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钢管混凝土结构脱空损伤诊断研究的各类无损检测方法

来源: | 作者:ymssn | 发布时间:2020-08-03 | 110 次浏览 | 分享到:

1. 钢管混凝土组合结构及其优点 

钢管混凝土(CFST)组合结构作为一种新兴的组合结构,由于其充分发挥钢材与混凝土材料各自的优点的优越性,被广泛应用于厂房、高层建筑和大跨结构和桥梁中。按截面形式的不同,可分为圆钢管混凝土和方钢管混凝土,工程中常见的几种截面形式如图1所示。钢管混凝土组合结构主要有以下方面的优点:

图 1.常用的钢管混凝土组合结构截面形式

1.1 承载力高 

钢管内的混凝土在四周钢管的约束下,承受轴向压力时处于三向受压的应力状态,混凝土的强度大幅提高,且钢管在内部混凝土的支撑下极大程度地避免了局部屈曲破坏的可能,两种材料相互取长补短。研究表明钢管混凝土构件的承载力远高于钢管与混凝土二者承载力之和。 

1.2 良好的塑性与抗震性能 

混凝土为脆性材料,钢管在轴压下也会发生脆性的屈曲破坏,但在两种材料的相互作用下,当构件轴向受压时,在外部钢管发生屈曲破坏的情况下仍然具有一定的承载能力,且在压弯剪循坏荷载作用下,其水平作用力与位移之间的滞回曲线饱满,抗震性能优于传统的混凝土结构。 

1.3 耐火性能和耐腐蚀性能好 

火灾作用下钢管内部的混凝土材料可吸收大量的热量,短时间内结构的温度上升得到缓解,大大延迟了结构高温下的破坏,且钢管的外露面积相对纯钢结构而言更少,因此抗腐蚀的性能和维护的费用都较之大大减少。 

1.4 施工方便,经济效益显著钢

管混凝土组合结构构造简单,钢管可以兼任模板的作用,且无需进行钢筋绑扎,运输和施工吊装较为简便,使得工期大大缩短,并节约人力物力,经济效果显著。 

2. 钢管混凝土组合结构的损伤 

钢管混凝土组合结构被广泛应用于桥梁中,受施工工艺和材料自身特性等因素的影响,加之钢管混凝土拱桥设计规范和理论的不完善,现役钢管混凝土组合结构中已出现不同程度的病害,应当引起高度重视[2]。钢管混凝土组合结构的损伤类型主要包括:管内混凝土界面脱空现象、钢管局部鼓曲、钢管局部锈蚀等,其中以钢管混凝土的管壁脱空现象最为普遍。钢管混凝土组合结构脱空现象可分为两类,第一类是有混凝土不密实或自身收缩引起的环向脱空,第二类是由于填充不密实或混凝土流动造成的近壁空穴。第二类脱空损伤常见的形式如图 2.所示。

图 2. 常见的钢管混凝土脱空截面

3. 常用的钢管混凝土组合结构脱空检测方法 

目前国内外关于钢管混凝土组合结构脱空损伤的无损检测方法研究并不多,常用检测方法分为有损检测和无损检测两大类,有损检测主要指钻芯取样法,无损检测方法包括人工敲击法、超声波法、光纤传感法、红外热像法、表面波法、X射线断层扫描法等等。上述无损检测方法中以超声波法最为常用,超声波法进行结构损伤检测的仪器设备及相关规程的制定也最为成熟。 

3.1 人工敲击法 

人工敲击法(Hammering Method)又称锤击法,是最粗略简单的检测方法。铁路的建设与维护中常用此方法初步检测铁轨的结构损伤。人工敲击法通过检测者人工敲击钢管表面,根据听到的敲击声响应来判断钢管中的混凝土是否存在脱空的情况。根据一般经验,若敲击声沉而哑,则可判断混凝土与钢管壁紧密粘结,反之若敲击声清脆,钢管壁内的混凝土可能存在脱空现象,需要做出标记,以便进行下一步检查。人工敲击法的准确性常常受到操作人员个人的熟练程度影响,操作时的人为因素过大,是粗略的检测方法,因此常

常作为一种辅助的手段,结合其他定性定量检测方法一同操作。

3.2 常规超声波法 

超声波法(是目前较为常用的钢管混凝土构件无损检测方法。由于超声波在不同的介质的界面处的传播方向和路径会发生改变,超声波的传播经过钢–混凝土界面脱空损伤或混凝土内部孔洞时也会发生改变,同时波的能量会在缺陷界面处发生衰减,继而引起频率、振幅、声时的变化。利用超声波信号的这种特性,可以对钢管混凝土构件是否存在损伤进行检测。在实际工程中,采用超声波信号的特性对钢管混凝土进行损伤检测的方法主要有:波形识别法、首波声时法、首波频率法。钢管混凝土界面密实时,超声波纵波的传播路径沿径向,由发射换能器经过管内的混凝土传播至接收换能器。而存在脱空损伤时,截面中超声波的传播路径有三种:a)在钢管壁内绕过脱空损伤区域后传播至接收换能器;b)经过脱空损伤区域的空气层,直接传播至混凝土,沿着发射换能器与接收换能器之间直线的方向传播;c)从发射换能器出发,沿着外侧的钢管壁传播至接收换能器,如图3所示.

图 3. 脱空截面超声波传播路径

3.3  光纤光栅法

      光纤光栅法(Fiber Grating Method)是利用光纤的光敏性特征进行损伤检测的方法。其工作原理是,光纤光栅使光纤区的折射率在一定的范围内变化形成小的周期调制,纤芯内入射光也会发生折射率的周期性变化,纤芯中的入射光相干图形将形成永久空间的相位光栅,相当于一个窄宽带的滤波器。纤芯的折射率或者是光纤的周期性会随着外界环境中的应力应变、温度等物理量变化而变化,改变了反射光的波长,据波长的变化可以获得目标物理量的变化情况。 光纤光栅可以分成两大类:均匀周期光栅和非均匀周期光栅,其中,均匀周期光纤光栅分成布拉格光栅(短周期光栅或反射光栅)和透射光栅(长周期光栅),

      非均匀周期光纤光栅分成相移光栅和啁啾光栅,如图1.7所示[35,36]。布拉格光栅因其体积小质量轻的优点常被用于复合材料的损伤监测。光纤光栅法与传统的电检测手段相比,可以进行准分布式测量和点测量,适用于需要长时间监测的结构,在土木工程领域尤其是桥梁检测领域获得了广泛的关注度。当光纤光栅传感器应用与钢管混凝土结构时,一旦混凝土与钢管发生界面脱空,预埋其中的光纤传感器受到混凝土的牵动,发生光纤微弯,造成能量传输的损耗。

      对于钢管混凝土界面脱空的损伤检测来说,该方法具有受环境影响小,耐腐蚀,抗电磁干扰、可以对脱空损伤状态进行定性定量分析、长期监测工作量小,并且能随时追踪钢管内的混凝土的状态和损伤的最新变化,利于及时发现安全隐患、体积小,适用于狭窄空间等优点。但需在结构中预先埋置传感器,且光纤造价昂贵、容易被破坏,所以需要在灌注混凝土时加以保护措施。

3.4 红外热像法 

      红外热成像法(Infrared Thermography Method)兴起于上世纪90年代,在航空航天、电力、石油化工、建筑、汽车等领域应用广泛。红外热成像技术以热波理论和红外辐射普朗克定律为理论基础。运用红外热像仪探测物体连续辐射出的红外线能量,根据物体表面温度分布场的特征生成热成像图,直观地描述被测物体表面或内部存在损伤的情况的无损检测技术。被测物体的温度越高,其红外能量的辐射率越大。用红外热成像法进行损伤检测时,加热处理构件后,通过红外热像测试仪对被测表面进行红外摄像,如图1.8所示,直观地反映构件表面的温度场分布,根据缺陷的隔热性能或导热性能的差异判断是否存在损伤缺陷。由于此方法是非接触式的无损检测方法,不会对被测结构产生损坏,且对不同的温度场能够进行广视域的快速扫测与遥感检测,可以作为辅助手段很好地补充与目前已有的无损检测技术。

      红外热成像法检测钢–混凝土界而脱空损伤的机理是:由于钢–混凝土脱空界面存在隔热性能好、导热系数要远小于密实界面的空气层,通过外部热源对钢板进行升温时,钢–混凝土界面脱空处的热能由钢板经过空气层然后再传给混凝土,界面脱空处的热量较界面密实处的热量更为聚集;利用红外热成像仪可以敏感地捕捉物体表面的温度分布情况,由于缺陷边缘表面投影位置处温度梯度值最大,故等温线最密集的部分即为脱空损伤的边缘,从而推测出脱空损伤的位置与程度。

      红外热成像探伤技术适用于大面积普查与远距离非接触式检测,具有检测结果准确可靠、检测速度快并且操作安全等优点。该方法适用大面积的成像检测,无法提供准确的定量损伤信息。

       Case 钢–混凝土组合板构件红外探伤测试:

       对构件的钢表面进行加热处理时,采用两个“小太阳”暖烤炉进行均匀加热处理,如图4所示。

图 4. 钢–混凝土组合板构件均匀加热

      用电烤炉将钢板表面均匀加热二十分钟后,通过红外热像仪拍摄记录构件钢表面的温度分布场,损伤区域的描述和相应位置的温度分布如图5.1和图5.2所示。填充珍珠棉泡沫设置的局部脱空损伤包括图中下部的200×350mm2矩形损伤、图片中部的150 ×150mm2矩形损伤、直径及边长为30mm及30mm的矩形与圆形小损伤,以及图中上部的150×150mm2矩形损伤与直径150mm的圆形损伤。 从图5.2可知,在人工热源的加热下,构件表面的温度整体达到了 30 ℃以上,在200×350mm2的矩形损伤区域温度最高达 40 ℃左右,在直径或边长为150mm的矩形与圆形脱空损伤区域也出现了局部高温,上述区域的温度要高于没有设置损伤部位的温度,因此可以从图中大致分辨出这些损伤的位置。而面积较小的损伤区域则无法直接通过温度场分布的图片识别出来,符合试验预期。

图5.1钢–混凝土组合板构件的脱空位置分布

图5.2  钢–混凝土组合板构件均匀加热后的温度场分布

3.5 冲击回波法 

冲击回波法(Impact Echo Method,简称IE法)是诞生于上世纪80年代的基于应力波理论的无损检测方法。冲击回波法的基本原理是利用钢球或小锤轻敲被测表面带来的短时的机械冲击产生低频的应力波,应力波在结构内部传播,行至缺陷表面或构件底面处发生反射,同侧的构件表面也将接收到反射回来的应力波信息,应力波在构件表面与内部缺陷表面或构件表面底部边界之间的来回反射产生瞬态共振,通过在振幅谱中识别出共振频率的方法,确定构件内部缺陷的深度或构件的厚度。其损伤检测的原理如图6 所示。

图6.  冲击回波法检测原理

传统的单点式冲击回波法经过不断地发展和完善,衍生出扫描式的冲击回波法,目前已经成功应用于大型预制板预应力管道灌浆效果的检测,大大提高了检测效率。冲击回波法探伤具有设备轻便、操作简便、测试深度范围大和受高频杂波干扰少等优点,但其测试效率不高,对于复杂的内部缺陷其反射波形的特征还有待进一步的研究与完善。

3.6  超声波相控阵法

超声波相控阵的无损检测方法具有灵敏度高、穿透力强、检验速度快、成本低和设备简单轻便等优点,因此为最常用的无损检测手段之一。常用的超声检测方法涉及的方法包括穿透法、脉冲反射法、串列法等等,其中脉冲反射法的应用最为普遍。超声波相控阵被广泛地应用于钢板、焊缝的损伤检测,也可以通过标准校准件标定出钢板与混凝土结合密实、不同程度的脱粘、完全剥离等标准试块的典型图形显示,通过实际检测与标准试件图形进行对比进行判定。

3.7  阵列超声波成像仪法

除了检测钢板/钢管混凝土结构脱粘情况,对于内部混凝土结构完整性的检测有是重点关注区域。通过实践论证,采用阵列超声波成像仪法可穿透钢板对内部结构进行检测。如果钢板/钢管已与混凝土脱粘,阵列超声波成像仪法则无法对内部结构进行检测,在图形中则无法显示有效信息,超声波成像在顶部强烈红色,可以间接的判断钢板/钢管已与混凝土脱粘。如可以正常检测可判断钢板/钢管已与混凝土粘结良好。