浅谈超声法在钢管混凝土缺陷检测的应用

浅谈超声法在钢管混凝土缺陷检测的应用

李想 1,2

(1.长沙理工大学，湖南 长沙 410000; 2.湖南省机场管理集团有限公司，湖南 长沙 410000)

摘要：近年来，我国基建水平快速发展，钢管混凝土结构已广泛应用于桥梁和超高层建筑。基于声学参数特性的超声法检测钢管混凝土缺陷的技术已经愈发成熟，本文综述了声发射检测混凝土缺陷的基本原理，总结了4种超声检测方法，以期推广超声法在钢管混凝土缺陷实时检测方面的应用。

关键词：超声; 钢管混凝土; 缺陷; 检测; 桥梁

钢管混凝土构件质量是否完好，直接影响到钢管混凝土构件以及整个结构的力学性能和稳定性是否良好。由于钢管混凝土外部有一层钢管壁，导致在施工过程以及后期使用过程中无法观察到内部混凝土的质量情况，为钢管混凝土内部质量检测带来了困难，钢管混凝土内部质量检测成为国内外学者研究的一大课题。目前，钢管混凝土缺陷检测方法主要有：超声法、人工敲击法、钻芯取样法、压电陶瓷法以及光纤检测系统^[1,2]等方法。混凝土超声波检测技术是混凝土无损检测技术的一个分支。随着无损检测技术和电子科技技术的发展，混凝土超声波检测技术逐渐成熟。

随着国内智能化多功能超声波仪以及超声波换能器的研发和生产，超声波检测混凝土质量技术在混凝土质量、强度和缺陷、混凝土桩桩身完整性、钢管混凝土内部质量和缺陷检测方面得到广泛应用。本文以此为背景，详细介绍超声法检测钢管混凝土内部缺陷的原理和应用。

一、超声法检测钢管混凝土内部缺陷基本概念

由于钢管壁的存在，超声波在钢管混凝土和普通混凝土构件中的传播有所不同，图1为超声波在钢管混凝土中主要传播方式。

图1 超声波在钢管混凝土中传播方式

图1.a中有两条传播路径，一条是超声波沿直线穿过质量完整的混凝土，其用时短且声波衰减；另一条为超声波直接沿钢管壁传播至接收器。研究表明^[3]，当超声波在混凝土中波速大于2045m/s时，超声波首先通过混凝土到达接收端，实际上超声波在混凝土中传播速度远大于该值，因此在一个质量较好的钢管混凝土截面上，透射的首波先于绕射的首波到达接收器，绕射波对透射波的干扰可以避免。

图1.b是钢管壁与混凝土脱空，理论上超声波先在钢管壁上传播，然后在脱空的边缘处沿混凝土传播。但当脱空较大时，超声波出现波形不稳定，首波难判断等现象。

图1.c是钢管混凝土内部存在空洞缺陷。当超声波射线传播路径上存在空洞缺陷时，超声波传播路径发生改变，在空洞边缘发生绕射，致使传播时间增大。

二、超声法的基本声学参数

超声波检测钢管混凝土内部缺陷技术主要利用超声波的声速、声时、振幅、频率、波形五个声学参数进行混凝土完整性、缺陷判断^[4]。

1. 声速

亦称为波速，指超声波在钢管混凝土中传播的速度，是钢管混凝土缺陷检测中重要的一个声学参数。当传播距离一定时，超声波仪器通过声时计算出声速，声速直接反映了超声波传播的路径，利用声速判断钢管混凝土缺陷较为方便直观。

2. 声时

指超声波在钢管混凝土中传播的时间，通常与声速一并使用判断。声时的大小也间接反映了超声波传播的路径，当超声波沿完好混凝土直线传播时，声时最短。声时由超声波仪器直接读出，使用起来相对方便。

3. 振幅

指超声波接收器接收波形的振幅值。国内通常将超声波第一个波的首个半波的幅值作为振幅值。在国外有两种方式读取振幅值，一种是直接读取超声波第一个波的幅值作为振幅值，另一种方法是对某段时间内的波形进行积分获取其能量值作为振幅值。振幅值反映了钢管混凝土内部混凝土的密实度和均匀度。

4. 频率

频率，超声波中包含了各种频率不同的得脉冲波，钢管混凝土内的混凝土对高频超声波有过滤作用，低频超声波更容易穿过钢管混凝土。超声波频率选择对检测钢管混凝土内部缺陷有一定影响。

5. 波形

波形，指超声波接收器接收到的波形。通过波形形状，可以初步判断钢管混凝土内部完整性。

三、超声法检测钢管混凝土内部缺陷基本方法

超声法在钢管混凝土内部缺陷检测中的应用主要有4种方法。

1. 首波声时法

超声波接收换能器接收声波信号后，将最早达到接收换能器的超声波信号所用的时间作为声时值，也称为首波声时。当钢管混凝土内部混凝土密实、均匀、无缺陷时，超声波在钢管混凝土中主要沿直线传播，因此声时较小，波速较大。当钢管混凝土内部混凝土疏松、空隙多、有缺陷时，超声波在钢管混凝土中传播时不沿直线传播，因此声时较大，波速较小。但只有当超声波沿直线传播时，首波声时法才能使用。

首波声时法操作方便，缺陷判读简单，对检测设备要求低，在实际工程中得到广泛应用。但是声波声时法，利用到的声学参数单一，容易造成缺陷误读或漏读的情况。

2. 首波频率法

不同频率的超声波信号有不同的穿透能力，低频超声波穿透能力较强，高频超声波穿透能力较弱。当钢管混凝土内部混凝土质量较差、存在缺陷时，很容易过滤掉穿透能力较弱的高频超声波，超声波接收换能器接收到的声波信号多为穿透能力较强的低频超声波信号。因此，可以根据超声波接收换能器接收到的声波频率大小来判断钢管混凝土内部混凝土的密实度。

首波频率法通常用于钢管混凝土中是否存在缺陷的定性判断，不能对缺陷进行更深入的判断。并且影响频率组成的因素很多，容易造成缺陷的误判。

3. 振幅法

振幅值能反映超声波在钢管混凝土内部传播时能量的衰变。振幅值大说明超声波在钢管混凝土内部传播时没有绕射、反射现象，内部混凝土质量较好。振幅值小说明混凝土质量较差。但振幅法与首波频率法一样，只能对缺陷进行定性判断，不能判断缺陷的位置和大小。

4. 波形识别法

当钢管混凝土内部混凝土质量完好时，超声波波形稳定，首波清晰清晰，波形饱满，波形呈周期性。当钢管混凝土内部混凝土有缺陷或存在不密实情况时，超声波接收换能器接收到的波形出现畸变，波形不稳定，首波不清晰等现象^]。在实际工程中，该方法一般同首波声时法配合使用，应用较广泛，但该方法比较依赖于检测人员的实际工程经验，否则容易将缺陷错判、漏判。

三、结语

不同的检测方法有其自身的独特性，在实际工程中也会存在一定的局限性，工程人员应在不同的场景因地制宜选择检测方法。同时，混凝土超声波检测技术应进一步推广规范标准化，让超声波检测混凝土质量技术检测范围更广、操作更规范、结论更可靠，进一步推进了声波检测混凝土质量技术的发展与普及。

参考文献

[1] 董松. 浅谈钢管混凝土柱柱芯混凝土质量检测[J]. 广东工业大学学报, 2009, 26(3): 31-33.

[2] 丁睿, 刘浩吾, 罗凤林,等. 钢管混凝土拱桥界面脱空光纤传感研究[J]. 实验力学, 2004, 19(4):493-499.

[3] 蔡奇, 杨帡, 王璐,等. 超声法检测钢管混凝土缺陷关键技术试验研究[J]. 建筑结构, 2011(3): 81-83.

[4] 李利群, 韩晓键. 超声法检测钢管混凝土质量[J]. 南京建筑工程学院学报:自然科学版, 2000(2): 26-32