周茗如 郭中宇 沈瓊斐 李鄭波

(蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050)

鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成、且鋼管及其核心混凝土能共同承受外荷載作用的組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。鋼管混凝土在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)⒍叩膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，可使混凝土處于側(cè)向受壓狀態(tài)，其抗壓強(qiáng)度可成倍提高。同時(shí)由于混凝土的存在，提高了鋼管的剛度，兩者共同發(fā)揮作用，從而大大地提高了承載能力[1,2]。

由于鋼管混凝土受混凝土材料自身特性和泵送施工工藝的影響，常出現(xiàn)混凝土與鋼管壁脫粘，直接影響鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與安全[1,3]。陳寶春等對鋼管混凝土脫粘構(gòu)件的溫度場作了相關(guān)研究[4]，劉振宇，周松川和涂光亞等對鋼管混凝土脫粘構(gòu)件的受力影響作了分析[5，6，7]。鋼管混凝土構(gòu)件出現(xiàn)脫粘后，鋼管和混凝土不能共同工作，變形出現(xiàn)不連續(xù)性，偏心和失穩(wěn)加劇，從而導(dǎo)致承載力下降，同時(shí)脫粘也會(huì)對耐火和抗震性能產(chǎn)生不利影響[8]。目前鋼管混凝土脫粘狀況檢測的方式主要有人工敲擊法、超聲波檢測法、鉆芯取樣法、應(yīng)變(應(yīng)力)分析法、光纖傳感法等[2]，其中前兩種為相關(guān)規(guī)范規(guī)定必須采取的方法。本文以某現(xiàn)場大型鋼管混凝土模擬試驗(yàn)為背景，以超聲波檢測法為基礎(chǔ)，聯(lián)合應(yīng)用人工敲擊法和應(yīng)變分析法對鋼管混凝土試驗(yàn)段作無損檢測，分析有無脫粘狀況。

1 鋼管混凝土檢測技術(shù)

人工敲擊法是從鋼管回聲判斷鋼管壁與混凝土的粘結(jié)狀況，與操作人員的經(jīng)驗(yàn)與主觀判斷有很大關(guān)系。超聲波檢測法是行之有效的檢測混凝土灌注質(zhì)量的一種方法，也是目前使用最多的方法。鉆芯取樣法是最可靠的方法，可定性定量分析粘結(jié)狀況，但是其屬于半破損的檢測方法，若開孔小、測點(diǎn)少，則很難說明問題；而開孔大、測點(diǎn)多又將對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生人為的損傷，影響鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與使用安全[3]。應(yīng)力應(yīng)變分析法和光纖傳感法技術(shù)要求相對較高，經(jīng)濟(jì)性較低，但結(jié)果相對準(zhǔn)確。目前依據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求對鋼管混凝土的檢測與評價(jià)采用人工敲擊法和超聲波檢測法，對于一般構(gòu)件均須使用人工敲擊法全數(shù)檢查，而對于人工敲擊初步判斷為異常的部位、特別重要的部位和鋼管厚度大于16mm 的構(gòu)件必須采用超聲波檢測[9,10,11]。因此目前人工敲擊法和超聲波檢測法常聯(lián)合使用于鋼管混凝土的無損檢測，在部分工程則輔助于其他方法。

1.1 超聲波檢測法

超聲脈沖在傳播過程中遇到由各種缺陷形成的界面時(shí)會(huì)改變傳播方向和路徑，其能量會(huì)在缺陷處引發(fā)衰減，造成聲時(shí)、振幅、頻率變化[12]。對這些變化進(jìn)行分析，可實(shí)現(xiàn)對鋼管混凝土質(zhì)量的檢測。采用超聲波檢測鋼管混凝土脫粘的主要方法有首波聲時(shí)法、波形識(shí)別法和首波頻率法。

圖1 超聲波檢測鋼管混凝土示意圖

1.1.1 首波聲時(shí)法(聲速)

首波是指接收探頭接收到的是最短途徑到達(dá)的波，因此可依據(jù)超聲波首波聲時(shí)大小而判斷首波途徑。

若混凝土與鋼管粘結(jié)良好，首波是沿鋼管混凝土徑向傳播的超聲縱波(如圖2 左)，其聲時(shí)為

式中：T1 為總聲時(shí)；

TC 為混凝土聲時(shí)；

TS 為鋼管壁聲時(shí)。

a 為鋼管壁厚；

VC 為混凝土聲速；

VS 為鋼管壁聲速。

若鋼管混凝土有脫空現(xiàn)象，則首波是繞鋼管壁半周長傳至接收探頭(如圖2 右)，其聲時(shí)為:

故若鋼管與混凝土結(jié)合質(zhì)量良好，應(yīng)滿足1T＜T2，由于2a 遠(yuǎn)小于D，故T1 可忽略鋼管壁厚的影響，即：

1.1.2 波形識(shí)別法

脈沖波在傳播過程中遇到兩種不同介質(zhì)交界面時(shí)，會(huì)發(fā)生波的反射、折射、繞射等現(xiàn)象，而后與原脈沖波疊加產(chǎn)生波的干擾，通過對波形特征(如波形的組成、波的疊加現(xiàn)象、分布特點(diǎn)等)進(jìn)行分析有無脫粘狀況，若鋼管混凝土質(zhì)量良好，則波形穩(wěn)定正常，有明顯圓弧狀脈沖包絡(luò)線。

1.1.3 首波頻率、幅值法

超聲波傳播過程中，由于介質(zhì)的不均勻性及缺陷的存在，超聲波的頻率產(chǎn)生衰減。質(zhì)量良好的鋼管混凝土首波頻率相對較高，這樣可根據(jù)首波頻率判斷鋼管內(nèi)混凝土的質(zhì)量。綜合首波聲時(shí)、波形及首波頻率進(jìn)行判斷后，可查明檢測點(diǎn)處鋼管混凝土是否存在缺陷，而后有選擇的開孔驗(yàn)查。

1.2 人工敲擊法

人工敲擊法是通過人工敲擊鋼管表面，根據(jù)聲音回響以定性判斷鋼管壁與核心混凝土黏結(jié)狀況的一種直接、簡單的方法。如果回聲沉啞無振感，則說明鋼管內(nèi)混凝土填充飽滿，核心混凝土與鋼管結(jié)合緊密。而如果回聲聲音清脆有振感，則可能是混凝土與鋼管壁存在脫空現(xiàn)象，需做進(jìn)一步分析檢查。

1.3 應(yīng)變分析法

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土一般為膨脹混凝土，通過在混凝土中布置一定數(shù)量的埋入式應(yīng)變計(jì)來定量檢測混凝土縱向和徑向的應(yīng)變，對比分析試驗(yàn)室標(biāo)養(yǎng)條件下標(biāo)準(zhǔn)試件的限制膨脹率值,從而判斷核心膨脹混凝土是否發(fā)揮了膨脹效能。

2 模擬試驗(yàn)

劉家峽黃河特大橋?qū)儆谂R夏折橋至蘭州達(dá)川二級公路的重點(diǎn)工程，為跨越劉家峽水庫黃河支流而設(shè)，跨徑布置為：148m ＋536m ＋113m。主纜中心距為15.6m, 是國內(nèi)同規(guī)模橋梁中最窄的懸索橋。主橋雙塔采用鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)，塔柱高60.5m，由樁基礎(chǔ)、塔基、塔柱(3000mmX50mm 的鋼管，鋼管內(nèi)灌注C40 混凝土)和橫梁組成。

目前國內(nèi)外大直徑鋼管混凝土柱應(yīng)用于大型懸索橋的實(shí)例不多，因此采用大型現(xiàn)場試驗(yàn)來研究無損檢測技術(shù)。試驗(yàn)選取4 個(gè)高度×直徑×壁厚:0.6m×1.5m×0.05m 的鋼管作為試驗(yàn)段(編號分別為10%-1,10%-2,12%-1,12%-2)，其中10%-1 和10%-2 兩個(gè)試驗(yàn)段澆筑膨脹劑摻量為10%的C40 混凝土(試驗(yàn)配合比見表1)；12%-1 和12%-2 兩個(gè)試驗(yàn)段澆筑膨脹劑摻量為12%的C40 混凝土(試驗(yàn)配合比見表1),結(jié)合人工敲擊法、現(xiàn)場超聲波檢測和應(yīng)力應(yīng)變分析法，綜合評價(jià)混凝土的密實(shí)性。

表1 10%-12%摻量膨脹劑C40 微膨脹混凝土試驗(yàn)配合比

2.1 人工敲擊法檢測結(jié)果

4 個(gè)試驗(yàn)段按照相關(guān)要求選取若干測點(diǎn)采用小錘敲擊的方法進(jìn)行檢測，所有測點(diǎn)回聲均渾沉無振感，初步判斷無脫空現(xiàn)象。

2.2 超聲波法檢測結(jié)果

使用ZBL—U520 非金屬超聲檢測儀檢測混凝土與鋼管結(jié)合密實(shí)性。檢測采用平面換能器對測的方式，發(fā)射電壓為500V,采樣周期為0.4μs。每個(gè)試驗(yàn)段均布置12 個(gè)測點(diǎn)(如圖3)，豎向分3層(間距150mm)，每層4 個(gè)測點(diǎn)，圖3 為試驗(yàn)段超聲波檢測示意圖。

圖3 超聲波檢測鋼管混凝土測點(diǎn)布置圖

通過現(xiàn)場實(shí)測鋼管速度為5400m/s，因此由(3)式可得出，只要實(shí)測波速Vc 大于3456m/s,即滿足1T＜2T，則可說明混凝土與鋼管壁膠結(jié)良好。

現(xiàn)場檢測4 個(gè)鋼管混凝土試驗(yàn)段的16 個(gè)截面，共48 個(gè)超聲波測點(diǎn)，超聲波速均在4261～4973m/s 之間，小于聲波在鋼管中的波速(5400m/s)(見表2)。同時(shí)首波信號較強(qiáng)，頻率、幅值較大，波形無衰減(見圖3)。檢測范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)空管、空洞等缺陷，說明鋼管混凝土的混凝土與鋼管粘結(jié)良好，混凝土內(nèi)部嚴(yán)密充實(shí)，符合要求。

表2 試驗(yàn)段超聲波速(m/s)

圖4 a 10%試驗(yàn)段超聲波檢測波形圖

圖4 b 12%試驗(yàn)段超聲波檢測波形圖

2.3 應(yīng)變分析法結(jié)果

在每個(gè)試驗(yàn)段混凝土中部位置埋設(shè)3 個(gè)徑向應(yīng)變計(jì)和2 個(gè)縱向應(yīng)變計(jì)(如圖5a)，并澆筑微膨脹混凝土(如圖5b),定量檢測混凝土28 天的應(yīng)變。

圖5 a 混凝土應(yīng)變計(jì)布置示意圖

圖5 b 現(xiàn)場試驗(yàn)圖

在混凝土澆筑完成后由于重力作用、氣孔等因素，混凝土應(yīng)變均不同程度的下降，約24 小時(shí)左右達(dá)到最低值；之后開始迅速增長，在5 ～7天達(dá)到峰值，之后開始出現(xiàn)小幅下降，在14 天左右即保持穩(wěn)中略降的趨勢(如圖6)，經(jīng)分析認(rèn)為是由于澆水養(yǎng)護(hù)僅持續(xù)7 天左右，7 天以后混凝土中膨脹劑剩余膨脹組分缺水未發(fā)揮作用，同時(shí)加上混凝土徐變收縮造成的。

圖6 a 10%-1 混凝土應(yīng)變變化示意圖

圖6 b 10%-2 混凝土應(yīng)變變化示意圖

圖6 c 12%-1 混凝土應(yīng)變變化示意圖

圖6 d 12%-2 混凝土應(yīng)變變化示意圖

混凝土膨脹縱向應(yīng)變大于徑向應(yīng)變，分析認(rèn)為是尺寸效應(yīng)和約束不同造成的：試驗(yàn)段縱向?yàn)橐欢思s束，一端自由，混凝土縱向膨脹近似認(rèn)為只受自身重力影響的膨脹，環(huán)向膨脹則受到鋼管約束，所以縱向應(yīng)變大于徑向應(yīng)變。12%膨脹劑摻量的試驗(yàn)段28 天齡期混凝土應(yīng)變值大于10%膨脹劑摻量的試驗(yàn)段(如表3)。

表3 場模擬試驗(yàn)試驗(yàn)段膨脹率值

試驗(yàn)室標(biāo)養(yǎng)條件下試件在初期限制膨脹率迅速增加，在7 天以后基本達(dá)到平衡，整體變化趨勢和現(xiàn)場模擬試驗(yàn)相吻合。

圖7 a 試驗(yàn)室試件(10%摻量)限制膨脹率變化圖

圖7 b 試驗(yàn)室試件(12%摻量)限制膨脹率變化圖

表4 試驗(yàn)室標(biāo)養(yǎng)條件下限制膨脹率值

通過對比分析表3 與表4 中膨脹率值以及圖6 和圖7 應(yīng)變變化趨勢，得出本次模擬試驗(yàn)混凝土膨脹效能滿足預(yù)期要求。

3 結(jié)論

1)根據(jù)現(xiàn)場人工敲擊、超聲波檢測和應(yīng)變分析法綜合確定試驗(yàn)段鋼管混凝土檢測部位混凝土與鋼管壁粘結(jié)良好。結(jié)果表明：超聲波檢測法、人工敲擊法和應(yīng)變分析法聯(lián)合應(yīng)用是可行的。

2)應(yīng)力應(yīng)變分析法是通過計(jì)算核心混凝土自應(yīng)力來分析判斷膨脹效能，結(jié)果相對于應(yīng)變分析法更為準(zhǔn)確，但其對試驗(yàn)條件要求較高，本文限于時(shí)間，未做深入研究。

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