。

2 钢管混凝土检测

钢管混凝土结构力量合理、施工方便，核心混凝土在三向压应力作用下，其强度、韧性和抗变形性得到了很大的提高，近年来在建筑业中受到越来越多的关注。对于钢管混凝土结构，钢管混凝土的密实性和强度逐渐成为工程质量控制的重要指标。由于施工技术的限制，即使采用特殊的膨胀混凝土，也会坍塌和脱粘，形成难以直接观察的缺陷，直接影响结构的工作性能。非金属超声波检测技术是近年来发展极为迅速的实用技术，通过分析信号的变化可用来理解结构中缺陷的分布。超声波测试对待测结构没有损坏，且简单易行[1，2]。

3 检测原理

对于钢管混凝土结构，当混凝土的原材料、配合比、内部质量和试验距离不变时，与超声波传播有关的声学参数的测量值，如传播速度、第一波的幅度和接收信号的频率，应该基本相同。如果在结构中混凝土的局部区域存在诸如空隙和未压实区域的缺陷，则测量所得的声学时间值将偏大且振幅和频率值将减小。基于声学参数的这些变化，可以推断混凝土中内部缺陷的发生[3]。

超声波测试混凝土填充缺陷有三种主要方法：

1）首波声时法

当探头的接收端接收第一波作为最短路径声音时，可以通过检测超声波的大小来判断声音路径。超声波可以穿过钢管壁、核心混凝土和钢管壁到另一端的接收探头（假设声时为t1），也可以沿着钢管壁的半圆传递到另一端的接收探头（假设声时为t2）。因而使用第一波声时法检测的前提条件是t1＜t2[4]。

2）首波频率法

超声波探伤仪的发射端产生固定频率的脉冲波。混凝土或有缺陷混凝土的均匀性越差，高频波衰减越明显，到达接收探头的波主要是低频波。对于致密无缺陷的混凝土，第一波频率相对较高。因此，可以基于第一波频率判断混凝土的密实性和缺陷是否存在[5]。

3）波形识别法

通过检查脉冲波形的失真程度，可以判断钢管中填充混凝土是否存在缺陷。如果超声波检测仪发射的脉冲正弦或余弦波在传播过程中遇到界面，特别是固-气界面，则可能发生反射和衍射，在反射或衍射波与原始脉冲波叠加之后产生波干涉，并且导致波形失真[6]。

4 检测方法及测点布置

4.1 测试方法

该项目利用北京智博联ZBL-U5700型多通道测桩仪配水平向换能器，超声波纵波脉冲对穿法检测，选择频率为50KHz、换能器直径为4cm，同时使用凡士林作为偶合剂，将收、发换能器放置在钢管的圆周上沿直径方向进行测试。测试过程中用小锤敲击测试截面钢管表面的方法进行初步检查，听取敲击声，并进行初步判断[3]。

4.2 测点布置

根据“超声波法检测混凝土缺陷技术规程”（CECS21-2000），采用超声波配对法，在待测构件的两个相对的测试面中的每一个上绘制等距网格，且相应的测量点位置按图1中数字进行编号。对每个测量点的声音时间、振幅和频率值按一定顺序测量并进行分析。

图1 缺陷测试部位和线路布局

测试前先对该项目1#楼待测钢管混凝土柱按照随机抽样原理进行抽样，选定的7根测试构件（柱）及其位置、几何、物理参数见表1。

表1 1#楼检测构件位置及几何、物理参数

对于泵送的每个混凝土填充的钢管柱均匀地选择10个部位，每个测试部位布置有6条线作为换能器放置位置。对于混凝土和管壁塌陷等可疑点，可添加测试点以确定缺陷的程度和范围。测试部位和线路布局如图1所示。

5 检测结果分析

5.1 数据处理

现场检测时，对出现波速明显小于常值的测点视为可疑测点，当遇到可疑测点时，需对该测点重复测试，直到多次测试数据稳定为止。测量区域中每个测量点的波速值按从大到小的顺序排列，明显落后的数据被认为是可疑的。然后用可疑数据中的最大值与先前数据一起计算平均值mx和标准偏差sx，并用以下公式代替计算异常情况X0的判断值：

X0=mx-λ1·sx

式中，λ1为99.75%的可靠度对应的保证率系数，按照3σ（σ即sx）原则，取λ1=3。

将判断值X0与可疑数据的最大值Xn进行比较，当Xn小于或等于X0时，则Xn及排列于其后的各数据均为异常值；当Xn大于X0时，应再次放入X（n+1）进行统计和鉴别。当没有出现异常值时，将最小测试值与判断值X0进行比较，当最小值大于判断值时，认为密实性和强度符合要求。混凝土内部的无约束区域或空隙的范围可以通过组合异常测量点的分布和波形条件来确定[4]。

表2 1#楼7/D#钢管混凝土柱超声检测部分结果

5.2 质量检测综合评判

目前，我国对钢管混凝土内部填充质量的检测和评估是基于规范和该项目的相关类似测试实践，并结合现场试验数据的计算，可分析和判断钢管内混凝土浇筑质量。一般可按如下四类进行评判：

I类：该混凝土具有良好的密实性和良好的组合性，混凝土波速＞4100m/s

Ⅱ类：混凝土具有良好的密实性和组合性，混凝土波速为3800-4100m/s

Ⅲ类：混凝土结构密实，组合性好，混凝土波速为3500-3800m/s

Ⅳ类：混凝土的密实性和组合性差，混凝土波速＜3500m/s，波形有细波或不清楚，混凝土有缺陷，锤子受到回声撞击

5.3 检测综合评判结果

根据现场试验数据，在得到钢管的密实性和混凝土与钢管的组合性之后，使用第一波声时间、波形和第一波频率进行综合评价。通过分析和计算，得到钢管混凝土的密实性和综合性能的试验结果。部分检测结果见表2。

6 检测结论

通过对测试数据的比较分析，得出以下结论：

1）用小锤子敲击试验对象的表面部分，敲击声是沉闷的。

2）超声波第一波接收信号良好，接收频率高，声音传播正常，检测部分各测量区域的波速满足要求。测试波形清晰正常，波形不失真。

以上表明：本项目填充钢管混凝土柱的混凝土结构密实，混凝土和钢管结合良好，混凝土强度符合设计要求。