超声波在钢管混凝土结构缺陷检测中的应用及判别方法

超声波在钢管混凝土结构缺陷检测中的
应用及判别方法
摘要：钢管混凝土结构在国内外高层、超高层、拱桥拱肋和桥梁墩柱中已经
得到较广泛的应用，而为了保证钢管混凝土结构的强度，需要对其病害情况进行
检测。

超声波检测方法是一种无损检测方法且具有高效简单的特性，因此在钢管
混凝土结构检测中得到了广泛应用。

文中通过对超声波检测方法进行论述，提出
了改进的缺陷判别方法，结合工程实例，指出了不同判定方法的适用性。

该结论
可以为超声波在钢管混凝土结构检测结果的判断分析提供参考。

关键词：超声波，无损检测，钢管混凝土结构，判别方法
0引言
钢管混凝土结构是现代工程建设中经常用到的结构形式，其主要是通过合理
的连接方式将钢管和混凝土结构结合起来，从而综合两者的优异性能[1]。

为了能
够保证钢管混凝土结构在使用过程中不出现脱落、混凝土内部不出现空洞，需要
对钢管混凝土结构的缺陷进行检测，以防出现安全事故[2,3]。

超声波检测方式由于其操作的简便性和检测高效性，在钢管混凝土结构检测
中得到了广泛应用。

影响超声波检测的因素众多，包括波速、波幅、波形和传播
时间等，很难对检测结果进行准确分析和评价。

现有方法采用单一的因素进行分
析和判断，忽略了不同病害下超声波的差异性，判断结果较为片面[4]。

因此需要
一个全面准确的钢管混凝土缺陷判别方法。

本文通过对现有的判断方法进行分析，提出了改进的PST和PAZ判定方法，并以实际钢管混凝土结构超声波检测工程为例，验证了不同判别方法的适用性，给出不同病害适合的判别方法。

1钢管混凝土结构缺陷判别准则
1.1声速判别准则
钢管混凝土质量不同时对应的内部混凝土密实度也存在一定差异，混凝土密实度不同则高频弹性脉冲波的传播速度不同，所以声音速度的变化会反映出钢管混凝土内部结构的变化，钢管混凝土内部的空隙和缺陷会造成声速参数的异常。

具体判断方法如下：
V i≤V L (1)
式中：V i为某个测点中超声波在钢管混凝土中的传播速度，V L为超声波声速极值。

当传播速度小于等于超声波判断极值时，则认为钢管混凝土结构存在缺陷，如果超声波传播速度大于判断极值，则认为钢管混凝土结构满足检测要求。

1.2波幅判别准则
振幅在钢管混凝土检测中的完整性反映了不均匀性、孔洞等混凝土病害。

超声波在传播中首波前半部分的振幅，可以显现出超声波的能量变化趋势。

空气中超声波能量的衰减远大于在混凝土中的衰减。

如果在检测过程中，声波的传播路径遇到孔洞、裂纹等缺陷，则接收到的第一波的振幅会显著降低，从而根据振幅的变化反映混凝土的密实度。

1.3波形判断准则
当超声波在传播的过程中遇到裂缝和孔洞，将出现固-气界面现象，由于传播介质的变化，超声波会出现反射、绕射、衍射现象，直达波、发射波和衍射波依次到达接收传感器。

由于频率以及相位的不同，在进行叠加时将会发生波形的扭曲。

对于正常钢管混凝土超声波的波形线，其波形线比较紧密，信号强烈规则，且正弦波振幅呈现“凸形”分布。

对于有缺陷钢管混凝土超声波的波形线，其波形线较为稀松，信号微弱杂乱，且正弦波振幅呈现“凹形”分布。

2改进的超声波钢管混凝土结构缺陷判别方法
2.1PST判别方法
声速和声时之间存在一定的相关性，该特征可作为判断钢管混凝土完整性的
基础。

声速标准对混凝土的密实度很敏感，而声间对空洞、杂质夹杂等有强烈反应。

因此，结合两者生成的PST准则可以检测到更细微的缺陷问题。

因此，如果
采用PST准则，可改善现有技术缺点。

PST=v i/t i (2)
式中，PST为声速（SPEED）和声时（TIME）在同一测点的比值（μs2/m)；v i 为第i次超声波检测的声速（m/μs)；t i为第i次超声波检测的声时（μs）。

2.2 PAZ判别方法
根据大量文献和相关实验数据，结果表明可以通过比较波幅前后的差异来确
定缺陷位置，PAZ的评价依据与波幅差成正比。

PAZ准则比振幅准则更敏感，并
克服了与声速准则不一致的问题。

(3)
式中，PAZ为波幅差与深度曲线上相邻两点距离差的比值（dB/m)；A i为第i
声测线波幅大小（dB)；A i-1为第i-1声测线波幅大小（dB)；Z i为第i声测线深
度（m)；Z i-1为第i-1声测线深度（m）。

3超声波在钢管混凝土结构工程检测中的应用
3.1工程概况
应用工程为某建筑综合体项目，其中2号楼地上结构总高度为149.65m，结
构系统采用混凝土结构，形式为钢管混凝土柱框架、外框架四角剪力墙以及钢筋
混凝土核心筒结构。

框架柱采用圆形截面混凝土填充钢管柱，钢材采用Q345GJC，钢管外径1100mm，管壁厚度在20mm，填充混凝土为C60微膨胀自密实混凝土。

测点布置如图1。

图1 检测测点布置示意图
3.2结果分析
由于浇筑过程中搅拌不均匀或者不及时，以及材料配置不合理会造成钢管混凝土内部存在脱空病害。

由超声波检测图的剖面报告可以看出某钢管混凝土柱内部存在微小脱空。

首先，选取三种常规方法进行钢管混凝土缺陷判断，具体结果如下：
(1)声速法判断，H2~H4的5~8之间、H4~H5的6~8之间、H4~H6的7~10之间为可疑缺陷位置。

(2)波幅法判断，H2~H4的5~7之间、H3~H5的7~9之间、H5~H6的6~9之间为存在空洞和不均质缺陷的位置。

(3)波形法判断，H2~H6的5~10之间范围内存在脱空病害。

其次，选取文中给出的两种修正后的判断方法进行分析，具体结果如下：
(1)PST法判断，钢管混凝土柱在H2~H3的5~7之间、H2~H3的8~9之间、
H3~H4的7~8之间、H5~H6的7~9之间存在可疑空洞病害，由此可以看出，其对混凝土的整体性和均质性判断较为精准，对于存在的脱空和杂质区域判断较为全面。

(2)PAZ法判断，钢管混凝土柱在H2~H3的5~6之间、H2~H3的8~9之间、
H3~H4的7~9之间、H5~H6的6~8之间为可疑脱空区域，由于PAZ根据超声波信
号的波幅进行判断，因此，主要依据是信号强度的衰减，其对钢管混凝土中杂质的存在判断更为准确。

最后，现场对钢管混凝土柱进行取样检测，用于验证不同验证方法的适用性和准确性，结果表明，PST判别法和PAZ判别法与实际的缺陷结果更为接近，且操作简便，判断针对性更强。

4结语
超声波检测方法在钢管混凝土结构检测中具有广泛的应用前景，本文对钢管混凝土超声波检测方法和结果判别准则进行了分析，可以得到以下结论：
(1)通过工程应用，超声波检测法适用于钢管混凝土缺陷的检测，该方法对钢管混凝土影响小，操作简单高效。

(2)本文提出的两种判别方法相对于常规方法检测钢管混凝土缺陷结果更为准确，位置更为精准。

同时PST方法适合对钢管混凝土强度变化进行判断，PAZ 方法适合对钢管混凝土内部杂质进行判断。

参考文献：
[1]王国琴,姚康伟,林余雷,陈劲,纪豪栋.新型钢管混凝土无损检测技术[J].低温建筑技术,2019,41(02):1-4.
[2]段师剑,王远传,赵勇.超声法检测钢管混凝土缺陷的分析与探讨[J].无损检测,2018,40(12):74-78.
[3]班贵生,王建军,杨占峰,韦仕学.钢管混凝土试件内的法兰盘对超声波检测结果的影响研究[J].西部交通科技,2018(08):136-139.
[4]刘莎,冯上朝.基于无损检测的道路桥梁工程测量技术研究[J].自动化与仪器仪表,2019(08):192-195.。