CN111156936B - 基于干耦合超声检测技术的套筒内钢筋插入长度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于干耦合超声检测技术的套筒内钢筋插入长度测量方法，在预制构件现场拼接完成后且套筒灌浆施工前，将干耦合超声传感器从灌浆孔道或预制构件底部接缝的剔凿口处伸入，抵接在伸出下部基体的连接钢筋侧面，激发并接收超声导波；超声导波在连接钢筋侧面的抵触点处按照初始传播方向分为上行波及下行波，上行波与下行波在每经过2倍的连接钢筋伸出长度后会同时达到抵触点，回波信号叠加导致波幅值增大易于识别，计算出超声导波在单倍的连接钢筋伸出长度中传播所需的时间，再根据参考波速，即可计算得到所测连接钢筋的伸出长度，并最终算得套筒内连接钢筋插入长度。本发明可以快速、有效检测套筒内连接钢筋插入长度，并且通用性强。

Description

基于干耦合超声检测技术的套筒内钢筋插入长度测量方法

技术领域

本发明涉及装配式建筑技术领域，具体涉及一种基于干耦合超声检测技术的套筒内钢筋插入长度测量方法。

背景技术

在装配式建筑结构中，尤其是在装配式混凝土结构中，构件连接是保证结构整体质量的关键节点。钢筋套筒灌浆连接是在装配式混凝土结构中常用的钢筋连接形式，是指在预制混凝土构件内预埋的金属套筒中插入钢筋并灌注水泥基灌浆料而实现的钢筋对接连接方式。插入套筒内的连接钢筋作为不同预制构件荷载传递的主要承担者，连接钢筋的锚固长度是保证套筒灌浆连接可靠性的关键因素之一，而套筒内连接钢筋的插入长度则是保证其锚固长度的先决条件。

然而，实际施工过程中会存在以下三方面的原因，导致套筒内连接钢筋插入长度减小：(1)由于构件生产或现场安装偏差导致下段连接钢筋无法就位，个别存在下段连接钢筋被割短或割断现象；(2)由于下层预制构件顶部的预留钢筋，除了要插入上层预制构件底部的套筒外，还要经过上下层预制构件之间的叠合楼板及上层预制构件的底部接缝，叠合楼板的现浇层如果厚度控制不好，会影响连接钢筋插入套筒的深度；(3)同理，底部接缝的厚度如果控制不好，也会影响连接钢筋插入套筒的深度。上述问题最终都会减少钢筋的有效锚固长度，导致钢筋套筒灌浆连接接头强度达不到要求，存在安全隐患。

目前，已有的套筒内钢筋插入长度的检测方法为内窥镜法，是利用套筒尺寸精度高的特点，将测量连接钢筋的插入长度转化为测量连接钢筋插入段末端与套筒内已知参照点的相对距离，通过三维立体测量内窥镜准确测量上述相对距离，计算出连接钢筋的插入长度。但是该方法存在一个问题：该方法为间接测量方法，必须借助于套筒内的已知参照点，但并不是所有品牌的套筒都能在套筒内找到合适的已知参照点。

因此，有必要提供一种适用性更强且可以快速、有效检测套筒内连接钢筋插入长度的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于干耦合超声检测技术的套筒内钢筋插入长度测量方法，可以快速、有效检测套筒内连接钢筋插入长度，并且通用性强。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于干耦合超声检测技术的套筒内钢筋插入长度测量方法，在预制构件现场拼接完成后且套筒灌浆施工前，将干耦合超声传感器从灌浆孔道或预制构件底部接缝的剔凿口处伸入，抵接在伸出下部基体的连接钢筋侧面，激发并接收超声导波；

所述超声导波在连接钢筋侧面的抵触点处按照初始传播方向分为上行波及下行波，所述上行波及下行波在连接钢筋的末端及连接钢筋与下部基体的交接处发生多次反射，形成回波信号，上行波与下行波在每经过2倍的连接钢筋伸出长度后会同时达到抵触点，回波信号叠加导致波幅值增大易于识别，选用2的整数倍连接钢筋伸出长度对应的回波信号的多次回波峰值的时间间隔，计算出超声导波在单倍的连接钢筋伸出长度中传播所需的时间，再根据超声导波在相同型号的外伸钢筋中传播的参考波速，计算得到所测连接钢筋的伸出长度，上述伸出长度减去下部基体与套筒底部的间隙值即可得到套筒内连接钢筋的插入长度。

进一步的，当所述灌浆孔道为直线型时，干耦合超声传感器从灌浆孔道伸入，抵接在插入套筒内处于套筒出浆口高度的连接钢筋的侧面。

进一步的，当所述灌浆孔道为非直线型时，先测定套筒位置，对套筒正下方的预制构件底部接缝进行开口剔凿，得到剔凿口并露出连接钢筋，将干耦合超声传感器从预制构件底部接缝的剔凿口处伸入，抵接在预制构件底部接缝相对应的连接钢筋的侧表面。

进一步的，所述干耦合超声传感器为主频不大于100kHz的宽频带探头，探头直径小于20mm，探头尾部连接有刚性导向杆，刚性导向杆的直径小于20mm。

进一步的，所述回波信号通过波形显示屏进行显示，回波峰值的时间间隔通过波形显示屏的声时坐标轴进行计算。

进一步的，当预制构件底部接缝采用坐浆施工且干耦合超声传感器从灌浆孔道伸入时，所述连接钢筋的下部基体为座浆料与混凝土的上下组合，超声导波在连接钢筋与座浆料的交接处发生多次反射，下部基体与套筒底部的间隙值为零；当预制构件底部接缝采用坐浆施工且干耦合超声传感器从预制构件底部接缝的剔凿口处伸入时，应事先将连接钢筋周围的座浆料清除，使得所述连接钢筋的下部基体为混凝土，超声导波在连接钢筋与混凝土的交接处发生多次反射，下部基体与套筒底部的间隙值等于预制构件底部接缝的厚度。

进一步的，当预制构件底部接缝采用连通腔封缝施工时，所述连接钢筋的下部基体为混凝土，超声导波在连接钢筋与混凝土的交接处发生多次反射，下部基体与套筒底部的间隙值等于预制构件底部接缝的厚度。

进一步的，超声导波在相同型号的外伸钢筋中传播的参考波速，可经波速标定获得；选取与待检套筒内连接钢筋相同型号的外伸钢筋，所述外伸钢筋的一端埋设在混凝土内，先用钢尺测量外露钢筋的长度，然后避开外伸钢筋的中部区域将干耦合超声传感器抵接在外伸钢筋的侧面，激发并接收超声导波，计算出超声导波在单倍长度的外伸钢筋中传播的时间，进而确定超声导波在连接钢筋中的传播速度。

进一步的，所述外伸钢筋可以为尚未吊装的预制构件的顶部预留插筋，也可以为尚未安装上层预制构件的楼面伸出插筋。

本发明的有益效果：

1.本发明能够直接测量套筒内连接钢筋的插入长度，属于直接测量法，无需根据套筒的构造特征寻找参照点，因此本方法的适用性强，操作方便，提高了套筒内连接钢筋插入长度的检测效率及测量精度。

2.本发明的用于在连接钢筋侧面激发导波的传感器为干耦合超声传感器，无需耦合剂，方便快捷，不污染钢筋表面，不会对钢筋与灌浆料的粘结造成任何不利影响。

3.数据处理时选用2的整数倍连接钢筋伸出长度对应的多次回波峰值的时间间隔，计算超声导波在单倍的连接钢筋伸出长度中传播所需的时间，不仅特征信号容易识别，而且计算结果与干耦合超声传感器在连接钢筋侧面的实际抵触位置无关，方便检测。

4.本发明通过对现场未吊装的同类预制构件的顶部预留插筋，或对尚未安装上层预制构件的楼面伸出插筋进行导波波速标定，无需测定被测钢筋的材料参数，无需计算频散曲线，适用于各种工况。

附图说明

图1是本发明的信号传播路径示意图；

图2是本发明的波形叠加示意图；

图3是本发明测量外伸钢筋的示意图；

图4是本发明超声导波在外伸钢筋中回波信号图；

图5是本发明实施例中测量连接钢筋的示意图；

图6是本发明测点a的回波信号；

图7是本发明测量时的内部结构示意图；

图8是本发明测点b的回波信号；

图9是本发明另一实施例中剔凿测量示意图；

图10是本发明采用坐浆施工时的测量示意图；

图11是本发明针对浆锚搭接结构测量的示意图。

图中标号：

1、干耦合超声传感器；2、测量钢筋；3、全灌浆套筒；4、连接钢筋；5、硬直PVC管；6、预制剪力墙底部接缝；7、封缝层；8、外伸钢筋；9、下部基体；10、预制剪力墙；11、刚性导向杆；12、座浆料；13、混凝土；14、浆锚管；111、剔凿口。

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。

本发明的基于干耦合超声检测技术的套筒内钢筋插入长度测量方法的一实施例，其中，干耦合超声检测技术测量混凝土基体钢筋伸出长度的基本原理如下：干耦合超声传感器1从测量钢筋2的侧面激发超声波，其产生的入射超声波在钢筋的径向自由表面处发生类似光导纤维中的全反射而形成沿轴向传播的超声导波，其在测量钢筋的端面处会因为声阻抗的变化发生反射。如图1所示，沿测量钢筋向下传播的超声导波，遇到测量钢筋与下部基体交接处的混凝土会产生反射回波并在干耦合超声传感器处接收到信号A，沿测量钢筋向上传播的导波在钢筋伸出段末端也产生反射回波并在干耦合超声传感器处接收到信号B，由于传播距离较长，信号B相比A会有少许衰减；这两个回波会继续沿着钢筋传播到端面进行再次反射后，同时到达传感器激励点，导致信号叠加为C，该信号与测试接触位置无关，更易于识别处理，如图2所示，此时信号传播路径为2倍钢筋长度。

具体的，某装配式混凝土剪力墙结构，竖向预制构件为预制剪力墙，上下层预制剪力墙之间采用钢筋套筒灌浆连接，剪力墙内设置有直径规格20mm(指用于连接20mm直径的钢筋的套筒)的全灌浆套筒3，连接钢筋4的直径为20mm，采用硬直PVC管5连接套筒出浆口与预制构件表面出浆口，形成直线型出浆孔道，预制剪力墙底部接缝6(即预制构件底部接缝)采用连通腔封缝施工，其中封缝层7位于预制剪力墙底部接缝外边缘，形成环形包裹密封结构。在建筑某层的预制剪力墙现场拼接完成后且套筒灌浆施工前，对全灌浆套筒内的下段的连接钢筋采用本发明进行插入长度测量：

首先选择尚未吊装的同类预制剪力墙，通过其顶部的外伸钢筋(预留插筋)进行超声导波的波速标定，以确定参考波速。先用钢尺测量外伸钢筋的长度，测量结果为308mm(该预留长度包含穿过叠合楼板的长度为130mm，穿过预制剪力墙底部接缝的长度为20mm，以及插入套筒内8倍钢筋直径的长度)，实际预留长度比设计预留长度短2mm。

然后避开外伸钢筋的中部区域，参照图3所示，将干耦合超声传感器抵接在外伸钢筋8的下部或上部的侧面，其产生的入射超声波在外伸钢筋的径向自由表面处发生类似光导纤维中的全反射而形成沿轴向传播的超声导波，超声导波在外伸钢筋侧面的抵触点处按照初始传播方向分为上行波及下行波，上行波及下行波在外伸钢筋的末端及外伸钢筋与下部混凝土基体的交接处会因为声阻抗的变化发生多次反射，形成回波信号，上行波与下行波在每经过2倍的外伸钢筋伸出长度后会同时达到抵触点并被超声传感器接收，回波信号叠加导致波幅值增大易于识别，选用2的整数倍外伸钢筋伸出长度对应的多次回波峰值的时间间隔，计算出超声导波在单倍的外伸钢筋伸出长度中传播所需的时间，在根据外伸钢筋的实测长度计算得到超声导波的波速。

回波信号通过波形显示屏进行显示，回波峰值的时间间隔通过波形显示屏的声时坐标轴进行计算。如图4所示为超声导波在外伸钢筋中的回波信号图，2的整数倍外伸钢筋伸出长度对应的4次回波峰值的时间间隔分别为210.4μs、210.8μs、210.8μs，取平均值后计算出超声导波在单倍的外伸钢筋伸出长度中传播所需的时间为105.3μs，根据实测长度308mm，计算得到参考波速为2925m/s。

为了方便检验本发明的测量精度，在待检楼层的预制剪力墙吊装之前，已采用钢尺对待测点a及待测点b处的连接钢筋伸出下部基体9(混凝土楼面)的长度进行了测量，分别为179mm、154mm。上述伸出的长度包含穿过预制剪力墙底部接缝20mm，以及插入套筒内的长度。

待预制剪力墙10现场拼接完成后且套筒灌浆施工前，将干耦合超声传感器从灌浆孔道伸入，抵接在插入全灌浆套筒内处于套筒出浆口高度的连接钢筋的侧面，激发并接收超声导波，参照图5所示；超声导波在连接钢筋侧面的抵触点处按照初始传播方向分为上行波及下行波，上行波及下行波在连接钢筋的末端及连接钢筋与下部基体的交接处发生多次反射，上行波与下行波在每经过2倍的连接钢筋伸出长度后会同时达到抵触点，回波信号叠加导致波幅值增大易于识别，选用2的整数倍连接钢筋伸出长度对应的多次回波峰值的时间间隔，计算出超声导波在单倍的连接钢筋伸出长度中传播所需的时间，再根据超声导波在相同型号的外伸钢筋中传播的参考波速，计算得到所测连接钢筋的伸出长度，上述伸出长度减去下部基体与套筒底部的间隙值即可得到套筒内连接钢筋的插入长度。

测点a处超声导波在连接钢筋中传播的回波信号如图6所示，2的整数倍连接钢筋伸出长度对应的4次回波峰值的时间间隔分别为122.0μs、121.6μs、121.6μs，取平均值后计算出超声导波在单倍的外伸钢筋伸出长度中传播所需的时间为60.9μs，根据参考波速2925m/s，计算得到测点a处连接钢筋的伸出长度为178.1mm，与钢尺测量结果179mm的相对误差为0.5％。本工程采用连通腔封缝施工，连接钢筋的下部基体为混凝土，下部基体与套筒底部的间隙值等于预制剪力墙底部接缝的厚度，参照图7所示，采用钢尺测得预制剪力墙底部接缝厚度为18mm，套筒内连接钢筋的插入长度等于178.1-18＝160.1mm，符合8倍钢筋直径(160mm)的要求。

测点b处超声导波在连接钢筋中传播的回波信号如图8所示，2的整数倍连接钢筋伸出长度对应的4次回波峰值的时间间隔分别为106.4μs、107.6μs、106.4μs，取平均值后计算出超声导波在单倍的外伸钢筋伸出长度中传播所需的时间为53.4μs，根据参考波速2925m/s，计算得到测点b处连接钢筋的伸出长度为156.2mm，与钢尺测量结果154mm的相对误差为1.4％。采用钢尺测得预制剪力墙底部接缝厚度为21mm，套筒内连接钢筋的插入长度等于156.2-21＝135.2mm，不符合8倍钢筋直径(160mm)的要求。

上述的干耦合超声传感器为主频不大于100kHz的宽频带探头，探头直径小于20mm，干耦合超声传感器的尾部连接有刚性导向杆11，刚性导向杆的直径小于20mm，便于操作抵接，刚性导向杆可以为套管结构，干耦合超声传感器的数据线从套管结构中穿出。

另一实施例中，参照图9所示，灌浆孔道为非直线型时，干耦合超声传感器无法从灌浆通道内塞入测量，因此需要先测定套筒位置，对套筒正下方的预制构件底部接缝进行开口剔凿，露出连接钢筋，将干耦合超声传感器从预制构件底部接缝的剔凿口111处伸入，抵接在预制构件底部接缝相对应的连接钢筋的侧表面，而后测量计算的方式参照上述实施例即可。

另一实施例中，参照图10所示，预制剪力墙底部接缝采用坐浆施工，且干耦合超声传感器从灌浆孔道伸入，所述连接钢筋的下部基体为座浆料12与混凝土13的上下组合，超声导波在连接钢筋与座浆料的交接处发生多次反射，下部基体与套筒底部的间隙值为零，计算结果直接为套筒内连接钢筋的插入长度，无需减去底部接缝厚度。

另一实施例中，参照图11所示，上下层预制剪力墙之间采用浆锚搭接连接，剪力墙内设置有浆锚管14，浆锚管通过灌浆孔道和出浆孔道与预制构件表面连通。同样可以通过将干耦合超声传感器从灌浆孔道或预制剪力墙底部接缝的剔凿口处伸入，抵接在伸出下部基体的连接钢筋侧面进行检测，具有良好的通用性。

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)

1.一种基于干耦合超声检测技术的套筒内钢筋插入长度测量方法，其特征在于，在预制构件现场拼接完成后且套筒灌浆施工前，将干耦合超声传感器从灌浆孔道或预制构件底部接缝的剔凿口处伸入，抵接在伸出下部基体的连接钢筋侧面，激发并接收超声导波；

所述超声导波在连接钢筋侧面的抵触点处按照初始传播方向分为上行波及下行波，所述上行波及下行波在连接钢筋的末端及连接钢筋与下部基体的交接处发生多次反射，形成回波信号，上行波与下行波在每经过2倍的连接钢筋伸出长度后会同时达到抵触点，选用2的整数倍连接钢筋伸出长度对应的回波信号的多次回波峰值的时间间隔，计算出超声导波在单倍的连接钢筋伸出长度中传播所需的时间，再根据超声导波在相同型号的外伸钢筋中传播的参考波速，计算得到所测连接钢筋的伸出长度，上述伸出长度减去下部基体与套筒底部的间隙值即可得到套筒内连接钢筋的插入长度。

2.如权利要求1所述的基于干耦合超声检测技术的套筒内钢筋插入长度测量方法，其特征在于，当所述灌浆孔道为直线型时，干耦合超声传感器从灌浆孔道伸入，抵接在插入套筒内处于套筒出浆口高度的连接钢筋的侧面。

3.如权利要求1所述的基于干耦合超声检测技术的套筒内钢筋插入长度测量方法，其特征在于，当所述灌浆孔道为非直线型时，先测定套筒位置，对套筒正下方的预制构件底部接缝进行开口剔凿，得到剔凿口并露出连接钢筋，将干耦合超声传感器从预制构件底部接缝的剔凿口处伸入，抵接在预制构件底部接缝相对应的连接钢筋的侧表面。

4.如权利要求1所述的基于干耦合超声检测技术的套筒内钢筋插入长度测量方法，其特征在于，所述干耦合超声传感器为主频不大于100kHz的宽频带探头，探头直径小于20mm，探头尾部连接有刚性导向杆，刚性导向杆的直径小于20mm。

5.如权利要求1所述的基于干耦合超声检测技术的套筒内钢筋插入长度测量方法，其特征在于，所述回波信号通过波形显示屏进行显示，回波峰值的时间间隔通过波形显示屏的声时坐标轴进行计算。

6.如权利要求1所述的基于干耦合超声检测技术的套筒内钢筋插入长度测量方法，其特征在于，当预制构件底部接缝采用坐浆施工且干耦合超声传感器从灌浆孔道伸入时，所述连接钢筋的下部基体为座浆料与混凝土的上下组合，超声导波在连接钢筋与座浆料的交接处发生多次反射，下部基体与套筒底部的间隙值为零；当预制构件底部接缝采用坐浆施工且干耦合超声传感器从预制构件底部接缝的剔凿口处伸入时，应事先将连接钢筋周围的座浆料清除，使得所述连接钢筋的下部基体为混凝土，超声导波在连接钢筋与混凝土的交接处发生多次反射，下部基体与套筒底部的间隙值等于预制构件底部接缝的厚度。

7.如权利要求1所述的基于干耦合超声检测技术的套筒内钢筋插入长度测量方法，其特征在于，当预制构件底部接缝采用连通腔封缝施工时，所述连接钢筋的下部基体为混凝土，超声导波在连接钢筋与混凝土的交接处发生多次反射，下部基体与套筒底部的间隙值等于预制构件底部接缝的厚度。

8.如权利要求1所述的基于干耦合超声检测技术的套筒内钢筋插入长度测量方法，其特征在于，超声导波在相同型号的外伸钢筋中传播的参考波速，可经波速标定获得；选取与待检套筒内连接钢筋相同型号的外伸钢筋，所述外伸钢筋的一端埋设在混凝土内，先用钢尺测量外露钢筋的长度，然后避开外伸钢筋的中部区域将干耦合超声传感器抵接在外伸钢筋的侧面，激发并接收超声导波，计算出超声导波在单倍长度的外伸钢筋中传播的时间，进而确定超声导波在连接钢筋中的传播速度。

9.如权利要求8所述的基于干耦合超声检测技术的套筒内钢筋插入长度测量方法，其特征在于，所述外伸钢筋可以为尚未吊装的预制构件的顶部预留插筋，也可以为尚未安装上层预制构件的楼面伸出插筋。

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