（江苏省建筑工程质量检测中心有限公司，南京，210008）
【摘 要】在超声检测方钢管混凝土内部缺陷的方法中，本文尝试综合超声首波声参数及波形、频谱图的内在信息，分析判断钢管混凝土内部缺陷类型的可行性；同时发现一些规律现象，不同类型的内部缺陷对应一个特征频谱图。
【关键词】钢管混凝土；超声；测缺；波形图；频谱图
钢管混凝土结构是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型组合结构，它结合了钢结构与混凝土各自材料的优点，具有承载力高、塑性和韧性好、耐火性能和抗震性能优越、施工便利快速等优点。但钢管混凝土构件受混凝土材料自身特性和泵送施工工艺等影响，容易出现钢管内壁与混凝土间胶结不良、混凝土内部空洞或不密实等常见缺陷现象，这些缺陷会影响结构性能的发挥。因此，钢管中混凝土灌注施工的质量是钢管混凝土施工质量检测的重点，由于钢管中混凝土处于一种封闭状态，直接了解其施工质量几乎不可能，我们在工作中一般采用超声波透射的方法检测其施工质量。一般工作中，我们遇到的最多的是圆钢管混凝土和方钢管混凝土结构。
1、超声波透射法检测的难点
超声波透射法检测钢管混凝土内部缺陷方法的主要原理：利用超声波能量高、混凝土中传播距离远、声波指向性强等优点，在圆钢管混凝土径向两端位置或方钢管混凝土对侧面相应位置布置超声波发、接收换能器，检测时，超声波发射换能器中超声脉冲透过钢管混凝土被接收换能器接收，通过信号放大、滤波、抑制等信号处理后，得到钢管混凝土中声波的首波声时、振幅、频率等声参数，利用声参数分析钢管混凝土内部缺陷。超声法进行钢管混凝土测缺时，仅依靠首波声参数，判断钢管混凝土各测点是否存在缺陷或缺陷类型存在很大困难。主要困难如下：
困难一：超声波透射法检测钢管混凝土内部缺陷方法，主要依据的检测规范是《超声法检测混凝土缺陷技术规程》CECS21：2000，但该规范明确表明该方法仅适用于管壁与混凝土胶结良好的钢管混凝土缺陷检测。实际工程中，没有较好的施工工艺能够满足所检测的构件完全不存在胶结不良的缺陷前提，相反，在检测中，胶结不良的缺陷较容易出现，且这种缺陷对结构的危害很大，需要我们重视对这种缺陷的检出。作为工程技术人员，需要我们探讨一些可行的方法以拓展这种检测方法的适用范畴。
困难二：钢管混凝土超声检测时，超声波存在沿混凝土传播或沿钢管传播的可能性，这就导致首先到达接收换能器的声波可能是沿混凝土传播的，也可能是沿钢管传播的，如果仅分析首波声参数，将无法可靠判断超声的传播路径及缺陷类型等。另外，很多工程技术人员在检测时，采用敲击法先判断测点处是否存在胶结不良的缺陷，但该方法主观性太强，准确性无法确定；若采用钻芯法验证，实际工程中不宜大规模采用这种方法。
2、超声波在钢管混凝土中传播路径
以某工程方钢管混凝土结构为例，构件横截面边长700mm，超声波在钢管混凝土中传播路径在一定程度上可以简化为图1中三种形式。其中，在完整无缺陷部位，超声沿发、接收换能器间直线传播；在胶结不良部位，超声先沿胶结不良钢管中传播，在胶结不良与胶结良好交界处再沿混凝土内部直线最短距离传播至接收换能器；在混凝土内部存在空洞部位，超声在空洞边缘绕射后，再传播至接收换能器。检测时，我们首先关注的是首波声时，分析图1，（b）和（c）由于传播距离增加，声时必定存在延长情况；（b）和（c）这两种情况，首波振幅亦会出现下降，振幅下降多少与传播的总声程在一定程度上成反比，同时与混凝土缺陷的形状密切相关，但不同缺陷形状对超声的衰减程度无法进行准确推算，故首波振幅不宜单独用来判断缺陷的类型；同时检测时，各个测点需注意通过计算，分析首波是经混凝土中还是钢管中传播的。
3、传统检测方法中遇到的问题
还是以上述某工程方钢管混凝土结构为例，某构件中典型测点1～5所检测得到的首波声时、振幅、频率等声参数（5个测点的声距相同）如下表1所示：
前提条
件：测点1的首波声时、振幅、频率值与模拟完整无缺陷试件基本一致，可判断测点1位置无缺陷现象。以此为据，分析测点2时，声时略有延长，振幅略有下降，可判断存在小缺陷，比照图1(b)和(c)，该缺陷胶结不良或混凝土内部缺陷都有可能，无法区分；分析测点3时，声时无明显异常，振幅下降明显，比照图1(a)、(b)和(c)，无法判断是否存在缺陷；分析测点4时，声时延长很多，振幅略有下降，按照声时判断可能存在大缺陷，按照振幅判断可能存在小缺陷；分析测点5时，声时延长明显，振幅无异常，比照图1(a)、(b)和(c)，无法判断是否存在缺陷。
4、波形及频谱图结合声参数缺陷分析尝试
由于目前检测中采用的大多数超声检测设备，除获得各测点的声参数外，同时能获得波形及频谱图。通过对该方钢管混凝土构件现场采集的各测点声参数、波形及频谱图归纳、整理分类，发现以上测点1～5对应的波形及频谱图存在各自的特有的特征现象，波形及频谱图中可能存在一些对我们缺陷类型准确判断的重要信息、依据。测点1～5所包含的波形及频谱图如下图2。
在钢管混凝土内部缺陷分析过程，采用声参数结合波形及频谱图的方式进行分析判断。
测点1，首波的声时、振幅、频率与模拟完整无缺陷试件基本一致；观察波形图（图a）：波形完整，同相位质点周期无明显差异，波形无畸变现象；观察频谱图（图a）：主峰尖锐，低频、高频部分幅值低； 测点1处钢管混凝土无缺陷。
测点2，首波声时略有延长，幅值略有下降，根据此前判断，可判断存在小缺陷，该缺陷胶结不良或混凝土内部缺陷都有可能。观察波形图（图b）：波形畸变大，同相位质点周期明显差异，分析该波形，超声在混凝土中遇到不密实时，声波发生不规则散射，但由于声波折射角小，声程增加不多，即到达接收换能器的声时无明显延长；不规则散射后，不同波的频率出现差异，在到达接收换能器前，不同频率的波发生叠加，即可解释波形畸变大，同相位质点周期出现明显差异的原因，叠加后的波能量增加，振幅衰减变小。因此，测点2最可能的缺陷是混凝土内部存在不密实。该类型缺陷频谱图（图b）的特点为：主峰尖锐，低频部分幅值很高。
测点3，首波声时略有延长，幅值下降明显，根据此前判断，无法判断是否存在缺陷。观察波形图（图c）：波形无明显畸变，同相位质点周期无明显差异，分析该波形，超声在遇到混凝土中空洞缺陷时，声波仅发生绕射，波形不会发生畸变或相位叠加，在空洞尺寸较小时，声程增加不多，故声时略有延长，但空洞对声波的衰减作用大，故幅值大幅下降。同样的，当测点位置同时存在胶结不良与混凝土内部空洞缺陷时，也会出现测点3声时值及波形图特点。因此，测点3最可能的缺陷是混凝土内部空洞，或钢管内壁与混凝土间胶结不良缺陷与混凝土内部空洞同时存在。该类型缺陷频谱图（图c）的特点为：主峰包络较大，最低频幅值高。
测点4，首波声时大幅延长，振幅降低，根据此前判断，无法判断缺陷类型。观察波形图（图d）：波形无明显畸变，同相位质点周期无明显差异，分析该波形，当测点横截面周向出现钢管内壁胶结不良的缺陷时，经计算，首先到达接收换能器的波是沿钢管传播来的，这样声时会出现大幅延长，随着传播距离的增长，能量损失，振幅出现降低。因此，测点4最可能的缺陷是钢管混凝土内壁周向胶结不良。该类型缺陷频谱图（图d）的特点为：主峰包络粗大（与混凝土中传播主峰尖锐，两者明显差异）。
测点5，首波声时大幅延长，振幅正常，根据此前判断，无法判断是否存在缺陷。观察波形图（图e）：波形完整，同相位质点周期无明显差异，分析该波形，当出现内壁与混凝土间胶结不良缺陷（一定长度，非周向）时，声波传播声程增大，声时延长，由于波形完整，且首波振幅衰减小，即可排除声程上混凝土缺陷的可能。因此，测点5最可能的缺陷是胶结不良缺陷（一定长度，非周向）。该类型缺陷频谱图（图e）的特点为：主峰尖锐，低频、高频部分幅值低。
现场采用钻芯法对以上分析结果进行验证，也获得了较好的对应关系。
通过上述对测点1～5处方钢管混凝土内部缺陷类型的尝试分析，可以得到以下积极的结论：①在超声检测方钢管混凝土内部缺陷的方法中，综合超声首波声参数及波形、频谱图的内在信息，分析判断钢管混凝土内部缺陷类型是可行的；②通过测点2～5缺陷的分析，不同的缺陷类型都对应一个特征频谱图，因此，现场检测时，可以根据各测点的特征频谱图，快速分析该测点存在的缺陷类型。
此外，现场检测时，超声测点排列成一定间距的网格状，通过对相邻测点的缺陷分析，可由点及面，在一定精度条件下，计算出缺陷的大致平面或空间尺寸。
5、小结
本文，尝试综合超声波首波声参数、波形及频谱图等声信号内在信息，分析方钢管混凝土中存在的缺陷类型，取得了一定的成果。但本次分析获得的结果仅建立在极少数样本上，有待更进一步的分析总结。随着微电子、计算机等技术的飞速发展，可以预见，我们可利用、分析通过钢管混凝土中的声信号中的缺陷信息将越来越多，注重对声信号的分析、处理，将是我们提高钢管混凝土内部质量超声检测效果的理想途径。
参考文献：
[1]林莉，李喜孟．超声波频谱分析技术及其应用[J]．机械工业出版社，2009（07）．
[2]童寿兴，商涛平．拱桥拱肋钢管混凝土质量的超声波检测[J]．无损检测，2002.24（11）．
[3]屠耀元．超声检测中的信号分析技术[J]．无损检测，1993.1（56）．
[4]蔡绍怀．现代钢管混凝土结构[W]．北京：人民交通出版社，2003．
论文作者:陆斌,高伟
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年12月供稿
论文发表时间:2016/4/18
标签：混凝土论文; 缺陷论文; 波形论文; 钢管论文; 频谱论文; 首波论文; 超声论文; 《工程建设标准化》2015年12月供稿论文;