一种自密实钢管混凝土异形柱密实性检测方法
阅读说明：本技术 一种自密实钢管混凝土异形柱密实性检测方法 (Method for detecting compactness of self-compacting steel pipe concrete special-shaped column ) 是由 张志� 刘元珍 陈振海 张家广 郑志 张金平 王陶 程俊鑫 王明清 解敏杰 张昊 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种自密实异形钢管混凝土柱密实度检测方法,用以解决已有方法不能检测L形钢管混凝土柱的拐角处混凝土区域以及T形钢管混凝土柱的核心处混凝土区域的密实性问题。本发明方法通过现场检测,测点布置,确定目标声参量,声参数计算,以声速异常判定值为依据确定异常测线,根据异常测线的位置及检测数据计算缺陷大小等步骤,具体针对L形拐角处混凝土区域、T形核心处混凝土区域的缺陷进行检测及分析。(The invention discloses a method for detecting compactness of a self-compacting special-shaped concrete filled steel tube column, which is used for solving the problem that the existing method cannot detect the compactness of concrete areas at corners of L-shaped concrete filled steel tube columns and concrete areas at cores of T-shaped concrete filled steel tube columns. The method specifically detects and analyzes the defects of the concrete area at the L-shaped corner and the concrete area at the T-shaped core through the steps of on-site detection, measuring point arrangement, target sound parameter determination, sound parameter calculation, abnormal measuring line determination based on the sound velocity abnormal determination value, defect size calculation based on the position of the abnormal measuring line and detection data and the like.)
技术领域
本发明涉及自密实钢管混凝土柱密实性检测技术领域，具体为一种采用超声法检测异形(L形、T形)钢管自密实混凝土柱密实度的方法。
背景技术
钢管混凝土就是把混凝土灌入钢管中并捣实以加大钢管的强度和刚度。钢管混凝土由于其结构的优越性具备良好的工作性能和使用性能，目前已被广泛应用于建筑、桥梁等各种工程。由于钢管混凝土结构的特殊性，在混凝土浇筑过程中，钢管充当了模板的作用包裹在混凝土外面，属于隐蔽工程，浇筑质量很难保证，当核心混凝土质量出现问题，不能保证钢管混凝土正常使用，会引起发生工程事故。异形钢管混凝土结构作为其中的特殊类型，隐蔽区域存在缺陷的可能性更大，钢管混凝土结构缺陷的存在对构件的正常使用产生严重威胁，应该引起足够重视。
目前，检测整体钢管柱混凝土的密实度通常采用超声波法进行检测，《超声波检测混凝土缺陷技术规程》(CDCS21：2000)中规定的测试方法有对测法、斜测法和钻孔测法。针对方钢管混凝土本身特性(只有两个对侧面)及超声波检测前提，简单的对测法不能满足对钢管混凝土柱尤其是异形钢管混凝土柱的全面检测，因此，确定一种通过超声波全面检测异形钢管混凝土柱的密实性是钢管混凝土密实度检测领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明目的是提供一种自密实异形钢管混凝土柱密实度检测方法，用以解决已有方法不能检测L形钢管混凝土柱的拐角处混凝土区域以及T形钢管混凝土柱的核心处混凝土区域的密实性问题。
为达到上述目的，本发明是采用如下技术方案实现的：
一种自密实钢管混凝土异形柱密实性检测方法，即：采用超声波进行检测L形、T形钢管自密实混凝土柱中缺陷大小的定量计算方法，包括如下步骤：
步骤一、测点布置
L形钢管混凝土柱：将探头的发射端和接收端成对布置在L形直角边的两相邻面上，经过待测区域的左下半部分的测线记为①号测线，经过待测区域的右上半部分的测线为②号测线，①号测线和②号测线平行，均与钢管直角壁之间夹角为45°；
T形钢管混凝土柱：将探头的发射端和接收端成对布置在经过待测区域的钢管一对平行面上，测线与钢管壁成锐角，即确保测线通过待测区。
步骤二、确定目标声参量
以柱身声波透射法检测数据文件为基础，确定目标声参量，包括声时、声速、波幅、主频。
步骤三、声参数计算
根据所测得数据，基于超声波检测仪自带的数据处理软件计算声速异常判定值以及声速平均值。
步骤四、以声速异常判定值为依据，确定异常测线；若该测线的声速低于声速异常判定值，则判定该测线异常。
步骤五、根据异常测线的位置及检测数据计算缺陷大小。
进一步优选的，步骤一中，L形钢管混凝土柱：①号测线的平面斜测法的前提条件为：其中，d1为①号测线中探头到L形钢端部边界的距离，a为拐角处混凝土区域边长，vs为声波在钢管内声速，vc为声波在混凝土内声速，α为超声波在L形钢管中入射角；
②号测线处平面斜侧法的前提条件为：其中，d2为②号测线中探头到L形钢端部边界的距离，t为钢管壁厚，a为拐角处混凝土区域边长，vs为声波在钢管内声速，vc为声波在混凝土内声速，α为超声波在L形钢管中入射角；
T形钢管混凝土柱检测前提条件为：其中，a1为核心处混凝土区域边长，b为T形柱翼缘内壁到腹板外壁之间的距离，vs为声波在钢管内声速，vc为声波在混凝土内声速，α为超声波在T形钢管中入射角。
进一步优选的，步骤五中，根据所测数据以及异常测线的位置，定量计算柱中缺陷大小，具体如下：
(1)L形钢管混凝土柱中①号测线位置接收到异常数据时，将混凝土中的空洞理想化为直径为r1的球形，其余参量通过测量获得；
透射缺陷时声时：
绕射缺陷时声时：
令：
上式中：t为钢管壁厚；d1为①号测线中探头到L形钢端部边界的距离，a为拐角处混凝土区域边长，r1为拐角处混凝土区域的左半部分内球形缺陷直径，vs为声波在钢管内声速，vc为声波在混凝土内声速，va为声波在空气内声速；
因为超声波在钢管中传播声速大于在混凝土中的传播速度且远大于在空气中传播速度，所以η＜1恒成立，即t31＜t32恒成立，由此确定超声波在钢管混凝土中传播途径为透射；此时按公式(7)计算缺陷大小。
L形钢管混凝土柱中②号测线位置接收到异常数据时，将缺陷理想为边长为r2的等边三角形，其余参量通过测量获得；
透射缺陷时声时：
绕射缺陷时声时：
令：
上式中：t为钢管壁厚，d2为②号测线中探头到L形钢端部边界的距离，a为拐角处混凝土区域边长，r2为拐角处混凝土区域的右半部分内等边三角形缺陷边长，vs为声波在钢管内声速，vc为声波在混凝土内声速，va为声波在空气内声速，α为超声波在L形钢管中入射角；
因为超声波在钢管中传播声速大于在混凝土中的传播速度且远大于在空气中传播速度，所以η＞1恒成立，即t41＞t42恒成立，由此确定超声波在钢管混凝土中传播途径为绕射；此时，缺陷大小按公式(11)计算。
(2)T形钢管混凝土柱任意测线处接收到异常数据时，将混凝土中的空洞理想化为直径为r3的球形，其余参量均通过测量获得；
透射缺陷时声时：
绕射缺陷时声时：
令：
上式中：t为钢管壁厚，a1为核心处混凝土区域边长，r3为核心处混凝土区域内球形缺陷直径，vs为声波在钢管内声速，vc为声波在混凝土内声速，va为声波在空气内声速；
因为超声波在钢管中传播声速大于在混凝土中的传播速度且远大于在空气中传播速度，所以η＜1恒成立，即t3＜t4恒成立，由此确定超声波在钢管混凝土中传播途径为透射；此时按公式(13)计算缺陷大小。
本发明所述的自密实钢管混凝土异形柱密实性检测方法，具体针对L形的拐角处混凝土区域、T形的核心处混凝土区域的缺陷检测及分析方法。与现有的技术相比，本发明方法的优势在于：
1、目前检测整体钢管柱混凝土柱的密实度通常采用超声波法进行检测，《超声波检测混凝土缺陷技术规程》(CDCS21：2000)中规定的测试方法有对测法、斜测法和钻孔测法，但这些方法不能满足对异形钢管混凝土柱的全面检测，本发明提出的平面斜测法可有效检测L形钢管混凝土柱拐角处的密实度和T形钢管混凝土柱核心处的密实度。
2、已有的规程中仅有对方钢管混凝土柱的中部空洞大小估算公式，对于异形柱中缺陷大小计算公式并未提及，本发明提出适用于异形钢管混凝土柱的缺陷大小计算公式。
本发明设计合理，具有很好的实际应用价值。
附图说明
图1-1表示T形钢管混凝土柱示意图，图中阴影部分为待检测部分(即核心处混凝土区域)。
图1-2表示L形钢管混凝土柱示意图，图中位于L形钢内的阴影部分为待检测部分(即拐角处混凝土区域)。
图2表示L形钢管混凝土柱中对阴影部分进行检测时的探头布置示意图。
图3表示L形钢管混凝土柱中对阴影部分进行检测时声波可能的传播路径示意图。
图4-1表示T形钢管混凝土中对阴影部分进行检测时位于左侧平行面上探头布置示意图。
图4-2表示T形钢管混凝土柱中对阴影部分进行检测时位于右侧平行面上探头布置示意图。
图5表示T形钢管混凝土柱中对阴影部分进行检测时声波可能的传播路径示意图。
图6表示L形钢管混凝土柱中对阴影部分进行检测时，①号测线位置接收到异常数据示意图。
图7表示L形钢管混凝土柱中对阴影部分进行检测时，②号测线位置接收到异常数据示意图。
图8表示T形钢管混凝土柱中对阴影部分进行检测时测线位置接收到异常数据示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
本发明基于《超声波检测混凝土缺陷技术规程》(CDCS21：2000)中已有的检测方法的基础上提出一种新型检测方法—平面斜测法，并在此基础上确定了异形钢管混凝土柱中缺陷大小的定量计算公式，其中，异形钢管混凝土柱包括T形和L形。
实施例1
一种自密实钢管混凝土异形柱密实性检测方法，应用于L形钢管混凝土柱(如图1-2所示)，具体如下：
步骤一、现场检测：
1)使用游标卡尺测量自密实钢筋混凝土柱的精确尺寸，测得T、R换能器之间的距离，图中T换能器代表超声波发射器(也称探头)，R换能器代表超声波接收器(也称探头)；
2)在空钢管上选取三个不同位置布置测点并进行超声波检测，测得超声波在空钢管中的传播速度，取三次检测的平均值作为最终结果vs；
3)对与柱中相同强度等级的自密实混凝土试块上选取三个不同位置布置测点并进行超声波检测，测得超声波在自密实混凝土中的传播速度，取三次检测的平均值作为最终结果vc。
然后采用平面斜测法检测异形钢管混凝土柱密实度，网格间距宜在100～300mm。
步骤二、测点布置：与《超声波检测混凝土缺陷技术规程》(CDCS21：2000)中已有的测量方法不同，平面斜测法探头布置在两个相邻侧面上，两探头连线与空间对角线平行。
L形钢管混凝土柱探头布置在L形钢直角边的两相邻面上，测线与钢管直角壁之间夹角为45°，如图2所示：经过待测区域的左下半部分的测线记为①号测线，经过待测区域的右上半部分的测线为②号测线(左下半部分和右上半部分以45度对角线为界)。其声波可能的传播路径如图3所示。在无缺陷的L形钢管混凝土中，
①号测线超声波透射声时：
①号测线超声波绕射声时：
根据超声波检测前提：t11＜t12，推出此情况下平面斜测时的检测条件为
式中：t11为①号测线超声波透射声时；t12为①号测线超声波绕射声时；d1为①号测线中探头到L形钢端部边界的距离；a为拐角处混凝土区域边长；vs为声波在钢管内声速；vc为声波在混凝土内声速；t为钢管壁厚；α为超声波在L形钢管中入射角，取42°。
②号测线超声波透射声时：
②号测线超声波绕射声时：
根据超声波检测前提：t21＜t22，推出此情况下平面斜测时的检测条件为：
式中：t21为②号测线超声波透射声时；t22为②号测线超声波绕射声时；d2为②号测线中探头到L形钢端部边界的距离；a为拐角处混凝土区域边长；vs为声波在钢管内声速；vc为声波在混凝土内声速；t为钢管壁厚；α为超声波在L形钢管中入射角，取42°。
步骤三、确定目标声参量：
以柱身声波透射法检测数据文件为基础，确定目标声参量，包括声时、声速、波幅、主频。
步骤四、声参数计算：
根据所测得数据，基于康科瑞超声波检测仪自带的数据处理软件计算声速异常判定值以及声速平均值。
步骤五、以声速异常判定值为依据，确定异常测线。若该测线的声速低于声速异常判定值，则判定该测线异常。
步骤六、根据所测数据以及异常测线的位置，定量计算柱中缺陷大小。
(1)L形钢管混凝土中①号测线位置接收到异常数据时，如图6所示(此时T、R换能器均处于L形钢位置)，可按公式(7)计算缺陷大小；具体如下：
当①号测线位置接收到异常数据时，为方便计算，将混凝土中的空洞理想化为直径为r1的球形，其形式如图6所示，其余参量均可测量获得。
透射缺陷时超声波透射声时：
绕射缺陷时超声波绕射声时：
令：
式中：1为①号测线中探头到L形钢端部边界的距离；a为拐角处混凝土区域边长；r1为拐角处混凝土区域左下半部分内球形缺陷直径；vs为声波在钢管内声速；vc为声波在混凝土内声速；va为声波在空气内声速；t为钢管壁厚。
因为超声波在钢管中传播声速大于在混凝土中的传播速度且远大于在空气中传播速度。所以η＜1恒成立，即t31＜t32恒成立，由此确定超声波在钢管混凝土中传播途径为透射。此时，缺陷大小可按公式(7)计算。
(2)L形钢管混凝土中②号测线位置接收到异常数据时，如图7所示(此时T、R换能器均已不在L形钢位置)，可按公式(11)计算缺陷大小，具体如下：
当②号测线位置接收到异常数据时，把缺陷理想为边长为r2的等边三角形，如图7所示，其余参量均可通过测量获得。
透射缺陷时超声波透射声时：
绕射缺陷时超声波绕射声时：
令：
式中：t为钢管壁厚；d2为②号测线中探头距L形钢端部边界距离；a为拐角处混凝土区域边长；r2为拐角处混凝土区域的右上半部分内等边三角形缺陷边长；vs为声波在钢管内声速；vc为声波在混凝土内声速；va为声波在空气内声速；α为超声波在L形钢管中入射角，取42°。
因为超声波在钢管中传播声速大于在混凝土中的传播速度且远大于在空气中传播速度。所以η＞1恒成立，即t41＞t42恒成立，由此确定超声波在钢管混凝土中传播途径为绕射。此时，缺陷大小可按公式(11)计算。
实施例2
一种自密实钢管混凝土异形柱密实性检测方法，应用于T形钢管混凝土柱(如图1-1所示)，具体如下：
步骤一、现场检测：同实施例1的步骤一。
步骤二、测点布置：
T形钢管混凝土的探头布置在含待测区域钢管的一对平行面上，测线与钢管壁成锐角(确保测线通过待测区)如图4-1和图4-2所示。其声波可能的传播路径如图5所示(传播路径及测线路径)。在无缺陷的T形钢管混凝土中，
超声波透射声时：
超声波绕射声时：
根据超声波检测前提：t1＜t2，推出此情况下检测条件为：
式中：t为钢管壁厚；a1为核心处混凝土区域边长；b为T形柱翼缘内壁到腹板外壁之间的距离；s为声波在钢管内声速；vc为声波在混凝土内声速；α为超声波在T形钢管中入射角，取42°。
步骤三：确定目标声参量：
以柱身声波透射法检测数据文件为基础，确定目标声参量，包括声时、声速、波幅、主频。
步骤四、声参数计算：
根据所测得数据，基于康科瑞超声波检测仪自带的数据处理软件计算声速异常判定值以及声速平均值。
步骤五、以声速异常判定值为依据，确定异常测线。若该测线的声速低于声速异常判定值，则判定该测线异常。
步骤六、根据所测数据以及异常测线的位置，定量计算柱中缺陷大小。
当T形钢管混凝土柱任意测线处接收到异常数据时，为方便计算，将混凝土中的空洞理想化为直径为r3的球形，其余参量均可由测量获得，其形式如图8所示。
透射缺陷时超声波透射声时：
绕射缺陷时超声波绕射声时：
令：
式中：t为钢管壁厚；a1为核心处混凝土区域边长；r3为核心处混凝土区域内球形缺陷直径；vs为声波在钢管内声速；vc为声波在混凝土内声速；va为声波在空气内声速。
因为超声波在钢管中传播声速大于在混凝土中的传播速度且远大于在空气中传播速度。所以η＜1恒成立，即t3＜t4恒成立，由此确定超声波在钢管混凝土中传播途径为透射。此时可按公式(13)计算缺陷大小。
以上记载的实施例子为本发明的特定的具体实施方式，用与说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其他技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
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