陸義鵬龐二波胡志曉（江蘇建研建設(shè)工程質(zhì)量安全鑒定有限公司；中建科技（福州）有限公司）

超聲-回彈綜合法在推定評(píng)估某懸臂構(gòu)件力學(xué)性能中的應(yīng)用研究

陸義鵬1龐二波2胡志曉1
（1江蘇建研建設(shè)工程質(zhì)量安全鑒定有限公司；2中建科技（福州）有限公司）

結(jié)合某鋼筋混凝土懸臂構(gòu)件，采用超聲-回彈綜合法并結(jié)合一定數(shù)量的芯樣強(qiáng)度，在國(guó)家統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線基礎(chǔ)上，建立了精確度更高的專(zhuān)用測(cè)強(qiáng)曲線。采用擬合建立的測(cè)強(qiáng)曲線推定構(gòu)件的強(qiáng)度代表值為30.7MPa，將該推定值代入懸臂構(gòu)件承載力等計(jì)算公式計(jì)算所得的極限承載力、撓度、最大裂縫寬度等數(shù)值與構(gòu)件的原型加載試驗(yàn)相比較，各參數(shù)的吻合度均較高，進(jìn)一步證明了超聲-回彈綜合法在推定混凝土強(qiáng)度方面的精確性。

超聲-回彈綜合法；懸臂構(gòu)件；測(cè)強(qiáng)曲線；測(cè)點(diǎn)測(cè)區(qū)；原型加載

1 引言

鋼筋混凝土構(gòu)件的物理力學(xué)性能的下降直接影響結(jié)構(gòu)的安全使用壽命。為了確保構(gòu)件投入使用后保持良好的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)和正常的使用功能，必須及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期缺陷和病害，在尚未出現(xiàn)更大的損傷之前采取維修加固措施，以控制病害發(fā)展或把病害消除，為了達(dá)到此目的，必須對(duì)構(gòu)件進(jìn)行檢查、檢測(cè)[1]。在我國(guó)，大量的鋼筋混凝土構(gòu)件已經(jīng)達(dá)到或者接近設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，或出現(xiàn)由于各種原因造成鋼筋混凝土構(gòu)件的病害與損傷[2]。因此，建立對(duì)在役構(gòu)件的檢測(cè)和評(píng)價(jià)體系非常必要。

2 檢測(cè)背景

2.1懸臂構(gòu)件介紹

懸臂構(gòu)件為中空?qǐng)A錐形離心成型鋼筋混凝土構(gòu)件。構(gòu)件壁厚50mm，有效懸臂桿段長(zhǎng)度為9.8m，混凝土采用525普通硅酸鹽水泥，中砂，碎石（最大粒徑為15mm），復(fù)合型高效減水劑。通過(guò)離心成型工藝成型，采用常壓蒸養(yǎng)工藝進(jìn)行養(yǎng)護(hù)[3]。構(gòu)件幾何參數(shù)見(jiàn)表1、配筋參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 構(gòu)件幾何參數(shù)

表2 構(gòu)件配筋參數(shù)

2.2檢測(cè)原理

回彈儀檢測(cè)混凝土強(qiáng)度，是用一定彈力將一個(gè)鋼錘沖擊力傳到混凝土表面上，使其初始動(dòng)能發(fā)生再分配，一部分能量以塑性變形或殘余變形的形式為混凝土所吸收，而另一部分與表面硬度成正比的能量傳給重錘，使鋼錘回彈一定的高度，根據(jù)回彈的高度與混凝土強(qiáng)度成正比的關(guān)系推算混凝土的強(qiáng)度[4]。回彈法是根據(jù)結(jié)構(gòu)表層混凝土的彈性性能來(lái)反映混凝土強(qiáng)度，它只能反映結(jié)構(gòu)表層2～3cm深度混凝土的質(zhì)量情況。

超聲波檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的基本依據(jù)是超聲波傳播速度與混凝土的彈性性質(zhì)的密切關(guān)系[5]。主要是聲速和混凝土強(qiáng)度的關(guān)系，在不同強(qiáng)度的混凝土中超聲波的傳播行為也是不同的。通過(guò)人為分析研究接收到的信號(hào)，了解混凝土的內(nèi)部缺陷和強(qiáng)度情況。在對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度和缺陷檢測(cè)過(guò)程中，要考慮到內(nèi)部鋼筋對(duì)超聲檢測(cè)的影響，因此在檢測(cè)之前必須對(duì)鋼筋位置進(jìn)行判斷，然后，可以根據(jù)內(nèi)部鋼筋位置和走向以及保護(hù)層厚度，對(duì)超聲檢測(cè)方法做出調(diào)整，對(duì)超聲檢測(cè)測(cè)值進(jìn)行修正。

比較回彈法和超聲法的優(yōu)缺點(diǎn)，采用超聲回彈綜合法測(cè)定混凝土強(qiáng)度，即可以?xún)?nèi)外結(jié)合，又能在較高或者較低的強(qiáng)度區(qū)間相互彌補(bǔ)聲速V和回彈值N各自的不足，消除原來(lái)f～N和f～V關(guān)系中的許多誤差影響因素，提高測(cè)試精度，全面反映結(jié)構(gòu)混凝土的實(shí)際強(qiáng)度。

3 檢測(cè)過(guò)程與結(jié)果分析

3.1測(cè)點(diǎn)測(cè)區(qū)布置

回彈測(cè)點(diǎn)沿鋼筋混凝土錐形電桿長(zhǎng)度方向每20cm為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，沿環(huán)向隔每?jī)筛v筋之間為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，遇到電桿自身縱向裂縫處避開(kāi)一定距離。對(duì)測(cè)法測(cè)試鋼筋混凝土錐形電桿，超聲測(cè)點(diǎn)電桿長(zhǎng)度方向每60cm為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，沿環(huán)向以發(fā)射端換能器為坐標(biāo)點(diǎn)，接收端換能器與發(fā)射端換能器成180°布置。

沿電桿長(zhǎng)度方向每60cm環(huán)向一周為一個(gè)測(cè)區(qū)，每相鄰測(cè)區(qū)之間的間距20cm。這樣做滿(mǎn)足一個(gè)構(gòu)件測(cè)區(qū)大于10個(gè)，回彈測(cè)點(diǎn)在每一個(gè)測(cè)區(qū)滿(mǎn)足16個(gè)測(cè)點(diǎn)的要求。具體的測(cè)點(diǎn)位置分布見(jiàn)圖1。超聲聲速測(cè)量采用對(duì)測(cè)法，傳播路徑見(jiàn)圖2。

圖1 構(gòu)件測(cè)點(diǎn)測(cè)區(qū)

圖2 超聲傳播路徑

根據(jù)錐形構(gòu)件兩端的內(nèi)外徑，按比例算出縱向任意位置的內(nèi)外徑。超聲路徑計(jì)算公式如式1所示：

式中，l為超聲傳播路徑（m）；R為電桿外徑（m）；r為電桿內(nèi)徑（m）。

測(cè)區(qū)聲速應(yīng)按下列公式計(jì)算：

式中，v為測(cè)區(qū)聲速值（km/s）；l為超聲波檢測(cè)距離（m）；tm為測(cè)區(qū)平均聲時(shí)值（s）；ti為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)值（s）；n為測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)

3.2超聲-回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線的建立與應(yīng)用

3.2.1測(cè)強(qiáng)曲線的建立

依據(jù)2.1中的測(cè)點(diǎn)測(cè)區(qū)布置及計(jì)算式（1）和（2）隨機(jī)選取該構(gòu)件的30個(gè)測(cè)點(diǎn)分別進(jìn)行回彈測(cè)試和超聲測(cè)試，并在測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行鉆芯取樣，實(shí)測(cè)取樣強(qiáng)度，依據(jù)《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（CECS03:88）將芯樣強(qiáng)度換算為標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊強(qiáng)度?；貜椫?、超聲測(cè)值、芯樣強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 超聲回彈測(cè)值與換算為標(biāo)準(zhǔn)立方體試件的芯樣強(qiáng)度

超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線通常用回歸方程表示，根據(jù)研究結(jié)果，對(duì)無(wú)碳化混凝土，其回歸方程可用下式表示：

對(duì)碳化深度為L(zhǎng)的混凝土，其回歸方程有下式表示：

式中，a、b、c、d為待定系數(shù)，與粗骨料種類(lèi)和粒徑、混凝土配合比、砂率、混凝土狀態(tài)等有關(guān)；N為回彈值；V為超聲聲速（單位）；L為碳化深度（mm）。

構(gòu)件混凝土存在碳化狀態(tài)，故選取式R=aVb·Nc·10d為擬建立的回歸方程。構(gòu)件碳化深度為3mm，10d回歸出來(lái)也只是該方程的一個(gè)系數(shù)，與回彈值和超聲值沒(méi)有直接關(guān)系，故該式可以簡(jiǎn)寫(xiě)為R=aVb·Nc·K進(jìn)一步簡(jiǎn)寫(xiě)為R=mVb·Nc，兩邊取自然對(duì)數(shù)可得：lnR=lnm+blnV+clnN，進(jìn)一步寫(xiě)成y=a+bx+cz，經(jīng)回歸計(jì)算得到：b=3.812，c= 1.218，m=ea=0.00104，故回歸擬合曲線方程：

3.2.2應(yīng)用測(cè)強(qiáng)曲線推定構(gòu)件混凝土強(qiáng)度

運(yùn)用擬合出來(lái)的超聲回彈法測(cè)強(qiáng)曲線式（5）推定該錐形懸臂構(gòu)件從稍端至根部的強(qiáng)度分布見(jiàn)表4，并依據(jù)表4數(shù)據(jù)作圖見(jiàn)圖3。

表4 錐形構(gòu)件稍端至根部的強(qiáng)度分布/MPa

圖3 錐形構(gòu)件稍端至根部的強(qiáng)度分布

由于錐形鋼筋混凝土構(gòu)件沿長(zhǎng)度方向變截面，其成型工藝為離心成型，在成型過(guò)程中沿桿長(zhǎng)方向上所受的離心力大小不同，稍端小，根部大，會(huì)造成稍端混凝土不如根部混凝土密實(shí)，因此會(huì)出現(xiàn)沿長(zhǎng)度方向的強(qiáng)度分布出現(xiàn)差異。

由于懸臂構(gòu)件破壞多為根部受彎作用下的拉斷，故其強(qiáng)度代表值應(yīng)當(dāng)選靠近根部的強(qiáng)度推定值，選30.7MPa作為該構(gòu)件的強(qiáng)度代表值進(jìn)行后續(xù)原型加載試驗(yàn)。

4 構(gòu)件原型加載試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用儀器均進(jìn)行了檢定，檢定結(jié)果符合要求。所用儀器見(jiàn)表5。試驗(yàn)裝置為自行設(shè)計(jì)的加載架，采用千斤頂加載，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4。

4.2試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)2.2.2中超聲-回彈綜合法推定的混凝土強(qiáng)度和配筋情況計(jì)算各試驗(yàn)電桿的力學(xué)參數(shù)，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析驗(yàn)證無(wú)損檢測(cè)方法推定強(qiáng)度的可靠性。結(jié)果見(jiàn)表6。

注：Mtu推定強(qiáng)度下，計(jì)算極限承載力彎矩(kN·m)，Msu試驗(yàn)極限承載力彎矩(kN·m)，Mtcr推定強(qiáng)度下，計(jì)算的開(kāi)裂彎矩(kN·m)，Mscr試驗(yàn)開(kāi)裂彎矩(kN·m)，Mt推定強(qiáng)度下，計(jì)算的正常使用極限狀態(tài)的彎矩值(kN·m)，f正常使用極限狀態(tài)Mt彎矩值下計(jì)算的撓度值(mm)，f＇正常使用極限狀態(tài)Mt彎矩值下試驗(yàn)撓度值(mm)，Wmax正常使用極限狀態(tài)Mt彎矩值下計(jì)算的最大裂縫寬度(mm)，Wsmax正常使用極限狀態(tài)Mt彎矩值下試驗(yàn)的最大裂縫寬度(mm)。

由表6可以看出，采用超聲-回彈綜合法推定懸臂構(gòu)件混凝土強(qiáng)度計(jì)算構(gòu)件力學(xué)性能與原型加載試驗(yàn)實(shí)際結(jié)果相比較，極限承載力、撓度、最大裂縫寬度等指標(biāo)極為吻合，僅初裂荷載差別較大，這是因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中對(duì)初裂荷載的判定主要依靠觀察初始裂縫的出現(xiàn)，往往觀察到的第一條裂縫并非真實(shí)的初始裂縫就會(huì)引起初裂荷載的判定偏大。

表5 試驗(yàn)用儀器

圖4 懸臂式裝置示意圖

表6 計(jì)算值與試驗(yàn)值比較

5 結(jié)論

⑴超聲-回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線的建立應(yīng)在國(guó)家統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)氐夭奶攸c(diǎn)，進(jìn)行一定數(shù)量的測(cè)試并結(jié)合芯樣強(qiáng)度，擬合計(jì)算測(cè)強(qiáng)曲線中的參數(shù)，建立高精確度的專(zhuān)用測(cè)強(qiáng)曲線。

⑵采用超聲-回彈綜合法結(jié)合芯樣強(qiáng)度可建立高準(zhǔn)確度的測(cè)強(qiáng)曲線。對(duì)本文錐形懸臂鋼筋混凝土構(gòu)件而言，采用測(cè)強(qiáng)曲線fcu,re=0.00104×V3.812×N1.218推定構(gòu)件混凝土強(qiáng)度代表值為30.7MPa。

⑶采用測(cè)強(qiáng)曲線推定的混凝土強(qiáng)度代表值進(jìn)行構(gòu)件承載力等的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與構(gòu)件原型加載試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。計(jì)算極限承載力為77.7(kN·m)，試驗(yàn)極限承載力為80.8(kN·m)；正常使用狀態(tài)下的撓度計(jì)算值為232mm，試驗(yàn)值為169mm；正常使用狀態(tài)下的最大裂縫寬度計(jì)算值為0.03mm，試驗(yàn)值為0.02mm。

[1]龐超明，秦鴻根，季垚.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2006.

[2]徐茂輝.混凝土中鋼筋檢測(cè)的探地雷達(dá)方法[D].汕頭：汕頭大學(xué)，2004.

[3]陳衛(wèi)東，等.蒸養(yǎng)混凝土早期力學(xué)性能影響因素研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005(6):22-25.

[4]張彩霞.回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)際應(yīng)用分析[J].山西建筑，2002，28(1)：20-21.

[5]張競(jìng)男，王浩，喬建東.超聲-回彈-鉆芯綜合法測(cè)強(qiáng)初探[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003(6):886-889.