钢管混凝土结构内部缺陷诊断关键技术及工程应用

钢管混凝土结构内部缺陷诊断

关键技术及工程应用

概述

为满足国家和区域经济社会发展战略需求，近年来，超高、大跨、重载、复杂等大型工程项目快速建设，推动了钢管混凝土结构在高层建筑、工业建筑、桥梁工程、海洋工程、电力设施等领域的广泛应用。如广州电视塔（610米）、深圳平安金融中心（599米）、北京中国尊（528米）、巫山长江大桥（主跨492米）、拉林铁路藏木雅鲁藏布江双线特大桥（主跨432米）、干海子特大桥（总长1811米）等。

壮观的钢管混凝土拱桥

然而，受混凝土泵送工艺、浇筑时混凝土泌水和沉降、养护时混凝土收缩和冷缩、运营时日照和季节温差以及混凝土后期收缩等多种因素影响，大型钢管混凝土结构较普遍存在不同程度的内部混凝土缺陷（主要为脱空缺陷）。

据交通部公路科学研究院统计，处于服役期内的钢管混凝土桥梁出现脱空缺陷的约占80%。缺陷会降低结构抗力和韧性水平，特别在动载、腐蚀、高温等条件下，可能引发结构损伤、破坏甚至倒塌，造成人员严重伤亡和经济重大损失。

脱空缺陷引起病害遭拆除的某钢管混凝土拱桥

2月24日，根据福建省人民政府发布的《福建省人民政府关于2020年度省科学技术奖励的决定》闽政文〔2022〕109号文件，我单位作为主要参与“大型钢管混凝土结构内部缺陷诊治与控制关键技术及工程应用”项目荣获2020年度福建省科学技术奖——科技进步奖奖项的一等奖。

该项目中，我司提出了钢管混凝土内部缺陷的精准诊断技术。

钢管与混凝土脱空检测（振动法）

检测原理

通过锤击结构表面时，在表面会诱发振动。该振动还会压缩/拉伸空气形成声波。通过用传感器/拾音器拾取结构表面的振动信号并分析其振动特性可检出脱空部位。通常，在产生脱空的部位，振动特性会发生以下变化（如下图）：

（1）弯曲刚度显著降低，卓越周期增长；

（2）弹性波能量的逸散变缓，振动的持续时间变长。

钢管混凝土脱空缺陷示意图

剥离/脱空时振动参数的变化特点

案例

某钢管混凝土拱桥脱空检测（广西，2021）

脱空检测及结果示意图

验证结论：上述检测结果中的脱空位置，通过现场多方敲击验证，检测结果均与实际一致。

钢管混凝土内部质量检测（弹性波CT法）

检测原理

弹性波层析扫描（CT)技术通过弹性波（P波）对被检断面进行扫描，弹性波在混凝土结构中经过缺陷时产生绕射，传播时间延长，此测线的波速将降低，在缺陷位置处以低波速区反映出来（即结果图中的蓝色区域），测试的数据信号经解析、反演、重建得到能真实反映其结构内部情况而不失真的弹性波速度分布图像，以达到检知结构物内部缺陷的目的。