超声波在巨型钢管混凝土密实性检测中的应用

许明耀

(武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉 430072)

许明耀

(武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉 430072)

介绍了超声波检测巨型钢管混凝土密实性的原理，归纳了平面检测、预埋声测管检测、混合检测三种常规检测方法，结合工程实例，综合运用三种检测方法，实现了对巨型钢管混凝土密实性的检测，可供类似工程参考使用。

超声波，巨型钢管混凝土，密实性，检测方法

0 引言

目前，巨型钢管混凝土柱广泛应用于高层或超高层建筑中，深圳赛格广场、武汉中心大厦及天津高银117大厦等超高层建筑均有应用。随着巨型钢管混凝土结构在工程中应用的日益增多，钢管内混凝土的质量问题已逐渐成为施工质量的关键指标。由于其截面尺寸大、内部构造复杂、施工困难等特点，即使浇筑高性能膨胀混凝土，也会出现孔洞、脱空等缺陷，造成工程质量下降。近些年来，超声波检测是一项发展迅速的实用技术，其通过发射周期性超声脉冲波，经过结构内部传播与接收，对其声学参数的检测与分析来判断结构内部密实性。超声波检测技术操作简单且对结构无损伤，因而使之成为巨型钢管混凝土密实性检测的主要方法之一。

本文对超声波检测巨型钢管混凝土密实性的原理、检测方法以及注意事项作了相关介绍，并结合工程实例，综合运用几种检测方法，实现了对巨型钢管混凝土密实性的检测。

1 超声波检测巨型钢管混凝土原理

超声波检测是指超声波发射换能器在巨型钢管柱外壁的一侧发出周期性脉冲波，经过钢管壁、混凝土等传播后，由接收换能器所接收，最后由仪器显示声波信号[1]。

在传播途中如遇到缺陷时，将导致声学参数(波形、波速、波幅)异常，通过对超声脉冲波在混凝土中声学参数的检测与分析，判断钢管内混凝土的缺陷情况。

当钢管与混凝土粘结良好且混凝土均匀密实时，其传播声速是在固定的范围内保持不变的，而当钢管内存在缺陷时，会导致超声波传播时间增大，传播速度相应减小。

一般来说，超声波在密实性良好的钢管混凝土中传播声速在4.1 km/s～4.8 km/s范围内，而钢管内出现缺陷时声速会有所改变，当裂缝宽约0 mm～0.2 mm时，异常声速3.5 km/s～4.1 km/s，当裂缝宽约为0.2 mm～0.4 mm时，异常声速为2.7 km/s～3.5 km/s。总之，钢管内混凝土缺陷越大，异常声速会越小。

超声波检测巨型钢管混凝土密实性时主要以声速作为判别标准，并结合幅值、频率和波形等综合特性来实现对巨型钢管混凝土缺陷的判断。

2 超声波检测方法

在实际工程中，根据钢管混凝土柱的尺寸大小、结构构造、环境状况、检测表面以及可能出现缺陷等情况选用不同的检测方法。参考已有研究成果[2-4]和工程实践，目前国内常采用平面检测法、预埋声测管检测法和混合检测法三种超声波检测钢管混凝土缺陷方法，依据不同的方法选用不同的超声波测试仪器。现阶段工程中常采用非金属超声波检测仪以及平面换能器和径向换能器等附属配件，如图1所示。

2.1 平面检测法

平面检测法一般包括径向对测法和轴向斜测法两种，其主要检测尺寸相对较小、挂壁较薄的钢管柱内孔洞、脱空等缺陷。检测仪器需要一台非金属超声波检测仪及一对平面换能器进行检测。

2.1.1 径向对测法

径向对测法是指发射和接收换能器耦合于钢管柱表面两侧，透射路线穿过钢管柱的中轴线，并与其垂直，如图2a)所示。其具体过程如下：

1)在检测时首先在钢管混凝土同一水平环线上将一对发射换能器和接收换能器用黄油与钢管外壁进行耦合，且需使发射和接收换能器的连线通过钢管截面的圆心。

2)在同一水平环线上变换发射和接收换能器的位置进行逐一检测。其环线间距可根据钢管混凝土直径大小及其在结构中所处的位置确定。

3)在检测过程中如发现某些测点声时偏长或波幅明显偏低，应检查发射和接收换能器与钢管外壁表面的耦合是否良好,同时还应敲击发射和接收换能器耦合处是否存在空鼓声,以便排除耦合不良和混凝土与钢管壁脱空的干扰。

2.1.2 轴向斜测法

轴向斜测法是指发射和接收换能器耦合于钢管柱表面两侧,透射路线穿过钢管柱中轴线，但其不与柱轴线垂直，如图 2b)所示，其具体过程与对测法一致。

2.2 预埋声测管检测法

预埋声测管法包括管中对测法和管中斜测法，其主要检测钢管内部混凝土的孔洞等缺陷,检测仪器需要一台非金属超声检测仪以及一对径向换能器进行检测。

2.2.1 预埋管中对测法

预埋管中对测法是指将发射和接收径向换能器置于预埋的声测管中的同一高度进行检测，如图3a)所示，其具体过程如下：

1)将一对发射和接收换能器置于预埋声测管内，并用水进行耦合，开启超声波仪器，调制相关参数，并保持仪器处于无干扰的环境中；

2)将发射和接收换能器置于同一高度，进行声速、波幅及频率数据采集；

3)发射和接收换能器应同步升降，从声测管底部到上端进行逐一检测，每个测点应保持合理的间距，以免出现异常情况。

2.2.2 预埋管中斜测法

预埋管中斜测法是指将发射和接收换能器置于被测钢管的预埋声测管中,但两个换能器不能处于相同高度而是需要保持一定高程差进行检测,如图3b)所示，其具体过程与对测法一致。

2.3 混合检测法

混合检测法也包括对测法和斜测法两种，指将一个径向换能器置于预埋声测管中,另一个平面换能器耦合于钢管外壁，其主要检测声测管与钢管壁之间混凝土的密实性。其中对测法需要两种换能器保持在同一水平线上,斜测法使两种不同的换能器处于不同的高度，如图4所示。

3 工程实例

本文综合运用上述三种超声波检测方法对武汉某超高层建筑中巨型钢管混凝土柱的密实性进行了检测。工程中巨型钢管柱的直径为2 m～3 m，在钢管柱内设有圆形钢筋笼，图5为工程中巨型钢管混凝土柱的截面图，柱中浇筑为C60自密实混凝土。

为满足工程中超声波检测的需要，在浇筑混凝土前，预先在巨型钢管柱内的圆形钢筋笼上绑扎三个均匀分布的声测管。巨型钢管柱内混凝土浇筑完成，且混凝土产生充分的收缩与徐变后密实性检测开始进行。钢筋笼内的区域密实性采用预埋声测管法进行检测，钢管与钢筋笼间的区域密实性采用混合法进行检测。

在检测过程中，将置于预埋声测管中的径向换能器用水进行耦合，置于钢管外壁的平面换能器涂黄油进行耦合。发射与接收换能器由钢管柱底同时往上依次进行检测，上下相邻测点的距离为250 mm。

表1列举了工程中两根巨型钢管混凝土柱的检测结果，并依据超声波检测原理对其密实性进行了分析判断。

从判断结果可以得到，巨型钢管柱中大部分区域的密实性处于良好状态，只有少数区域存在异常现象，但该区域的截面平均声速在大于3.5 km/s的范围内，表明钢管柱内并没有出现较大的脱空、孔洞等缺陷，基本满足工程质量要求。

表1 超声波检测结果

4 结语

巨型钢管混凝土柱具有截面尺寸大、管壁厚、内部构造复杂、施工困难等特点，仅采用单一检测方法难以确定巨型钢管混凝土柱中缺陷的具体位置。

因此，将平面检测法、预埋管检测法和混合检测法相结合，综合应用于实际工程中，发挥各自的优点，弥补其不足，更好地实现对巨型钢管混凝土的密实性检测。

[1] 曾运平,敖卫,薛帆.超高层建筑矩形钢管混凝土柱超声波检测技术[J].施工技术,2011,40(22):76-78.

[2] 檀永杰,徐波,吴智敏，等.基于超声对测法的钢管混凝土脱空检测试验[J].建筑科学与工程学报,2012,29(2):102-110.

[3] 熊锐.钢管混凝土界面状态试验研究与分析[D].武汉：武汉理工大学,2013.

[4] 王飞.超声法在大体积复杂钢管混凝土缺陷检测中的应用研究[D].天津：天津大学,2014.

Application of ultrasonic wave in compactness detection of giant steel tube concrete

Xu Mingyao

(School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

The theory of ultrasonic wave in compactness detection of giant steel tube concrete was introduced. It summarizes three common detection methods including plane detection, pre-embedded sonic-testing tube detection and composite detection. Combined with the engineering project, the integrated detection methods can be realized for giant steel tube concrete compactness detection and can provide a reference for similar projects.

ultrasonic wave, giant steel tube concrete, compactness, detection method

1009-6825(2016)12-0211-03

2016-02-17

许明耀(1988- )，男，在读硕士

TU755.7