格桑澤仁

(西藏自治區(qū)交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督局， 拉薩850001)

基于誘導(dǎo)振動(dòng)的鋼管混凝土脫空無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究及應(yīng)用

格桑澤仁

(西藏自治區(qū)交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督局， 拉薩850001)

由于鋼管混凝土具有強(qiáng)度高、耐疲勞等特點(diǎn)，在橋梁工程中得到了廣泛應(yīng)用。鋼管混凝土在施工或運(yùn)行過(guò)程中，因混凝土材料配比、環(huán)境等多方面因素影響，導(dǎo)致鋼管混凝土脫空現(xiàn)象普遍存在。通過(guò)對(duì)比現(xiàn)有鋼管混凝土脫空檢測(cè)方法，在敲擊法的基礎(chǔ)上提出了基于誘導(dǎo)振動(dòng)法的鋼管混凝土脫空檢測(cè)技術(shù)。并深入分析敲擊力度等方面對(duì)該方法的影響，同時(shí)利用該方法對(duì)鋼管混凝土橋梁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行破損驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合度高。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該方法進(jìn)行工程檢測(cè)應(yīng)用，說(shuō)明該方法能夠準(zhǔn)確測(cè)試鋼管混凝土的脫空。為鋼管混凝土脫空提供新的可靠測(cè)試方法，為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的補(bǔ)修加固方案提供可靠依據(jù)。

誘導(dǎo)振動(dòng)法；鋼管混凝土；脫空；無(wú)損檢測(cè)

引言

眾所周知，混凝土具有很好的抗壓性能，但抗彎特性很低，而鋼材具有很強(qiáng)的抗彎性能，在受壓時(shí)，鋼材很容易失穩(wěn)[1-2]。鋼管混凝土則結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)，鋼管的存在，提供的圍壓可使混凝土處于側(cè)向受壓狀態(tài)，使得鋼管混凝土的抗壓承載力優(yōu)于普通混凝土，而混凝土的存在可提高鋼管的剛度。因此，核心混凝土處于多向受壓，使兩種材料的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮，使混凝土的抗彎性能大為改善，可以避免或延緩鋼管發(fā)生部分屈曲，從而使鋼管混凝土具有高強(qiáng)度、重量小、延性強(qiáng)、耐疲勞、耐沖擊等力學(xué)性能和省工省料、架設(shè)輕便、施工快捷等特點(diǎn)，使鋼管混凝土技術(shù)在橋梁工程中得到大量應(yīng)用。

據(jù)相關(guān)資料[3]，鋼管混凝土拱橋的脫空(脫粘)現(xiàn)象普遍存在。根據(jù)脫空產(chǎn)生的原因，可以分為以下兩類：

(1)核心混凝土不密實(shí)引起的脫空：主要為在澆筑過(guò)程中缺陷引起混凝土和鋼管界面的孔洞、水膜層造成。

(2)脫粘引起的脫空：在軸壓、溫度、收縮、徐變等因素作用下，核心混凝土與鋼管接觸面間產(chǎn)生的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力超出兩者的粘結(jié)強(qiáng)度而產(chǎn)生的脫空[4-5]。例如，鋼管混凝土拱橋直接與陽(yáng)光作用。夏季，鋼管表面溫度可達(dá)80 ℃，而內(nèi)部核心混凝土一般為50 ℃。鋼管混凝土拱橋歷經(jīng)多年，核心混凝土經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的收縮、徐變完成(相當(dāng)于溫降20 ℃)。這兩種情況共同作用[6]，相當(dāng)發(fā)生約70 ℃溫差，在大直徑鋼管中很容易導(dǎo)致鋼管和核心混凝土脫空(即鋼管與核心混凝土分離)，特別是在拱頂部位。

當(dāng)出現(xiàn)該情況后，使整個(gè)鋼管混凝土的受力情況發(fā)生重大變化。造成混凝土的圍壓降低，嚴(yán)重情況下，可導(dǎo)致鋼管本身發(fā)生座屈的可能，進(jìn)而大幅降低鋼管混凝土的承載力[7-8]。

及時(shí)明確鋼管混凝土脫空位置及區(qū)域，并進(jìn)行相應(yīng)處理，對(duì)其進(jìn)行有效檢測(cè)是必不可少的。目前，根據(jù)我國(guó)的相關(guān)規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)，已對(duì)鋼管混凝土的內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)給出了相應(yīng)的檢測(cè)方法。

1 現(xiàn)有檢測(cè)方法對(duì)比

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有方法的歸納，主要檢測(cè)方法包括鉆芯法、敲擊法、超聲波檢測(cè)法、沖擊回波法[9-11]，其主要特點(diǎn)見(jiàn)表1 。

表1 各測(cè)試方法統(tǒng)計(jì)一覽表

通過(guò)各檢測(cè)方法的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)這些方法雖然都有相應(yīng)的適用范圍，但是其缺點(diǎn)也相對(duì)明顯。需要對(duì)現(xiàn)有方法進(jìn)行改進(jìn)或提出新的方法。其中，檢測(cè)方法中的敲擊法，其根本是通過(guò)敲擊被測(cè)對(duì)象，通過(guò)聲音來(lái)確定缺陷位置。該方法在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，對(duì)環(huán)境噪聲的要求高，且存在較強(qiáng)的隨機(jī)性。研究者在此基礎(chǔ)上，提出了基于卓越周期及持續(xù)時(shí)間的鋼管混凝土脫空的無(wú)損檢測(cè)方法：誘導(dǎo)振動(dòng)法。

2 誘導(dǎo)振動(dòng)法基本原理

當(dāng)鋼管混凝土產(chǎn)生脫空時(shí)，敲擊鋼管時(shí)振動(dòng)特性會(huì)發(fā)生鋼管的彎曲剛度顯著降低，卓越周期增長(zhǎng)；振動(dòng)能量的逸散變緩，振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)(圖1 )[12-13]。

圖1 誘導(dǎo)振動(dòng)法原理

3 影響因素分析

利用激振錘對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振時(shí)，需要注意振動(dòng)信號(hào)卓越周期的影響因素?？赡艿挠绊懸蛩匕ǎ簜鞲衅鞯墓潭ǚ绞健⑶脫袅Χ鹊?。其中為了避免傳感器固定方式對(duì)卓越頻率的影響，傳感器可采用專用統(tǒng)一固定方式進(jìn)行拾振。對(duì)激振錘敲擊力度的影響，進(jìn)行如下模擬試驗(yàn)進(jìn)行分析。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了避開(kāi)測(cè)試對(duì)象的塑性變形對(duì)卓越周期的影響，測(cè)試對(duì)象采用厚度約20 mm的鋼材，傳感器探頭的固定方式采用磁性固定的方式(傳感器探頭的位置不變)，同時(shí)采用不同的敲擊力度對(duì)相同位置激振。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2 。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)試驗(yàn)可知，當(dāng)被測(cè)對(duì)象內(nèi)部情況相同時(shí)，不同的敲擊力度對(duì)測(cè)試信號(hào)的卓越周期沒(méi)有影響，說(shuō)明激振錘的敲擊力度對(duì)基于卓越周期的鋼管混凝土脫空的檢測(cè)方法沒(méi)有影響。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 工程概述

測(cè)試對(duì)象橋梁為獨(dú)拱肋鋼管混凝土拱梁組合橋，橋長(zhǎng)97.2 m，寬24 m。主拱肋高140 cm，寬310 cm，左右鋼管外徑均為140 cm，壁厚為25 mm(圖2 )。

圖2 某鋼管混凝土橋梁

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，對(duì)結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)部位進(jìn)行布點(diǎn)測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置方案如圖3 所示。為了提高測(cè)試效率及測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，傳感器的固定采用磁性吸附方式。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

4.2測(cè)試結(jié)果

測(cè)試發(fā)現(xiàn)該橋某區(qū)域存在大面積脫空(圖4 )。施工單位隨即對(duì)測(cè)試結(jié)果顯示脫空位置處進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。因脫空深度為幾毫米，通過(guò)肉眼無(wú)法精確判斷，因此對(duì)鉆孔區(qū)域進(jìn)行注水驗(yàn)證。由于注入的水迅速滲入，表明該區(qū)域存在大面積脫空，從而驗(yàn)證了檢測(cè)結(jié)果。

圖4 測(cè)試結(jié)果圖

4.3試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)利用誘導(dǎo)振動(dòng)法對(duì)在役鋼管混凝土橋梁進(jìn)行脫空檢測(cè)，并對(duì)脫空位置進(jìn)行破損驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果與開(kāi)孔的結(jié)果一致性較高。

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)采用相對(duì)分析評(píng)判方法，即采用了超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程中異常數(shù)據(jù)的處理方法[14]，當(dāng)測(cè)試區(qū)域內(nèi)同時(shí)包括脫空與密實(shí)的狀態(tài)時(shí)有較好的測(cè)試精度，而測(cè)試區(qū)域內(nèi)存在大面積或全部脫空的情況時(shí)，則存在較大的測(cè)試偏差。

因此，在實(shí)際測(cè)試鋼結(jié)構(gòu)脫空的過(guò)程中，準(zhǔn)確設(shè)置脫空閾值將直接影響脫空的測(cè)試精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鋼管混凝土橋梁脫空現(xiàn)有測(cè)試方法的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有方法對(duì)鋼管混凝土脫空檢測(cè)均存在一定程度的不足。本文在敲擊法的基礎(chǔ)上，采用高精度的傳感器及信號(hào)采集裝置，提出了針對(duì)鋼管混凝土脫空測(cè)試的新方法(誘導(dǎo)振動(dòng)法)，并深入了分析該方法的相關(guān)影響因素。同時(shí)進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究。

在室內(nèi)對(duì)彈性結(jié)構(gòu)(鋼板)進(jìn)行測(cè)試，得到脫空特征參數(shù)(卓越周期)與敲擊力度大小基本無(wú)關(guān)。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)脫空等缺陷時(shí)，卓越周期會(huì)隨著脫空的嚴(yán)重程度不同而變化。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，利用誘導(dǎo)振動(dòng)法對(duì)鋼管混凝土橋梁的脫空進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行破損驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法能夠準(zhǔn)確的測(cè)試出鋼管混凝土的脫空位置及區(qū)域，為了更準(zhǔn)確的測(cè)試鋼管混凝土的脫空，需要準(zhǔn)確的設(shè)置脫空閾值。

誘導(dǎo)振動(dòng)法是的是鋼管混凝土脫空檢測(cè)的新的有效測(cè)試方法，為鋼管混凝土的補(bǔ)修加固方案提供可靠的依據(jù)。

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Research and Application on the NDT Technology for Concrete Vibro-vacancy Based on Induced Vibration

GESANGZeren

(Tibet Autonomous Region Traffic Engineering Quality and Safety Supervision Bureau, Lhasa 850001, China)

Due to its high strength and fatigue resistance, concrete-filled steel tube has been widely used in bridge engineering. However, void phenomenon of concrete-filled steel tube (CFST) is common in the process of construction or operation because of the ratio of concrete material and environment, and so on. In this paper, based on the knocking method, the hollow concrete filled steel tube (CFST) hollow steel tube based on induced vibration method is proposed. And the influence of the striking force on the method is analyzed. At the same time, this method is used to test the concrete-filled steel tubular bridge in the field, and the test results are verified by the damage test. The results agree well with the test results. It is proved that the method can accurately test the voids of concrete filled steel tube by the engineering application of the method in the field which provides a new reliable test method for concrete-filled steel tube (CFST) voids and provides a reliable basis for the repair and reinforcement of concrete-filled steel tubular structures.

induced vibration method; concrete filled steel tube; voiding; nondestructive testing

2016-10-09

格桑澤仁(1984-)，男，四川巴塘人，主要從事公路、橋梁、隧道檢測(cè)方面的研究，(E-mail)158278405@qq.com

1673-1549(2017)01-0075-04

10.11863/j.suse.2017.01.14

TU132

A