摘要：得益于国内经济的发展和技术进步，钢管混凝土结构的应用愈来愈广泛，譬如在高层建筑、桥梁等。对于钢管混凝土而言，其施工通常被视为隐蔽工程的范畴，进行施工时导致的潜在质量问题难以发现。所以，选择科学的手段来检测钢管混凝土结构的质量是极其关键和非常必要的。如今，围绕混凝土结构，在进行非破损检测时，非金属超声波探测技术属于典型的检测手段，其能够快速准确地完成对强度等级和内部缺陷的检测工作。由于钢管混凝土包含混凝土以及钢管两个部分，所以多个介质的组合使得测试产生了多种缺陷超声波相似并且混杂。而且由于自身结构特点，造成钢管混凝土特别是中小直径钢管混凝土判断缺陷的类型十分困难。为了解决这些问题，本论文重点研究超声波法在中小直径钢管中的测试方法的研究。
关键字：中小直径钢管混凝土 超声波 检测
1 引言
近几十年来，钢筋混凝土结构开始愈来愈受欢迎。其具有以下特点：①构件承载力高；②塑性以及韧性出色；③经济效益突出；④施工便捷；⑤耐火性优良。因此，超高层建筑得到突飞猛进的发展。其间，大批超高层建筑在国内陆续建成或正在施工，其中具有代表性的有深圳京基金融中心(地上98层，总高度439m)、广州绿地金融中心（地上46层，总高度199.85m）、天津周大福金融中心（地上高度538米）、以及天津117大厦（结构高度597米），这些超高层建筑均无一例外的采用了钢管混凝土结构，其中大都是中小直径钢管混凝土。但在实际工作中，钢管混凝土容易出现脱空的现象，对于钢管混凝土而言，其施工通常被视为隐蔽工程的范畴，进行施工时导致的潜在质量问题难以发现。所以，超声波法来检测钢管混凝土结构的质量是极其关键和非常必要的。
2 超声波法检测钢管混凝土的测试方法原理
超声波检查将主动激励声波发送给被测物体，在有效距离内通过接收器接收通过被测物体的声波，借助于声波参数的改变情况，对物体内部组织情况展开准确地估测。
倘若要深刻了解超声波传播检测技术的应用，解决实际检测中的各种问题，必须了解超声波传播的规律和本质，以及在传播过程中的特点。对于超声波检测而言，其兼具了几何声学和物理声学的部分规律和概念。其中，在几何声学方面，涉及折射、反射、波形变换等，在物理声学方面，涉及叠加、干涉和衍射。
超声波法是通过观察并解析超声波通过混凝土时的接收信号的声速、振幅、波形、频率等参数的变化来实现的。对试验样品的外在缺陷、外观以及力学特性展开检测。如今，此技术已经成熟，广泛应用于工业试验，国家也制定了相应的技术规范。
在此类方法中，声波借助于人工辅助传导至介质，然后在某特定位置接收到声波，其中，声波受到介质影响，在原有基础上被加以调制。依靠声波在各类介质中声学参数的不同，对部分工程问题进行了有效处理和应对，见图1。
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图1 声波测试原理
3钢管混凝土常规缺陷的超声波波形表征及定性分析
通过在实验室制作了8根中小直径钢管混凝土模拟试件，试件参数为：钢管外径分别为φ377mm，钢管壁厚均为8mm，试件长度1米，管内灌注C50高强度混凝土，其中，在不同的钢管柱的特定位置人工设置了不同类型的已知缺陷以便于分析对比，得出各种缺陷的波形特征。在对模拟试件的超声检测中，发现随着钢管混凝土缺陷的变化，所测得的声学参数和波形特性也会发生变化，按常规基本分为以下几类：
3.1空钢管之波形图
特点：声波沿钢管壁传播，波幅大，波峰稀疏无序，主频不规则。此时，计算出的声速为钢管内的声速值（5546m/s）。
3.2在钢管中添加混凝土，但后者强度还没有到达最大强度的波形图
特点：声波顺着管壁传导，峰后振幅小，密度均匀。声音时与空钢管相同，声速值保持钢管内音速值。
3.3良好钢管混凝土之波形图
特点：声时小、振幅高、主频大。对于波形，表现为等间隔、没有畸变的周期振荡。以上情况说明，该钢管混凝土质量良好，无缺陷，声速值为4825m/s。
3.4钢管混凝土内局部密实度不佳的波形图
特点：与一般的钢管混凝土相比，声波时值较大，振幅小，波形多样化，上半部分存在一定损耗，声速值为3963m/s。
3.5内局部离析、蜂窝的波形图
特点：与致密度不佳的混凝土相比，声时持续时间较大，频率小，波形无规律，声速值为3869m/s。
3.6内部孔洞之波形图
特点：和一般钢管混凝土相比，声时较大，振幅小，在后半部分规则，声速值4333m/s。
3.7钢管混凝土内存在异物的波形图
特点：当声持续时间长且振幅略高于密实度差的混凝土时，波形前后的衰减较大，声速值为3395m/s。
3.8钢管混凝土内存在冷缝的波形图
特点：声音耗时久，振幅不大，波形不规则，声速值3869m/s。
3.9钢管壁与混凝土间存在收缩间隙的波形图
特点：耗时较久，振幅小，第一峰脉冲跨度大。若收缩间隙不明显，管壁和混凝土形成的粘结性较差；当收缩间隙较大时，钢管壁与混凝土完全为空，产生的波形和空钢管类似。可知，在这一时刻，接收换能器获取的第一波为半圆方向的第一波。
3.10钢管混凝土内包含钢隔板时的波形图
特点：传播耗时短，振幅小，主频大，对于波形，其前后振幅衰减大，声速值为4707m/s，与混凝土异物波形相似。
表1为模拟试件中小直径钢管混凝土常规质量超声波检测时间、振幅、主频及对应测点波形特征的汇集。
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需要注意的是，对钢管混凝土而言，若其缺陷存在差异，对应的波形特征将同样有所区别。但是，因为缺陷出现的区域以及程度大小存在差异，即便保证人员以及仪器不变，在某些时候依然无法对缺陷的性质进行判断。但是，由于所有缺陷只有一个共同的特征，即测点的声时变长，因此确定缺陷的位置非常容易。基本原理是因为在缺陷位置，超声波出现异常反射等现象，这导致其传播路径发生了变化，进而使得接收换能器获取声波的耗时变久；此外，超声波的能量同样由于缺陷的存在而出现了一定损耗。应防止人为因素以及传感器安装不佳导致的测试失真。当异常部位找到后，需要对施工过程进行排查，并借助于小锤敲击等手段来判断缺陷特征。
4针对中小直径混凝土特点的检测思路
由于中小直径钢管混凝土的管径小，管壁与混凝土有间隙或管内的混凝土孔、分离等缺陷时，声波首波出现的时间有所推迟，并伴随形变。无法解析信号。基于钢管混凝土龄期对管内混凝土强度形成特点，提出的检测思路如下：将中小直径钢管混凝土的缺陷归为两类，首先是存在于管内混凝土的缺陷，其次为存在于钢管内壁同混凝土接触面的缺陷，按照二者形成原理的不同，形成时间的不同，分阶段进行测试。首先在钢管混凝土后7-14天内，围绕初具强度的结构展开了首次测试，在这一阶段，间隙通常并未形成，得到的缺陷通常表现为局部粗松、存在孔穴等。并对此类缺陷展开了针对性的测试以及探究。一般而言，能够认为的是：在测点位置，声时小，声宽大，意味着测量区域的混凝土完整，无缺陷；反之，则意味着测量区域有缺陷，后者存在孔等。借助于对波形特征的研究，可判断缺陷的有无，但其仅可作为辅助手段使用。最后试验是在钢管注入混凝土28天后进行的。此时，钢管内的混凝土已经达到设计强度，超声波计的得到的声学参数相对可靠，可真实反馈管内混凝土性质。此外，管内混凝土缺陷情况，不会对声波传播造成干扰。若获取的声时值和第一阶段基本相同，或者与前次测量值相比较小，则能够认为混凝土和钢管结合效果优异。在其他情况下，则能够认为二者间为胶结不良或钢管壁和内填混凝土完全脱空。
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