混凝土结构物

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1、框架结构梁柱节点混凝土密实度及缺陷检测方法研究研究报告 形状复杂及钢筋密集的混凝土结构物内部缺陷检测方法 一、问题的提出超声法检测混凝土缺陷技术规程中的超声概率法普遍应用于混凝土结构物内部缺陷检测，但受方法原理和测试条件的制约，尚处于定性或半定量的水平，应用实践表明，超声概率判定缺陷有以下几点不足之处：(1)概率法用以区分正常混凝土的随机波动与缺陷明显异常的判断标准是正态分布的统计规律，要求测试数据组必须具有足够的数量，如果数据组数量不足，或被剔除的异常值较多时，有可能不满足正态分布条件，其判断结果将出现错误。(2)概率法判断缺陷的标准不可能采用固定的临界指标而是取计算母体的置信区间的临界值。

2、当被测结构普遍质量较差使平均值（）偏低而数据离散性大使标准差（）偏大时，异常值判断值（）将偏小，可能导致漏判，增加了使用方的风险；反之，当被测结构普遍质量较好平均值（）偏高而数据离散性小标准差（）偏小时，异常值判断值（）将偏大，可能导致错判，增加了生产方的风险。(3)概率法适用于多种测量的声参数，如声速、波幅、主频等，但各种声参数分别判定的结果很可能不一致甚至相左，如何最终判定？(4)概率法主要使用的声参量是声速和首波波幅，一般很少用到后续波的信息，实际经验表明，波形是否发生畸变对于判断缺陷的存在具有相当大的意义，但由于对波形畸变没有定量化的描述手段，致使很多测试人员忽视了这个重要的信息来源，

3、影响了判断的准确性。(5)概率法仅用于发现并界定缺陷，对于被测构件整体质量分布不予描述。将超声概率法应用到形状复杂及钢筋密集的混凝土结构物时，由于结构物的复杂性以及密集钢筋的干扰，更进一步增加了测试难度。梁柱整浇式节点是柱子连接与梁的连接汇集在一起通过后浇混凝土形成刚性节点，是典型的形状复杂及钢筋密集的混凝土结构物。整浇式节点形式复杂多样，内部钢筋密集，容易造成混凝土架空、离析，粗细骨料不均等现象，降低节点承载力，影响整体结构的性能。但是由于节点部位结构复杂，难于具备超声波概率法缺陷检测需要的测试条件，致使节点缺陷超声检测时经常出现错判或漏判的情况。而以漏判现象更为明显，主要原因是：节点部位梁

4、柱立体相交，结构复杂，外露测试面受限，布置测点困难，很难采集到具有足够数量的同条件测点数据，另外为减少测试盲区，很多测线只能布置为斜向测试或角测或扫描测试，不同方式测位的相同声参量数据不能合并判断，从而不能保证概率统计法对测点数量的要求。结构形状复杂、边界效应影响、内部密集钢筋的干扰等致使声信号的离散性偏大，导致概率法判定缺陷时缺陷判断值过低，甚至低于最小值，导致经常出现漏判现象。节点内部钢筋密集，通过缺陷的声线很可能被钢筋“短路”，影响了声参量测量值的真实性，尤其是掩盖了声速受缺陷影响所产生的差异，降低了声速对缺陷的敏感程度。各种声参量分别判定的结果不一致，在普通结构物缺陷检测中主要应用的声

5、速和波幅，在节点检测中经常出现判定结果不一致甚至相差很大的现象，致使难于形成最终的判定结论。康科瑞公司2010年完成的国家十一五项目既有建筑综合改造关键技术研究与示范子课题的专题研究框架结构梁柱节点混凝土密实度及缺陷检测方法研究，针对梁柱节点缺陷超声检测的特点以及现有概率法在节点缺陷检测中的不足之处，提出了适用于节点缺陷检测的测试方法以及数据分析与缺陷判断方法，并适用于其他形状复杂及钢筋密集的混凝土结构物的内部缺陷超声检测。该方法已申请了国家发明专利。二、梁柱节点内部缺陷超声检测技术方法说明 将梁柱节点内部缺陷超声检测技术方法简称为“综合判定因子法”，方法流程概括为以下框图：1、现场测试，检测

6、声参量（声时、幅度），记录波形2、计算测点声参量判定值（声速、波幅、复频差、互相关系数）3、计算测点声参量判定因子（无量纲 01） 4、计算测点综合判定因子（无量纲 01）5、绘制测位综合判定因子色谱图6、在测位色谱图上界定可疑缺陷投影图7、综合各测位可疑缺陷投影图判定可疑缺陷空间位置，结合表观检查、施工情况等信息最终判定缺陷空间位置、范围和性质性质1、现场测试为适应节点结构复杂测试面分散的特点，减少测试盲区，测试方法包括对测法、斜测法、角测和扇形扫描测试，角测和扇形扫描测试时各测点的测距或测试角度不等，在数据处理时需要对其波幅进行修正。 图1 对测 斜测 角测 扇形扫描在每一测点测量声时、波

7、幅、测距，采集波形，波形长度从首波到达时刻起至少包括5个以上完整波形，采集的有效波形信号段要求波形完整，幅度不超屏。2、计算测点声参量判定值(1)声速：测点的声速值（）。混凝土缺陷的存在破坏了混凝土的整体性，使传播途径加长，声时加长，声速降低。(2)首波波幅：超声波在传播途径中，遇到蜂窝、空洞等缺陷界面发生反射和散射，加大了声能的衰减，使接收波幅明显降低。为保证幅度的可比性，需要对测距或测角不等的测点的波幅测量值进行修正，修正为基准测距下对测的波幅修正值，在同一个节点结构测试中，取同一个基准测距。(3)接收波与标准子波的复频差：表征与标准子波相比较接收波频率幅度谱的变化程度。不同频率的声波衰减

8、程度不同，频率越高衰减越快，遇蜂窝、空洞等缺陷主频向低端偏移，与正常混凝土接收波相比，频率谱的变化明显加大，主频偏移更明显，复频差也更加大。接收子波样本约为3个以上完整周期波形。另获取该测试系统的标准子波，标准子波可以将发射与接收换能器直接相对获取，也可以在完整无缺陷的的素混凝土试件中相对测试获得，标准子波近似为发射子波。取相同长度的标准子波样本，计算测点的接收子波与标准子波的复频差式中：标准子波：幅度谱，实部，虚部测点的接收子波：幅度谱，实部，虚部：频率幅度谱谱线个数(4)接收波与标准子波的互相关系数：超声波的直达波与缺陷界面反射波在接收点的叠加是接收波产生畸变的主要原因。缺陷越明显，畸变越

9、严重。互相关系数描述接收波与标准子波之间的相似程度，越高，接收波与标准子波的相似程度越高，波形的畸变越小，混凝土的密实性越高。在0和1之间取值，缺陷混凝土测点的互相关系数明显小于密实混凝土测点的互相关系数。计算互相关系数的波段长度为从首波到达时刻起约34个完整波形，视为直达波组。计算起点为以起跳点为中心前后小范围移动样本点并分别计算互相关系数后取其最大值作为该该测点的互相关系数式中：标准子波的波形样本测点的接收子波的波形样本计算互相关系数的样本点数接收波起跳点为中心移动的样本点数， 3、计算测点声参量判定因子将所有测位的同一类声参量判定值合并进行归一化处理，得到声参量判定因子，取值为01的无量

10、纲的数值，取值越大，对应混凝土的密实性越高。测点的声参量判定因子（，）测点的声参量判定值（，）所有测点同一声参量判定值的最小值所有测点同一声参量判定值的最大值4、计算测点综合判定因子 测点综合判定因子为各声参量判定因子的加权和：归一化前测点的综合判定因子各声参量判定因子在综合判定因子中的加权值。将综合判定因子归一化： 5、绘制测位综合判定因子色谱图使用01统一色谱绘制测位综合判定因子色谱图，以表征该测位混凝土质量（密实性）分布图，色谱向蓝色系偏移（综合判定因子偏大）表示混凝土密实性渐好。色谱向红色系（综合判定因子偏小）偏移表示混凝土密实性渐差。 图2 01统一色谱 测位综合判定因子色谱图 6、

11、界定可疑缺陷投影图在综合判定因子色谱图上标注可疑缺陷投影。红色系测点明显连接成片的区域视为缺陷可疑区域，颜色深度对应缺陷不密实性的程度，红色越深，对应的缺陷的不密实性越明显。 图3 可疑缺陷投影图7、最终判定缺陷空间位置、范围和性质根据测位综合判定因子色谱图（缺陷投影图）和对应的空间覆盖区域，结合表观检查、施工情况等信息最终判定缺陷空间位置、范围和性质。三、模型试验与结果验证1、实体模型试验说明制作三种基本的节点模型：中柱与梁的节点（十字型节点）、边柱与梁的节点（T型节点）、角柱与梁的节点（L型节点）。节点部位空间尺寸为600600550mm，测位的测点间距均取为5050mm，楼板厚度范围内不

12、布置测点。 图4 十字型节点 T型节点 L型节点 十字形节点内埋设200mm200mm200mm中空木盒；T型节点内埋设两个上下叠加的实体木块，上木块为 200mm150mm150mm；，下木块为200mm170mm150mm；L型节点内埋设二个缺陷，其一为圆柱形干砂砂袋，直径约150mm，长度约250mm，其二为600mm350mm的不密实结合面，浇筑时撒上石子和沙子形成。2、部分测位测试结果测位文件名说明A图B图C图已知缺陷投影图综合判定因子图测缺规程判定结果图红色点声速异常黄色点幅度异常紫色点主频异常十字形节点X13D水平对测十字形节点X42SX2水平斜测十字形节点X31ZX纵向斜测T型

13、节点T13D水平对测T型节点T31ZX纵向斜测T型节点T24S1扇形扫描L型节点L42SX水平斜测L31ZX垂直斜测L型节点L13ZX垂直斜测L型节点L42ZX垂直斜测上表中，A图为已知缺陷在测位的测试面上的投影。测线通过已知缺陷，为缺陷的红色投影点；测线未通过缺陷，为正常混凝土的兰色投影点。B图为测位综合判定因子色谱图，色谱向蓝色系偏移（综合判定因子偏大）表示混凝土密实性渐好。色谱向红色系（综合判定因子偏小）偏移表示混凝土密实性渐差。红色系测点明显连接成片的区域视为缺陷可疑区域，红色系的颜色深度对应缺陷不密实性的程度。C图为依据测缺规程方法判定出的声参量异常测点。红色点为声速异常点，黄色点为

14、幅度异常点，紫色点为主频异常点。比较图A与图B，二者的相似程度反映了综合判定因子法的准确性。比较图A与图C，二者的相似程度反映了测缺规程方法在本模型中应用效果的准确性。比对结果表明：(1)综合判定因子色谱图（图B）与已知缺陷投影图（图A）相似程度较高，对应图A的缺陷投影区，在图B的对应区域上可以明显看到红色色谱区，其覆盖范围大体相近。说明综合判定因子方法对缺陷的识别是有效的，缺陷判定结果与已知缺陷基本吻合。综合判定因子色谱图在识别缺陷的同时还描述了投影面的密实性质量分布。(2)测缺规程判定结果（图C）表明：一方面同一种声参量的异常点较为分散，难以判定出缺陷区域，且与已知缺陷投影图（图A）的覆盖

15、范围相差较大，另一方面不同声参量的判定结果相差也较大，难于形成最终判定结果。说明测缺规程判定方法用于梁柱节点缺陷的识别其效果不理想，形成明显的漏判。四、研究与分析1、“综合判定因子法”数据处理方法的说明(1)将声参量判定值处理为归一后的声参量判定因子，从不同的声学物理参数角度用无量纲的01的数值对被测混凝土结构物的密实性加以描述，最小为0，对应混凝土密实性的最差部位，最大为1，对应混凝土密实性的最好部位。声参量判定因子是无量纲数值，与该声参数的物理量纲已无对应关系，但却仍然保留了与混凝土密实性之间的相关特性。(2)声参量判定因子加权相加得到综合判定因子，并将其归一化。如果多种声参量判定因子都表

16、现低值，则综合判定因子为明显低值，综合判定因子对于混凝土密实性的分布状况具有更强的表征作用，更利于判断混凝土的缺陷，较好地避免或降低了使用单一声参量判定时发生的错判和漏判的情况，也免除了单一声参量判定结果互相不一致时难于最终判定的困惑。(3)综合判定因子色谱图直观的描述了混凝土密实性质量分布，蓝色系区域为正常混凝土区域，蓝色系越深，混凝土越密实；红色系区域应为缺陷的可疑部位，红色系越深，缺陷的可能性越大，根据色谱图的分布综合考虑并最终确定是否认定为缺陷并界定出缺陷部位的边界。一般来说，如果相邻测点均为低值点，连接成片，则必然加大了判定为缺陷的概率。2、节点构造特殊性及内部密集钢筋的影响 梁柱节

17、点缺陷检测最主要的难点是结构复杂尤其是内部密集的钢筋网对声参量的干扰。在一般混凝土结构缺陷检测中，声速与波幅是用于判断缺陷的两个基本的声参量，其中由于声速具有广泛的可比性，成为缺陷判定的首选参量。但是实际检测结果表明，在梁柱节点缺陷检测中，声速的判定结果往往不理想，以节点模型部分实验结果为例：A图B图C图已知缺陷投影图综合判定因子图声速判定因子图T13DT31ZXL13ZX上表中图A显示出缺陷投影区占测位投影总面积的30%以上，属于易判断缺陷，综合判定因子图（图B）的红色色谱区（缺陷区）与已知缺陷投影区大体近似。但声速判定因子图（图C）对缺陷的反应并不明显，甚至与图A有很大差异。说明声速在梁柱

18、节点缺陷测试中的作用受到负面影响。原因其一是因为节点内部钢筋密集，通过缺陷的声线很可能被钢筋“短路”，降低了声速对缺陷的敏感程度。其二是节点结构复杂，加之密集钢筋网的影响，致使声速测量值的离散加大，按照概率法计算的声速异常值判断值过低，造成漏判。以T13D测区为例，用测缺规程概率法判断出的声速异常测点仅有一个,是明显的漏判。3、复频差与主频 接收波频率谱的变化是识别缺陷的判据之一，在测缺规程中推荐使用的是接收波的主频，在综合判定因子法中，使用的不是主频而是接收波与标准子波的复频差。以T型节点测试效果为例说明在缺陷判定中复频差相对主频的优势：测位文件名A图B图C图已知缺陷投影图复频差判定因子图主

19、频色谱图T13ZXT31ZXT24S1对比表中B图（复频差）与C图（主频）分别相对于A图的近似程度，B图明显优于C图， B图（复频差）与A图大体相似，可以判定出缺陷的位置和范围，而C图（主频）则与A图相距甚远，几近无法判定。4、波形的量化参数互相关系数接收波形畸变程度是判断缺陷存在与否的重要参量，但是波形的畸变程度无法数量化，致使影响了应用的效果。本方法采用接收波与标准子波的互相关系数表征接收波与标准子波的相似程度，标准子波取自同一测试系统通过正常混凝土的直达接收波，波形完整，无畸变。举例说明互相关系数判定因子应用于缺陷判定的效果，下表中的测位，声速判定因子（图C）对于A图的缺陷部位反应很弱或

20、几乎没有反应，而互相关系数判定因子（图B）则与A图大体近似，说明互相关系数判定因子对缺陷有较好反映。测位文件名A图B图C图已知缺陷投影图互相关系数判定因子图声速判定因子图T13DT31ZXL31ZX5、对计算复频差和互相关系数时的波段截取长度的说明：计算用波段长度截取从首波到达时刻起约34个完整波形，视为直达波组。截取波段过短未能包含首波之后的全部直达波组，无法反映出直达波组的完整信息，造成漏判；截取波段过长包含了直达波组之后的后续波，而波线覆盖范围以外的其他声界面（缺陷或结构边界）的二次反射波会叠加到后续波中，影响对传播声线范围内缺陷的判断，造成错判。6、综合判定因子法对结构形状复杂内部钢筋

21、密集的节点类结构缺陷检测是有效的，提高了检测可靠性，对避免漏判的作用尤为明显。但另一方面，如何避免错判成为综合判定因子法需要关注并进一步研究的问题。由判定因子色谱图有效的圈定出可疑缺陷范围，只要不是测试盲区，漏判的可能性较小，但可疑缺陷不能简单全部认定为缺陷，有些可能仅是不危及结构安全的相对薄弱区或低强度区。建议结合结构特点、施工情况等因素做最终判定。但在实际工作中，最好能有一个适当的临界值作为最终认定缺陷的判据，临界值过高导致漏判，临界值过低则导致错判。临界值应为小于1的数值。在本方法模型试验中，缺陷临界值约为0.4，低强度区临界值约为0.5。由于归一化的判定因子表示的是参与归一数值的分布，

22、不表示物理量绝对值的大小，加之混凝土构筑物材质本身的离散性，因此对判定因子难于有确定的缺陷临界值，综合判定因子法临界值的确定有待进一步的研究。综合以上讨论，从实际应用角度，综合判定因子法提高了对于混凝土复杂结构（以梁柱节点为例）内部的不密实性缺陷检测的可靠性和准确性。不仅检测出内部缺陷的性质、范围及尺寸，而且描述了被测对象的整体质量分布情况。五、专用软件建筑节点缺陷超声检测分析软件编制了适用于梁柱节点以及其他复杂结构超声缺陷检测的专用软件建筑节点缺陷超声检测分析软件，将方法研究成果软件化，可以三维直观地显示测位方案，包括测点的布置与测线的方位，便于分析测位布置的合理性，并指导现场测试工作；可以

23、自动计算声参数判定因子和综合判定因子，并在测试面上显示测位色谱图，以便于综合判定缺陷的位置和尺寸，并以三维图示直观的加以显示。软件基本功能及相应界面介绍如下：1、建立被测构件三维模型(1)建立构件模型：选定构件类型，设置构件号，并在结构图中核定修改所有实际尺寸；建立新的构件模型，也可按照构件号调出已建立的构件模型，界面如图： 图5 构件模型建立界面(2)在模型上自动建立三维坐标系，并标注出柱面编号，以便于对所有测位、测点、测线和投影图的空间位置描述；(3)建立后的构件模型借助计算机的三维绘图功能可做任意方向的三维旋转、缩放和平移显示，便于从不同方向和角度的观察。2、检测方案的设计与优化(1)测

24、位（测试文件）的建立每个测位有A、B两个测试表面，测试面一般设在立柱表面，分别在测试柱面的二维坐标中确定和填入测位参数值，包括起点坐标、行、列间距和数量，置入测位号，完成测位的建立，界面如图； 图6 测位参数设置界面(2)测线覆盖区域的显示测位建立后，同时在节点三维图中立体显示测位的测点和测线，旋转三维图可观察测位测线的覆盖区域，可以在现场检测工作之前确定测位布置的合理性，力求尽可能减少测试盲区，并避免重复测试，有助于实现测试方案的最优化。 图7 测位的三维显示3、数据处理与色谱图显示(1)按照测试方案完成现场测试后，将检测数据导入分析软件，自动存入已建立的该构件号文件夹中，自动计算声参数判定

25、因子和综合判定因子，并显示判定因子色谱图。 图8 数据计算与色谱图显示界面(2)观察测位的色谱图，在选定的某一色谱图上手动标记椭圆形缺陷区域，一般选择在综合色谱图上标注，红色系测点明显连接成片的区域视为缺陷可疑区域，标注后的色谱图成为测试面上的可疑缺陷投影图。 4、缺陷的判定与空间定位(1)在色谱图上圈定缺陷成为缺陷投影图后，在构件三维立体图上显示出该圈定范围的立体区域，即沿测线方向的椭圆形柱状体，可疑缺陷或缺陷的局部包含在该柱状体中，但仅依靠一个测位分析尚不能准确空间定位。 图9 缺陷投影区界面(2)二个或二个以上测位的测线正交或成一定角度相交，有助于缺陷的空间定位，通过多测位测试结果的综合

26、分析，辅助以人工分析判断，基本确定缺陷的空间位置，并综合结构特点、施工情况以及色谱图的色系、色差等多方面信息判定缺陷的性质。 图10 多测位综合分析(3)根据多测位综合分析获得的缺陷空间定位结果，在构件二维图中（分别为X-Y轴、Y-Z轴、X-Z轴）分别置入判定缺陷的投影位置，软件计算得出符合置入的三维投影的立体椭球形区域，进一步分别调整二维图中缺陷的投影位置，使椭球形缺陷区与多测位可疑缺陷投影图所判定的缺陷空间位置基本吻合，由此在三维坐标系中给出了缺陷位置和尺寸的空间坐标。(4)软件中的缺陷投影设为椭圆形，三维显示缺陷设为椭球形，可将其视为缺陷的核心部位，对于实际缺陷形状的描述可进行适当的调整。图11 二维图中置入缺陷投影 图12 缺陷空间坐标定位结束语形状复杂及钢筋密集的混凝土结构物内部缺陷检测比一般混凝土结构的难度要高得多，常规超声概率法不能适用于缺陷检测，节点模型试验表明即使明显的缺陷也由于严重的漏判而无法识别，本研究成果针对节点超声检测的诸多难点，提出一套有效的检测方法和数据处理技术，并将之软件化，编制了建筑节点缺陷检测专用软件，模型试验效果良好，明显的提高了检测结果的准确性和可靠性。该项技术也可应用于其他复杂形状或内部钢筋密集的混凝土结构物缺陷检测，例如预应力梁的梁端锚固区等，对常规的混凝土缺陷检测也有借鉴价值。具有较强的实用性和较好的应用前景。- 15 -