装配式建筑构件缺陷检测方法的研究与应用

罗小进（苏州方正工程技术开发检测有限公司，江苏 苏州 215100）

装配式建筑是传统建筑业实现绿色化、信息化、智能化和工业化的重要一环，具有施工周期短、建筑能耗低、环境污染小、节约劳动力等诸多优点，成为目前建筑业发展的重要方向之一[1]。装配式建筑在施工过程中，其整体性和可靠性主要依赖于各个预制构件之间的有效连接。灌浆套筒由于具有高强度、可操作性强、施工方便等特点，在装配式建筑中得到广泛应用[2-4]。

灌浆套筒的具体施作方法是在待连接的2 个预制构件中，分别预埋套筒和钢筋，拼接时将钢筋插入套筒并灌入高强灌浆料，通过灌浆料的硬化黏结作用，实现构件之间的受力传递[5]。因此，装配式建筑构件连接节点之间的灌浆套筒施工质量的控制成为研究的重点，基于无损检测方法快熟、低成本地获得结构的施工质量数据具有十分重要的工程实践意义[6]。

本文以江苏省苏州市某高层民用建筑为研究对象，在介绍冲击回波法无损检测原理的基础上，运用室内试验的方法制作了灌浆不密实灌浆套筒试件，研究冲击波激振纵波的速度变化规律，分析缺陷的响应特征，并将研究成果运用于现场工程的质量控制。

1 工程概况

江苏省苏州市某高层民用住宅项目由6栋32层装配式建筑组成，建筑总面积约189500m2，建筑装配率为75%，属于超高装配率混凝土框架结构，设1层地下室，地下室采用现浇混凝土框架结构。建筑装配式构件包括预制叠合板、预制剪力墙、预制空调板、预制柱体等10 余种构件，预制构件在工程制作完成后运输至现场吊装拼接，标准层预制构件数量达到190 块，各个预制构件的连接方式为灌浆套筒连接。

2 基于冲击回波法的装配式建筑构件缺陷无损检测

装配式建筑的各个构件均是在工厂预制完成，构件生产质量可控，但是构件在施工现场拼接成整体时，主要通过节点的灌浆套筒连接实现。因此，构件灌浆套筒的施工质量缺陷是装配式建筑工程质量控制的关键[7-8]。基于冲击回波对节点缺陷的无损检测原理，主要是利用了弹性波在混凝土中传播时，若遇到波阻抗不一致的缺陷时，会发生反射，反射波信号中的频率、振幅、相位、速度等信息反映了缺陷的大小、位置、深度等参数，这些参数可以通过将采集的反射波进行频谱处理得到。

在冲击回波法测试时，通过小锤在混凝土表面激发弹性波，弹性波在三维空间中的扩散波动控制方程如公式（1）所示[9]。

式中▽为拉布拉斯算子；△为偏微分算子；λ为拉梅常数，λ=Eμ/(-2μ2-μ+ 1)；E为弹性模量；μ为泊松比，G 为剪切弹性模量，G=E/(μ+ 2)；υ、m、n分别为弹性波在x方向、y方向、z方向上的位移。

在无边界条件约束下，求解公式（1），可以得到波动方程的解，即纵波速度vP、横波速度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锤的冲击激振时，其质点开始发生变形，带动周围的质点发生周期振动，形成扩展波，按照球体的自由下落原理，可以计算得到小锤与混凝土构件的接触时间，如公式（5）所示。

式中tc为小锤与混凝土构件的接触时间；D为小锤的直径h为小锤下落的高度；μb为小锤的泊松比；Eb为小锤的弹性模量；μc为混凝土的泊松比；Ec为混凝土的弹性模量。

当冲击波激发的纵波遇到混凝土构件缺陷时，由于密实混凝土与空气之间的波阻抗存在显著差异，纵波会发生反射和折射现象，其传播路径是结构厚度的2倍，由此可以计算纵波的传播频率如公式（6）所示。

式中f为反射纵波的频率；k为截面系数，一般取0.96；t为传播时间。

基于冲击回波法的装配式建筑构件缺陷无损检测具体方法和步骤如图1所示。在待测灌浆套筒节点位置布置不少于3 个测点，由下至上测试，测点之间的间距为20mm～50mm，1 个测点为小锤激振点，1 个为接收传感器点，每个测点激振2次，采集数据完成后，安装传感器的位置为下一个测点的小锤激振点的位置，传感器向上挪动20mm～50mm，依次测试直至测试范围覆盖节点灌浆套筒的全长。

图1 冲击回波法测试的激振点及传感器安装示意

3 装配式建筑构件缺陷室内物理模型试验

3.1 室内物理模型试验的制作及试验方法

为了更好地认识冲击激振产生的弹性波在灌浆套筒中的传播规律，在室内试验中制作了4种不同类型的灌浆套筒物理模型进行冲击波采集。灌浆套筒模型的灌浆饱和度分别为工况I 型（饱和度40%）、工况II 型（饱和度60%）、工况III 型（饱和度80%）和工况IV 型（饱和度100%），如图2所示。

图2 不同饱和度的灌浆套筒测试试件

冲击回波试验测试时，数据采集设备为SPC-MATS预应力混凝土多功能检测仪，可以一次采集40000 点，频率为500kHz，波形噪声可以采用BPF处理或EMD处理，主机可实现数据的快速法傅里叶变换（FFT）和最大熵法（MEM）功能；冲击波发射器为重量1kg 的圆形铁锤；加速度传感器为压电陶瓷传感器，可将接收的弹性波反射信号转化为电信号。

试验用的灌浆套筒为河北衡水安达机械设备有限公司生产的全灌浆套筒，内直径为36mm，外直径为48mm，全长为200mm；灌浆料为湖北武汉洋洋建材有限公司生产的高强无收缩标准型水泥基灌浆料，1d 抗压强度为36MPa，3d 抗压强度达到70MPa，28d 抗压强度达到90MPa；钢筋为湖北省中国宝武武钢集团有限公司生产的HRB400钢筋。在模型灌浆时，为了控制灌浆饱和度，在灌浆套筒的不同位置设置了不同出浆口，当浆液到达出浆口位置时，停止灌浆，封堵出浆口即可，如图3所示。

图3 不同饱和度的装配式建筑灌浆套筒试验控制模型

3.2 室内物理模型试验的结果分析

经过MEM频谱分析，得到不同饱和度装配式建筑灌浆套筒模型的反射纵波速度二位等值曲线，如图4所示。从图4中可以看出，所有时间都进行了21 个测点的波速测试，其中工况I型中，等效波速为3738m/s，有8点在等值线上下波动，其余均波动较小，可以得到灌浆套筒的密实度为8/21=38.1%；类似地，可以得到工况II型的等效波速为3883m/s，灌浆套筒的密实度为13/21=61.9%，工况III型的等效波速为3776m/s，灌浆套筒的密实度为17/21=80.9%，工况IV型的等效波速为3079m/s，灌浆套筒的密实度为21/21=100%，试验结果均与模型设置饱和度一致，由此表明，基于冲击回波法可以精确地测试装配式建筑构件的缺陷，冲击回波法在现场实际中的应用具有可行性。

图4 不同饱和度装配式建筑灌浆套筒模型的反射纵波速度曲线

4 冲击回波法在装配式建筑构件缺陷现场质量控制中的应用效果

基于室内试验的物理模型观测结果的认识，运用冲击回波法对依托工程的500 个装配式建筑构件进行无损检测，结果如表1 所示。从表1 中可以看出，实际工程检测得到灌浆等级为优秀的构件比例达到78%，良好等级的构件比例16%，中等等级的构件比例5%，差等级的构件比例1%。为验证监测准确性，对典型灌浆缺陷的构件进行取样观察，如图5所示。从图5中可以看出，冲击回波法检测得到灌浆饱和度70%的构件，经过取样破除后，检测结果与实际一致，进一步确定冲击波法在装配式建筑结构无损检测中的可行性，且该方法具有施工效率快、监测成本低的优点，在装配式建筑结构无损检测中具有广泛应用前景。

表1 基于冲击回波法的装配式建筑构构件无损检测结果

图5 实际工程中饱和度70%的灌浆套筒试件剖开图

5 结语

以江苏省苏州市某高层民用建筑为研究对象，在介绍冲击回波法无损检测原理的基础上，运用室内试验的方法制作了灌浆不密实灌浆套筒试件，研究冲击波激振纵波的速度变化规律，分析缺陷的响应特征，并将研究成果运用于现场工程的质量控制，得到以下结论：

（1）冲击回波法检测装配式建筑构件缺陷的原理是利用了缺陷与完整混凝土之间的波阻抗差异，冲击波激振产生的纵波在遇到构件缺陷时，发生弹性波反射，其振幅、频率和相位等均会发生改变。

（2）基于物理模型试验结果表明，不同饱和度（缺陷）的装配式建筑灌浆套筒模型的反射纵波速度二位等值曲线可以精确计算得到灌浆的密实度，冲击回波法在现场实际中的应用具有可行性。

（3）实际工程检测得到灌浆等级为优秀的构件比例达到78%，良好等级的构件比例16%，中等等级的构件比例5%，差等级的构件比例1%。经过取样破除后表明，检测结果与实际一致。