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摘要：钢管混凝土结构柱核芯混凝土浇筑质量的检验常用方法介绍，以及采用超声波法检验钢管混凝土组合柱芯混凝土质量的原理及方法。
关键词：钢管混凝土组合柱；超声波；质量检验
最近几年钢管混凝土作为一种新兴的组合结构应用逐渐增多，钢管混凝土结构具有承载力高、延性好，施工方便、耐火耐久性好等诸多优点，广泛地应用于高层（超高层）、桥梁和大跨度空间结构建筑的受力体系中。钢管混凝土结构的科学研究、基础理论和设计计算等也得了空前的发展和完善，目前，已建立了较为成熟的结构设计原则和施工工艺，为钢管混凝土的广泛应用奠定了良好基础。
自密实高强混凝土具有很好的流动性，用于钢骨-钢管混凝土组合柱可以实现试件的免振成型，方便施工，然而浇注时混凝土都是从钢管的上端倒入，因此管内的自密实混凝土存在分层离析的危险，检验钢管混凝土核芯混凝土的浇筑质量就尤为关键，根据《钢管混凝土结构设计结构设计与施工规程》（CECS28：90）,《建筑结构检测技术标准》（GB/T50344-2017）以及超声波检测混凝土缺陷技术规程(CECS 21：2000)等现行的标准、规范的规定，钢管混凝土核芯柱混凝土的质量检测有敲击法，钻芯法和超声波等方法。
1.几种检测方法的利弊分析
1.1 敲击法
敲击法适用于普查芯柱的混凝土质量，全凭检验人员的技术和经验，受主观因素影响较大，也缺乏理论依据和可供存档的资料，不便于施工技术管理及技术管理，对于壁厚较大的钢管混凝土构件，敲击法很难进行准确判断，因此只能作为一种辅助检测手段。
1.2 钻芯法
钻芯法是在已成形的芯柱上钻孔抽芯，通过钻取的芯样的质量状况判断芯柱混凝土的质量。钻芯法由于只是钻取局部一孔，不能综合判断整个混凝土的质量情况，有比较大的局限性，而且钻孔直径较大，钻孔的灌浆补强很难满足与芯柱混凝土等强，存在破坏混凝土柱整体性的风险，严重时会消弱混凝土柱的受力性能，再有就是钻芯法存在检验周期长，费用较高，而且钢管混凝土柱上不易架设钻芯设备的弊端。
1.3 超声波法
混凝土内部性能的无损检测方法现在主要有超声波法、红外波波法、冲击回波法、雷达法、微波法和光纤传感等方法，而其中超声波法是比较实用便捷的一种方法。
超声波法检测混凝土质量完整性的基本原理是 ： 由超声脉冲发射源在混凝土内激发高频弹性脉冲波, 并用高精度的接收系统记录该脉冲波在混凝土内传播过程中表现的波动特性. 当混凝土内存在不连续或破损界面时, 缺陷面形成波阻抗界面, 超声波到达该界面时, 产生波的投射和反射, 使接收到的投射波能量明显降低; 当混凝土内存在松散、蜂窝、孔洞等严重缺陷时, 将产生波的散射和绕射; 根据波的初至到达时间和波的能量衰减特性、频率变化及波形畸变程度等特征, 可以获得测区范围内混凝土密实度参数. 测试记录不同侧面、不同高度上的超声波特征, 经过处理分析就能判别测区内部存在缺陷的性质、大小和空间位置以及各测区混凝土质量均匀性的相对分布.
超声波检测钢管混凝土柱柱芯混凝土质量有两种方法： 径向对测法和预埋声测管法. 径向对测是在钢管混凝土每一环线上保持 T、R 换能器连线通过圆心, 沿环向测试, 逐点测取声时、波幅和主频.
为了判断试件内核芯混凝土是否出现了分层离析，本文采用超声波对内填混凝土的质量进行检测(径向对测)。下面将分别对其检测原理、检测方法及检测结果进行介绍。
1）钢骨-方钢管混凝土柱的超声波检测原理
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超声波检测钢骨-方钢管混凝土组合柱的基本原理是在钢管外壁某边中点处利用发射换能器辐射高频振动，经钢管形心传向对边中点的接收换能器，如图1。组合柱是方钢管、核芯混凝土和钢骨的组合构件，由于钢材的性能一般较为稳定，所以当超声波通过构件的边长时，其通过时的时速、振幅和波形等参数的变化主要与管内混凝土的密实度、均匀性和局部缺陷的状况有关，因此可以用超声波来检测管内混凝土的强度和缺陷。测试表明[1]，多浆少石区与多石少浆区的波形都属于正常无畸变波形，首波幅值大。但从声速看，多浆少石区的声速明显低于多石少浆区。这是由于超声波通过骨料的声速比通过水泥石的声速大，骨料集中区的声速比水泥浆集中区的声速大，因此可以利用声速的标准差
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和变异系数
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[2]来判断内填自密实混凝土是不是出现了分层离析。
如果要保证组合柱的超升波检测按图1所示的路径1进行，必须满足超声波穿过钢骨-方钢管混凝土到达接收换能器的时间
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小于超声波通过管壁到达接收换能器的时间
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。只有这样，到达接收换能器的首波才能反映管内混凝土的质量，否则超声波将无法对钢-混凝土组合构件进行检测。为了对
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和
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进行比较，首先应了解超声波在钢材和混凝土中的传播方式。
纵波[3]是弹性介质质点的振动方向和波的传播方向相同的弹性波，它使弹性体内产生交替的伸长和压缩变形，并在弹性体内沿波的传播方向产生拉、压应力。对组合柱进行超声波检测时，沿路径1(见图1)传播的波就属于纵波。横波是弹性波质点的振动方向和波的方向垂直，其形成是由于固体介质受到交变剪切力作用而产生的剪切变形。因此，具有这种特性的波称为切变波。依据横波的特性及折射原理，沿路径2(见图1)传播的波为横波。
室内空钢管和工字钢的超声波测试结果表明：钢管的纵波声速
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为5224m/s；钢管的横波声速
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为3256m/s；钢骨的纵波声速
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为5265m/s。正常混凝土的声速
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介于钢材的纵波声速和横波声速之间，其变化范围为3300~4600 m/s[3]。由此可以得出，
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≈
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。由图1可知，路径2的距离是路径1的两倍，同时沿路径2传播的横波声速
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是最小的，所以只要管内混凝土是密实的且与钢材间胶结良好，用对穿法检测时接收信号的首波就是沿路径1传播的超声纵波。因此，应用超声波来检测组合柱中核芯混凝土的质量是可行的。
2）检测方法
根据《超声波检测混凝土缺陷技术规程》(CECS 21：2000)的规定[2]，进行均匀性检测时测点间距一般为220mm~500mm。为保证测量的准确性，测点选在不含焊缝的两个相对侧面上(见图2)，并在测量前用直尺对测
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点位置进行精确定位。测量时，首先在测点处涂上黄油作为耦合剂，然后用超声波穿透法，由TICO混凝土超声波测试仪发射和接收超声波。每个测点重复测量3次，记录每次测得的声时。
3）检测结果分析
根据图2，超声波通过组合柱的声时
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可表示为
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(1)
式中，
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为方钢管的外边长；
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为壁厚；
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为超声波穿过钢骨的距离；
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为钢管的纵波声速；
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为钢骨的纵波声速；
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为核芯混凝土的声速。式(1)中只有
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是未知的，整理后得到
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(2)
由式(2)可以求得每个测点处核芯混凝土的声速。根据CECS 21：2000技术规程，可采用概率统计的方法对测得的数据进行分析，其中声速的平均值
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、标准差
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和变异系数
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的计算公式分别为：
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(3)
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(4)
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(5)
式中，
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为第i点的混凝土声速测量值；
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为参与统计的测点数。所有试件的声速测量值及分析结果在表1中列出。根据文献[3]提供的混凝土质量分类标准，当声速大于4120m/s时，混凝土质量为优质；当声速介于3300~4120m/s时，混凝土质量为良好。根据上述标准，B组试件中核芯混凝土的质量全部为优质，A组试件中试件S4L10的核芯混凝土质量为优质，其他3个试件的核芯混凝土质量为良好。同时根据表3.2中标准差
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和变异系数
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的计算结果可以评定，核芯混凝土的质量均匀性良好，没有出现分层离析现象。总之，超声波检测结果（表1）表明AB组试件的核芯混凝土的密实性与质量均匀性良好。
表1 超声检测数据分析
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2. 结论
钢管混凝土组合柱核芯混凝土质量检测的几种方法都有各自的利弊和适用范围, 超声波法具有简便、快捷、准确等优点, 但其对测法和埋管法在工程实际操作中有一定的局限性, 应根据具体的工程特点进行选择. 径向对测法要求管壁与混凝土之间胶结良好,否则声波在管壁与混凝土之间存在的空气介质处产生反射或绕钢管壁传播, 导致检测数据和缺陷判断的错误. 预埋声测管检测范围有一定的限制, 只能检测声测管内部混凝土的质量, 不能检测柱管壁与内部混凝土以及横向加劲板间混凝土的结合情况, 同时由于检测对混凝土龄期的要求造成对工程工期也有较大的影响. 检测预留下的空管对钢管混凝土柱的受力也有一定的削弱, 需要进行灌浆处理.
参考文献：
[1] 钟善桐.钢管混凝土结构(第三版).北京：清华大学出版社,2003.
[2] 中国工程建设标准化协会标准.超声波检测混凝土缺陷技术规程(CECS 21：2000).北京：中国计划出版社,2001.
[3] 张宏,余钱华,吕毅刚.超声透射法检测钢管拱桥拱肋混凝土质量应用研究.土木工程学报,2004,37(8)：50-53,93.