汪 陽(yáng)，孟令凱，呂光大，劉欣陽(yáng)

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100076）

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有施工周期短、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)建筑工程施工中。與現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件相比，裝配式疊合板構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)施工強(qiáng)度更低、模板利用率更高，而疊合板構(gòu)件的質(zhì)量是影響裝配式鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)整體性能的關(guān)鍵。然而在疊合板構(gòu)件制作過(guò)程中，需要在構(gòu)件中設(shè)置照明、消防、給水等系統(tǒng)的預(yù)埋件，如果預(yù)埋件位置出現(xiàn)偏差或者混凝土振搗不充分等，就會(huì)導(dǎo)致疊合板構(gòu)件在使用過(guò)程中發(fā)生空洞、脫空等缺陷，嚴(yán)重威脅鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件的抗震性能。因此，對(duì)疊合板構(gòu)件缺陷進(jìn)行檢測(cè)，獲取缺陷位置與大小，對(duì)保障裝配式鋼筋混凝土建筑的穩(wěn)定性與安全性至關(guān)重要。

1 超聲波技術(shù)檢測(cè)疊合板構(gòu)件缺陷

1.1 采集疊合板構(gòu)件超聲波探測(cè)參數(shù)

超聲波就是頻率在20kHz 以上的聲波，從力學(xué)特性看，裝配式鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件屬于彈-粘-塑性體，當(dāng)超聲波在內(nèi)部傳播時(shí)，會(huì)在疊合板構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一系列聲學(xué)現(xiàn)象，從而激發(fā)出彈性波，所以根據(jù)接收波信號(hào)即可掌握疊合板構(gòu)件內(nèi)部缺陷分布情況，本文引入超聲波技術(shù)設(shè)計(jì)一種裝配式鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件缺陷無(wú)損檢測(cè)方法[1]。首先需要搭建一個(gè)主動(dòng)超聲檢測(cè)裝置，用于完成超聲波在疊合板構(gòu)件中的傳輸，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 主動(dòng)超聲波檢測(cè)裝置示意圖

本文采用的主動(dòng)超聲檢測(cè)裝置是通過(guò)儀器發(fā)射出周期性的超聲波，當(dāng)超聲波經(jīng)過(guò)疊合板構(gòu)件的傳播后，被接收端所接收，并將接收信號(hào)顯示在儀器上，根據(jù)接收信號(hào)的相對(duì)變化即可判斷當(dāng)下疊合板構(gòu)件的質(zhì)量[2]。超聲波探測(cè)參數(shù)主要包括聲速、頻率以及幅值[3]。

其中聲速的計(jì)算公式如下

式中vc——超聲波在疊合板構(gòu)件中傳播的聲速；

L——超聲波在疊合板構(gòu)件中傳播的距離；

t——超聲波在疊合板構(gòu)件中傳播的時(shí)間。

當(dāng)超聲波在疊合板構(gòu)件中傳播時(shí)，受構(gòu)件介質(zhì)的影響，超聲波頻率與振幅會(huì)發(fā)生衰減，所以超聲波在疊合板構(gòu)件中的衰減情況也可以反映構(gòu)件的缺陷情況，那么超聲波頻率與振幅的衰減表達(dá)式為

式中P——超聲波經(jīng)過(guò)疊合板構(gòu)件傳播后的頻率；

P0——超聲波的發(fā)射頻率；

ε——超聲波的衰減系數(shù)；

f——超聲波經(jīng)過(guò)疊合板構(gòu)件傳播后的振幅；

f0——超聲波的發(fā)射振幅。

本文通過(guò)主動(dòng)超聲波檢測(cè)裝置采集了一系列裝配式混凝土疊合板構(gòu)件的超聲波探測(cè)參數(shù)，根據(jù)不同質(zhì)量疊合板構(gòu)件的超聲波探測(cè)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)缺陷無(wú)損檢測(cè)。

1.2 疊合板構(gòu)件缺陷判定

在利用超聲波技術(shù)檢測(cè)裝配式鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件缺陷時(shí)，合理的判據(jù)至關(guān)重要，一般來(lái)說(shuō)，文中上述內(nèi)容采集的疊合板構(gòu)件超聲波探測(cè)參數(shù)具有一定的波動(dòng)性[4]，無(wú)法制定一個(gè)統(tǒng)一的缺陷判定標(biāo)準(zhǔn)，所以本文多因素判據(jù)法（NFP法）進(jìn)行疊合板構(gòu)件缺陷的判定。理論上認(rèn)為，當(dāng)超聲波經(jīng)過(guò)裝配式鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件傳播后，如果混凝土內(nèi)部存在缺陷，會(huì)造成全部超聲波相關(guān)探測(cè)參數(shù)的改變，但在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中，聲速、頻率、幅值這幾個(gè)參數(shù)有可能僅有一到兩個(gè)發(fā)生變化，所以如果僅采用單一因素進(jìn)行缺陷判定，有可能會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果存在嚴(yán)重誤差，本文采用了多因素判據(jù)法。首先根據(jù)下式求出多超聲波探測(cè)參數(shù)的綜合判斷值NFP，然后對(duì)裝配式鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件缺陷的綜合判據(jù)值進(jìn)行夏里埃分布檢驗(yàn)，如果式（4)所求NFP（n)在1 以下，且N在100 以下，那么表示當(dāng)前為不可能發(fā)生事件卻發(fā)生了，所以檢測(cè)點(diǎn)存在缺陷。那么根據(jù)多因素判據(jù)法對(duì)疊合板構(gòu)件檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，可以得到圖2 所示的缺陷示意圖。

圖2 某疊合板構(gòu)件缺陷示意圖（NFP法）

式中NFP（n)——疊合板構(gòu)件第n個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的綜合判據(jù)值；

N——檢測(cè)點(diǎn)總數(shù)；

μ——概率保證系數(shù)；

δ——超聲波聲速、頻率、幅值的乘積標(biāo)準(zhǔn)差。

如圖所示，采用NFP判據(jù)法對(duì)疊合板構(gòu)件的超聲波探測(cè)參數(shù)進(jìn)行缺陷判定時(shí)，可清晰掌握缺陷的形狀與大小[5]，所以本文設(shè)計(jì)超聲波技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)裝配式鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件的缺陷檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)裝配式鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件缺陷檢測(cè)方法的有效性，搭建超聲波檢測(cè)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)際的鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，并采用傳統(tǒng)鉆孔檢測(cè)法做為實(shí)驗(yàn)對(duì)照組，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)本文設(shè)計(jì)方法的性能做出判定。受篇幅因素等限制，本次實(shí)驗(yàn)不對(duì)各個(gè)缺陷類型逐個(gè)展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究，僅針對(duì)疊合板構(gòu)件的空洞缺陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。首先，實(shí)驗(yàn)制作了兩個(gè)基本一致的鋼筋混凝土疊合板試件，混凝土強(qiáng)度為C35，疊合板試件尺寸為2.1m×1.6m×1.2m，在兩個(gè)疊合板試件上分別設(shè)置2 個(gè)人工長(zhǎng)方體的空洞缺陷，缺陷厚度分別為25mm、50mm，如圖3 所示。

圖3 疊合板試件缺陷設(shè)置方式

如圖3 所示，這兩個(gè)空洞缺陷位置、形狀、大小完全相同的鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件為本次實(shí)驗(yàn)所使用的試件，其中試件1 采用本文設(shè)計(jì)超聲波檢測(cè)方法進(jìn)行缺陷檢測(cè)，試件2 采用鉆孔檢測(cè)方法進(jìn)行缺陷檢測(cè)，為保證本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信性，兩種缺陷檢測(cè)方法的測(cè)點(diǎn)分布位置也保持一致，如圖4 所示。

圖4 疊合板試件測(cè)點(diǎn)布置示意圖

如圖4 所示，本次實(shí)驗(yàn)中每一個(gè)疊合板試件均布置了10 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，理論上C2、C7 測(cè)點(diǎn)可檢測(cè)到厚度為25mm 的空洞缺陷，C4、C9 測(cè)點(diǎn)可檢測(cè)到厚度為50mm 的缺陷。然后分別采用實(shí)驗(yàn)組方法與對(duì)照組方法對(duì)這兩個(gè)試件的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，并詳細(xì)分析檢測(cè)結(jié)果[6]。

2.2 結(jié)果分析

當(dāng)采用本文設(shè)計(jì)方法檢測(cè)鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件的空洞缺陷時(shí)，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果顯示，疊合板構(gòu)件超聲波的波形有以下兩種，如圖5、圖6 所示，鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件的空洞缺陷區(qū)域?qū)Τ暡ǚ档挠绊戄^大，超聲波通過(guò)正常區(qū)域時(shí)與空洞區(qū)域時(shí)的波形存在顯著差異，所以本文設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)裝配式鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件的空洞缺陷檢測(cè)[7]。

圖5 超聲波通過(guò)正常區(qū)域時(shí)的波形

圖6 超聲波通過(guò)空洞區(qū)域時(shí)的波形

為進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的檢測(cè)精度，采用下式分別計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)下疊合板構(gòu)件空洞缺陷厚度的檢測(cè)值

式中H——鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件內(nèi)部空洞的厚度；

t1——超聲波通過(guò)存在空洞缺陷疊合板構(gòu)件的時(shí)間；

t2——超聲波通過(guò)無(wú)缺陷疊合板構(gòu)件的時(shí)間；

v0——超聲波在空氣中的聲速[8]。

求得疊合板構(gòu)件空洞缺陷厚度的檢測(cè)值，同時(shí)記錄下鉆孔檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)各測(cè)點(diǎn)下空度缺陷厚度的檢測(cè)值，并與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同方法的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

疊合板構(gòu)件空洞厚度檢測(cè)值的最大誤差為2.6mm，發(fā)生在測(cè)試點(diǎn)C4，在3mm 以內(nèi)，符合測(cè)試要求，而且設(shè)計(jì)方法的平均絕對(duì)誤差為1.88mm，較對(duì)照組方法降低了2.21mm，可見(jiàn)設(shè)計(jì)方法下的疊合板構(gòu)件空洞厚度檢測(cè)值更為精確。與此同時(shí)，本文設(shè)計(jì)方法無(wú)需破壞疊合板構(gòu)件即可完成了缺陷檢測(cè)，真正實(shí)現(xiàn)了疊合板構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)，表明該方法具有一定可行性與可靠性[9]。

3 結(jié)語(yǔ)

超聲波檢測(cè)法可在裝配式鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件上進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)出疊合板構(gòu)件的內(nèi)部空洞、脫空等缺陷，且檢測(cè)效果良好，在裝配式建筑混凝土構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展前景。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的超聲波無(wú)損檢測(cè)方法而言，疊合板構(gòu)件的邊界對(duì)超聲波信號(hào)具有約束，同時(shí)超聲波檢測(cè)裝置中接收的超聲波信號(hào)存在噪聲，均在一定程度上影響疊合板構(gòu)件缺陷檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以今后將針對(duì)如何有效消除邊界約束與噪聲信號(hào)進(jìn)行深入研究，從而提升疊合板構(gòu)件檢測(cè)方法的適用性。