CN109239183A - 一种基于套筒表面超声波反射判断测点处无灌浆的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于套筒表面超声波反射判断测点处无灌浆的方法，先制作埋设有未灌浆套筒的平行构件，然后对未灌浆套筒进行测点标记和测点衰减系数测量，得到未灌浆套筒中衰减系数范围，而后对工程中的灌浆套筒进行测点标记和测点衰减系数测量，通过灌浆套筒测点的数据与衰减系数范围比对得到有无灌浆的结论。本发明根据反射波信号拟合得到波幅的衰减系数来判断该测点处的套筒内部是否灌浆，检测速度快、效率高、精度高、成本低。

Description

一种基于套筒表面超声波反射判断测点处无灌浆的方法

技术领域

本发明涉及装配式建筑技术领域，具体涉及一种基于套筒表面超声波反射判断测点处无灌浆的方法。

背景技术

预制装配式建筑是指建筑的部分或全部构件及部品在预制厂生产完成，再运输到施工现场，采用可靠的连接方式和安装机械将构件组装起来，形成具备设计使用功能的建筑物。与现浇结构施工相比，预制装配式结构具有施工方便、工程进度快、周围环境影响小、建筑构件质量容易得到保证等优点。装配式结构在我国的工业建筑中应用较多，近十年来在民用建筑特别是住宅建筑中大力推广应用。

灌浆套筒连接是目前预制装配式混凝土结构中钢筋主要连接方式之一，该技术通过专用灌浆套筒和高强度无收缩灌浆料实现钢筋连接，具有施工快捷、受力简单、附加应力小、适用范围广、易吸收施工误差等优点。因该连接方式在构件同一个截面的接头数量是100％，且一般处于构件重要受力部位，故连接质量至关重要，如果灌浆套筒内部灌浆不饱满，钢筋连接将达不到设计的预期性能，则可能带来严重的结构安全隐患。

在施工过程中，灌浆套筒内部漏浆、少灌、堵塞的情况时有发生，灌浆套筒连接质量不符合要求的工程问题也有所报道，工程验收时对灌浆饱满度问题尤为关注。由于钢筋套筒灌浆连接构造复杂又属于隐蔽工程，常常受到钢筋、混凝土、套筒、灌浆料、墙体厚度、保温层等多因素耦合影响，灌浆饱满度检测是国内外公认的难题。

近年来，研究人员相继提出了预埋传感器法、预埋钢丝拉拔法(必要时结合内窥镜法)、冲击回波法及X射线法，但在使用条件、检测精度、便捷性等方面还存在各自的局限性。其中，预埋传感器法及预埋钢丝拉拔法需要在灌浆施工过程中埋设传感器或钢丝，并要求套筒出浆口必须外接直管；冲击回波法在一定程度上可以发现灌浆不饱满的情况，但定量结果与实际情况存在误差，总体而言尚不成熟；X射线法受限于便携式X射线机的穿透能力，目前只适用于套筒居中或梅花桩布置的200mm厚预制剪力墙套筒灌浆饱满度检测，检测效率低、检测成本高，且检测时须在辐射范围内进行人员清场。

也有学者研究在混凝土表面通过超声波检测灌浆套筒内部缺陷，但常用灌浆套筒内腔灌浆料截面尺寸平均在10mm左右，最小尺寸约5mm，考虑到混凝土中骨料影响，需要在超声波频率和可识别最小缺陷尺寸上寻找平衡，高频超声波衰减很快，无法接收到超声波，低频超声波又无法识别10mm级别以下的缺陷。因检测对象的复杂性，通过超声波透过混凝土检测灌浆套筒内部灌浆缺陷的无损检测技术研究进展缓慢，现有成果尚不能满足工程使用要求。

综上可知，目前的预埋类检测方法及无损类检测方法能解决部分问题，但是对于预制构件厚度超出便携式X射线机穿透能力范围同时套筒出浆口又外接软管的新建工程，或是既不能满足X射线法使用条件又未预先布设传感器的已建工程，现有的预埋类检测方法及无损类检测方法均不适用。

鉴于便携式X射线机的穿透能力，有学者提出一种局部破损检测方法：在不截断受力钢筋的前提下，剔凿套筒周边的混凝土，使套筒背面能够放置成像板(胶片或IP板)，然后只针对单个套筒进行透射成像。但是，该方法为使套筒背面能够放置成像板，剔凿范围过大，现场不宜操作，且X射线法的其他缺点仍然存在。

倘若能够通过局部剔凿套筒外混凝土保护层，露出套筒外表面，然后采用套筒表面超声的方法在套筒单侧表面探测灌浆饱满度，就既能够避免套筒外混凝土保护层干扰，又可以尽量减小预制构件的破损程度。因此，如何利用超声原理精准快速地判断测点处的套筒内部是否灌浆，是套筒表面超声法检测灌浆饱满度所需解决的首要技术问题。目前，唯一可以参照的是《超声法检测混凝土缺陷技术规程》CECS 21：2000中的钢管混凝土缺陷检测，但钢筋套筒灌浆连接件与钢管混凝土构件在径向尺寸、内部结构、填充材料上存在着很大差异，且钢管混凝土缺陷检测是采用径向对测法，属于超声波穿透法检测，而套筒表面超声法则要求单面探测，因此两者之间并不相同。另外，套筒内腔构造复杂，为了增强灌浆料与钢筋及套筒间的机械咬合和摩擦作用，套筒内腔每隔一段距离就设有一道强化凸肋，也为检测判断增加了一定难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于套筒表面超声波反射判断测点处无灌浆的方法，通过局部剔凿灌浆套筒外混凝土保护层形成检查口，根据反射波信号拟合得到波幅的衰减系数来判断该测点处的套筒内部是否灌浆，检测速度快、效率高、精度高、成本低。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于套筒表面超声波反射判断测点处无灌浆的方法，包括以下步骤：

步骤1)制作埋设有未灌浆套筒的平行构件，平行构件上设置第一检测槽，第一检测槽能够露出未灌浆套筒的外表面；

步骤2)沿着未灌浆套筒的长度方向绘制测线，并在测线上布置多个测点；

步骤3)将双晶探头、超声脉冲发生接收仪、示波器和便携式计算机连接并调节参数；

步骤4)将耦合剂涂于双晶探头上，并将双晶探头按压在未灌浆套筒的一个测点上，当示波器波形稳定时，保存数据；

步骤5)使用便携式计算机采集示波器的数据，绘制包络曲线，并在前n次回波的到达窗口中，求取各到达窗口对应的最大值，即为各次回波的峰值；

对峰值点进行指数拟合，拟合表达式如下：

y＝A×e^-αx

式中，x为信号传播距离，单位为毫米(mm)，y为示波器上的幅度，单位为伏特(V)；e为自然对数底，A、α为拟合参数，其中，A的单位为伏特(V)，α的单位为1/mm，由于α表征了衰减的快慢程度，也称为衰减系数，经中心化与比例化处理后，得到对应于步骤2)中的测点的衰减系数α₀；

步骤6)重复步骤4)和步骤5)，将未灌浆套筒的全部测点依次测完，得到对应于其余测点的衰减系数α₀；将所有测点的衰减系数α₀中的最小值选出并记录为α_min，将最大值选出并记录为α_max；则可获得未灌浆套筒的衰减系数范围为α_min≤α₀≤α_max；

步骤7)选取需要检测灌浆饱满度的灌浆套筒，局部剔凿灌浆套筒外混凝土保护层形成第二检测槽，第二检测槽能够露出灌浆套筒的外表面；

步骤8)沿着灌浆套筒的长度方向绘制测线，并在测线上进行布置多个测点，根据步骤4)和步骤5)的测量方式对灌浆套筒上的测点进行测量，获得灌浆套筒中各测点的实验数据，并得到灌浆套筒中各测点对应数据的衰减系数α₁；

如果其中一个测点的衰减系数α₁处于α₀的范围之内，则判断该测点处的套筒内部无灌浆；

如果其中一个测点的衰减系数α₁未处于α₀的范围之内，根据相邻下一测点的衰减系数进一步判断，如果相邻下一测点的衰减系数的值处于α₀的范围之内，则判断上一测点处的套筒内壁可能存在加强凸肋，该测点与上一测点处的套筒内部均无灌浆；

如果其中一个测点的衰减系数α₁未处于α₀的范围之内，根据相邻下一测点的衰减系数进一步判断，如果相邻下一测点的衰减系数的值仍不在α₀的范围之内，则判断上一测点处的套筒内部有灌浆。

进一步的，将未灌浆套筒表面的测点以及灌浆套筒表面的测点进行顺序标记，顺序标记的起始点为距出浆口处最近的测点。

进一步的，将双晶探头与超声脉冲发生接收仪的输入端连接，超声波脉冲发生接收仪的输出端与示波器的输入端相连，并将示波器的输出端连接到便携式计算机上，然后设置超声脉冲发生接收仪上的参数，调节脉冲宽度，使超声脉冲发生接收仪上的探头频率与双晶探头的频率一致。

进一步的，所述双晶探头具有圆弧状的前匹配，双晶探头的中心频率为1MHz～5MHz，双晶探头激发的超声波为纵波。

进一步的，所述超声发生器的脉冲电压设置为-10V～-100V之间，接收增益设置为+20dB～+50dB。

进一步的，未灌浆套筒表面的测点以及灌浆套筒表面的测点中，相邻两个测点的间隔为5mm～30mm。

进一步的，所述未灌浆套筒与灌浆套筒型号一致。

进一步的，所述第一检测槽为预留检查口，该预留检查口在平行构件浇筑混凝土前通过预埋可分离的垫块获得。

进一步，所述平行构件可以由未进行灌浆施工的实体构件代替，所述第一检测槽通过局部剔凿未灌浆套筒外混凝土保护层获得。

本发明的有益效果：

1、本发明利用套筒表面超声波反射信号来判断套筒内部有无灌浆，从而实现了在套筒单侧表面进行探测，套筒外侧混凝土的剔除量很小，检测完毕后将剔除区域重新填满即可，不会对预制构件的力学性能产生影响。

2、根据反射波信号拟合得到波幅的衰减系数来判断测点处的套筒内部是否灌浆，检测速度快、效率高、精度高、成本低。

3、通过将灌浆套筒相邻测点处的波幅衰减系数与未灌浆套筒的波幅衰减系数范围进行综合比较，有效的排除了套筒内壁上的加强凸肋对检测的影响。

附图说明

图1是本发明基于套筒表面超声波反射判断测点处无灌浆的方法流程图；

图2是本发明未灌浆套筒的各回波峰值示图；

图3是本发明各回波峰值拟合结果图；

图4是本发明测点为1-1的GUI界面图；

图5是本发明的套筒表面超声法实施示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明的基于套筒表面超声波反射判断测点处无灌浆的方法的一实施例：

超声波在传播过程中经过不同的介质会发生反射、透射现象，当超声波在经过套筒内壁和空气界面时，由于这两种介质的声阻抗相差较大，其反射波就较为强烈，在实际操作中得到的信号就较强，便于获取特征信号并进行数据处理；当超声波在经过套筒内壁和灌浆料界面时，由于这两种介质的声阻抗相差较小，其反射波较弱，在实际操作中得到的信号较弱，不易获取特征信号并进行数据处理；鉴于此，本实验方法在测量未灌浆套筒时信号特征明显，且在实验过程中，应尽可能的对照套筒的内部结构，避开套筒内部的凸肋，以免凸肋引起衰减系数的值变大效应，对实验分析造成不利的影响。

参照图1所示，为整体流程示意图，检测步骤为首先需要制作埋设有未灌浆套筒的平行构件，平行构件上设置第一检测槽，第一检测槽能够露出未灌浆套筒的外表面；沿着未灌浆套筒的长度方向绘制测线，在测线上标记多个测点，多个所述测点沿测线依次布置于未灌浆套筒的表面，离未灌浆套筒出浆口处最近的测点记为1-1，其余测点依次标记为1-2、1-3等，依次类推；第一检测槽为预留检查口，该预留检查口在平行构件浇筑混凝土前通过预埋可分离的垫块获得，无需事后破凿。

将中心频率为2.5M的双晶探头与超声脉冲发生接收仪的输入端连接，将超声脉冲发生接收仪的输出端与示波器的输入端相连，并将示波器的输出端连接到便携式计算机上，通电；其中双晶探头为具有激发超声波和接收超声波功能为一体的超声换能器，双晶探头激发的超声波为纵波；超声发生器的脉冲电压设置为-10V～-100V之间，接收增益设置为+20dB～+50dB。

设置超声脉冲发生接收仪的参数，使超声脉冲发生接收仪上的探头频率与双晶探头的频率一致；

将耦合剂凡士林涂于双晶探头上，并将具有圆弧状前匹配的双晶探头按压在未灌浆套筒的测点1-1上，使得双晶探头与被测套筒无缝贴合，当示波器波形稳定时，保存数据；

使用便携式计算机采集示波器的数据，在Matlab软件中采用spcrv函数绘制包络曲线，并在第一次回波、第二次回波、第三次回波、第四次回波的到达窗口中，求取各到达窗口对应的最大值，即为各次回波的峰值，如图2所示，其中竖向虚线之间的区段即为各次回波的到达窗口；对所得峰值进行指数拟合如图3所示，拟合效果较好，经中心化与比例化处理后，得到该测点对应的衰减系数α₀；为提高数据处理效率，将该算法集成到Matlab的GUI界面中，如图4所示，其中右下角线框中的数据即为得到的衰减系数α₀，此时对应于1-1的测点其衰减系数α₀为0.43；重复上述步骤得到其余测点的拟合参数如表1所示，未灌浆套筒5的衰减系数范围为0.20≤α₀≤0.44；

表1未灌浆套筒的衰减系数

测点	(1/mm)
		1-1	0.43
1-2	0.35
		1-3	0.27
1-4	0.20
		1-5	0.44

选取需要检测灌浆饱满度的灌浆套筒1，局部剔凿灌浆套筒外混凝土保护层2形成第二检测槽3，第二检测槽能够露出灌浆套筒的外表面，沿着灌浆套筒的长度方向绘制测线，在测线上标记多个测点，多个测点沿测线依次布置于灌浆套筒的表面，离灌浆套筒出浆口处最近的测点记为2-1，其余测点依次标记为2-2、2-3等，依次类推；其中灌浆套筒与钢筋4之间通过灌浆料5连接。

采用相同的方法，使用具有圆弧状前匹配的双晶探头6对灌浆套筒进行测量，获得灌浆套筒中各测点的实验数据，求取各测点对应数据的衰减系数α₁，如表2所示。如果其中一个测点的衰减系数α₁处于α₀的范围之内，则判断该测点处的套筒内部无灌浆；

如果其中一个测点的衰减系数α₁未处于α₀的范围之内，根据相邻下一测点的衰减系数进一步判断，如果相邻下一测点的衰减系数的值处于α₀的范围之内，则判断上一测点处的套筒内壁可能存在加强凸肋，该测点与上一测点处的套筒内部均无灌浆；

如果其中一个测点的衰减系数α₁未处于α₀的范围之内，根据相邻下一测点的衰减系数进一步判断，如果相邻下一测点的衰减系数的值仍不在α₀的范围之内，则判断上一测点处的套筒内部有灌浆。

表2被测灌浆套筒的衰减系数

测点	(1/mm)
		2-1	0.33
2-2	0.24
		2-3	0.68
2-4	0.72
		2-5	0.62

表2中测点2-1及测点2-2的衰减系数α₁的值处于表1中α₀的范围之内，因此可判断上述两测点处的套筒内部无灌浆料。测点2-3的衰减系数α₁的值未处于表1中α₀的范围之内，根据相邻下一测点2-4的衰减系数的值进一步判断，测点2-4的衰减系数仍未处于表1中α₀的范围之内，因此可以判断测点2-3处的套筒内部有灌浆，同理根据测点2-5的数据可以判断测点2-4处的套筒内部也有灌浆料。再根据灌浆料拌合物高流动性的特点，可以最终判定测点2-3及其以下部分的套筒内部均有灌浆，但该套筒存在灌浆不饱满的情况。

上述的未灌浆套筒表面的测点以及灌浆套筒表面的测点中，相邻两个测点的间隔为5mm～30mm，以保证相邻两个测点之间的数据具有可对比性。并且将未灌浆套筒与灌浆套筒型号限定为一致，不同的套筒存在数据偏差，不能混合判断。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种基于套筒表面超声波反射判断测点处无灌浆的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)制作埋设有未灌浆套筒的平行构件，平行构件上设置第一检测槽，第一检测槽能够露出未灌浆套筒的外表面；

步骤2)沿着未灌浆套筒的长度方向绘制测线，并在测线上布置多个测点；

步骤3)将双晶探头、超声脉冲发生接收仪、示波器和便携式计算机连接并调节参数；

步骤4)将耦合剂涂于双晶探头上，并将双晶探头按压在未灌浆套筒的一个测点上，当示波器波形稳定时，保存数据；

步骤5)使用便携式计算机采集示波器的数据，绘制包络曲线，并在前n次回波的到达窗口中，求取各到达窗口对应的最大值，即为各次回波的峰值；

对峰值点进行指数拟合，拟合表达式如下：

y＝A×e^-αx

式中，x为信号传播距离，单位为毫米(mm)，y为示波器上的幅度，单位为伏特(V)；e为自然对数底，A、α为拟合参数，其中，A的单位为伏特(V)，α的单位为1/mm，由于α表征了衰减的快慢程度，也称为衰减系数，经中心化与比例化处理后，得到对应于步骤2)中的测点的衰减系数α₀；

步骤6)重复步骤4)和步骤5)，将未灌浆套筒的全部测点依次测完，得到对应于其余测点的衰减系数α₀；将所有测点的衰减系数α₀中的最小值选出并记录为α_min，将最大值选出并记录为α_max；则可获得未灌浆套筒的衰减系数范围为α_min≤α₀≤α_max；

步骤7)选取需要检测灌浆饱满度的灌浆套筒，局部剔凿灌浆套筒外混凝土保护层形成第二检测槽，第二检测槽能够露出灌浆套筒的外表面；

步骤8)沿着灌浆套筒的长度方向绘制测线，并在测线上进行布置多个测点，根据步骤4)和步骤5)的测量方式对灌浆套筒上的测点进行测量，获得灌浆套筒中各测点的实验数据，并得到灌浆套筒中各测点对应数据的衰减系数α₁；

如果其中一个测点的衰减系数α₁处于α₀的范围之内，则判断该测点处的套筒内部无灌浆；

如果其中一个测点的衰减系数α₁未处于α₀的范围之内，根据相邻下一测点的衰减系数进一步判断，如果相邻下一测点的衰减系数的值处于α₀的范围之内，则判断上一测点处的套筒内壁可能存在加强凸肋，该测点与上一测点处的套筒内部均无灌浆；

如果其中一个测点的衰减系数α₁未处于α₀的范围之内，根据相邻下一测点的衰减系数进一步判断，如果相邻下一测点的衰减系数的值仍不在α₀的范围之内，则判断上一测点处的套筒内部有灌浆。

2.如权利要求1所述的基于套筒表面超声波反射判断测点处无灌浆的方法，其特征在于，将未灌浆套筒表面的测点以及灌浆套筒表面的测点进行顺序标记，顺序标记的起始点为距出浆口处最近的测点。

3.如权利要求1所述的基于套筒表面超声波反射判断测点处无灌浆的方法，其特征在于，将双晶探头与超声脉冲发生接收仪的输入端连接，超声波脉冲发生接收仪的输出端与示波器的输入端相连，并将示波器的输出端连接到便携式计算机上，然后设置超声脉冲发生接收仪上的参数，调节脉冲宽度，使超声脉冲发生接收仪上的探头频率与双晶探头的频率一致。

4.如权利要求1所述的基于套筒表面超声波反射判断测点处无灌浆的方法，其特征在于，所述双晶探头具有圆弧状的前匹配，双晶探头的中心频率为1MHz～5MHz，双晶探头激发的超声波为纵波。

5.如权利要求1所述的基于套筒表面超声波反射判断测点处无灌浆的方法，其特征在于，所述超声发生器的脉冲电压设置为-10V～-100V之间，接收增益设置为+20dB～+50dB。

6.如权利要求1所述的基于套筒表面超声波反射判断测点处无灌浆的方法，其特征在于，未灌浆套筒表面的测点以及灌浆套筒表面的测点中，相邻两个测点的间隔为5mm～30mm。

7.如权利要求1所述的基于套筒表面超声波反射判断测点处无灌浆的方法，其特征在于，所述未灌浆套筒与灌浆套筒型号一致。

8.如权利要求1所述的基于套筒表面超声波反射判断测点处无灌浆的方法，其特征在于，所述第一检测槽为预留检查口，该预留检查口在平行构件浇筑混凝土前通过预埋可分离的垫块获得。

9.如权利要求1所述的基于套筒表面超声波反射判断测点处无灌浆的方法，其特征在于，所述平行构件可以由未进行灌浆施工的实体构件代替，所述第一检测槽通过局部剔凿未灌浆套筒外混凝土保护层获得。