CN111398429B - 一种钢管混凝土顶部脱空高度、面积计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢管混凝土顶部脱空高度、面积的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：将确定的钢管内半径、管壁厚度以及超声波在钢管和混凝土中的传播速度、超声波在钢管混凝土顶部和底部之间传播的首波声时代入钢管混凝土顶部脱空高度的计算模型，得到钢管混凝土顶部脱空高度；所述脱空高度的计算模型为

将得到的脱空高度代入钢管混凝土顶部脱空面积计算模型中，得到脱空面积，所述脱空面积计算模型为

该计算方法简单快速，相对误差小，准确度高。

Description

一种钢管混凝土顶部脱空高度、面积计算方法

技术领域

本发明涉及工程建筑检测分析领域，具体涉及了一种钢管混凝土顶部脱空高度、面积计算方法。

背景技术

钢管混凝土是钢管和混凝土组合而成的协同工作结构，其特殊的组合方式不仅使得混凝土在内部呈三轴受压状态，同时也弥补空钢管的稳定性，充分利用两者的特性让整个结构具有良好的载荷能力。然而，由于混凝土材料本身的收缩特性以及施工和使用过程中可能出现的浇筑方式、环境温度、材料徐变等因素的影响，钢管混凝土拱桥往往会出现脱空现象，管内混凝土的脱空会直接影响钢管与混凝土之间的协同工作，甚至会影响到结构的承载力和耐久性。而应对脱空问题，最重要的就是定量分析脱空的程度。目前测试管内混凝土脱空的方法有较为简单的人工敲击法、直接钻芯取样法等，前者很依赖操作人员的经验，后者直接损害了结构完整性，不宜大量检测。近年来发展起来的无损检测方法有超声波检测法、红外热像法、压电陶瓷法、冲击回波法等。在众多技术中，超声检测技术因其方便操作、成本低、原理简单等优点，已经成为了钢管混凝土的脱空检测的首选方法。然而，超声波检测法应用于钢管混凝土结构时，只能定性确定脱空区域位置和相对脱空程度，无法定量确定脱空高度。

目前公开的采用超声波法分析脱空情况的定量方法有文献1和文献2。两者均提出了定量计算混凝土脱空高度的方法。但是文献1和文献2所采用的超声波传播路径相较于真实路径进行了较大程度的简化，精度较低，因此所提出的定量计算混凝土脱空高度的方法计算的脱空高度相对误差较大，准确度低。此外，两者的模型均为隐式模型，计算时需要不断迭代计算，十分繁琐，而目前还没有相关显式计算模型的研究。因此，提出一种钢管混凝土顶部脱空区域直接定量计算方法对快速定量评价钢管混凝土的灌注密实性非常关键。

现有技术文献

文献1：专利文献CN106959341A

文献2：期刊文献《超声波法测定钢管混凝土脱空量》

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术超声波检测法应用于钢管混凝土结构时，存在的定量脱空区域特征值相对误差大、准确度低、计算繁琐等技术问题，提供了一种钢管混凝土顶部脱空高度、面积的计算方法，该方法可以快速准确的定量出钢管混凝土顶部脱空高度和脱空面积，且相对误差小，准确率高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种钢管混凝土顶部脱空高度的计算方法，包括以下步骤：

步骤1、确定钢管内半径、管壁厚度、超声波在钢管和混凝土中的传播速度、超声波在钢管混凝土顶部和底部之间传播的首波声时；

步骤2、将步骤1确定的钢管内半径、管壁厚度以及超声波在钢管和混凝土中的传播速度、超声波在钢管混凝土顶部和底部之间传播的首波声时，代入钢管混凝土顶部脱空高度的计算模型，得到钢管混凝土顶部脱空高度；所述脱空高度的计算模型为

；

其中，h为钢管混凝土顶部脱空高度，单位为米(m)；t为首波声时，单位为秒(s)；r为钢管内半径，单位为米(m)；d为钢管壁厚，单位为米(m)；v_s和v_c分别为超声波在钢管和混凝土中的传播速度，单位为m/s。

本发明提出了一种钢管混凝土顶部脱空高度的计算方法，该方法通过分析钢管混凝土中超声波的传播过程，揭示了超声波在顶部脱空的钢管混凝土中的传播路径，并简化其传播路径，建立了基于显式表达的钢管混凝土脱空高度简化计算模型，该方法通过显式表达，可在工程现场无损检测的条件下对钢管混凝土顶部脱空程度进行快速计算，相对误差小，准确率高，避免了传统无损检测方法只能定性分析、传统有损检测方法造成结构损伤等问题，实现了钢管混凝土灌注密实度的无损快速准确评估。

进一步的，所述脱空高度计算模型采用弧度制计算。

进一步的，步骤1中超声波在钢管混凝土顶部和底部之间传播的首波声时的测定方法为：在钢管混凝土钢管外壁两对侧，顶部和底部分别安装超声波传感器，采用超声波检测仪测量超声波在钢管混凝土顶部传感器和底部传感器之间传播的最短时间，即首波声时。

进一步的，所述脱空高度计算模型计算脱空范围为2(mm)～0.5r，r为钢管(9)内半径，单位为m。

进一步的，超声波在钢管中的传播速度由以下方法测定的：传感器通过超声波耦合剂与所述钢管良好接触，传感器放置在钢管外壁两对侧，测量n次，取平均值作为超声波在钢管中的传播速度v_s,其中n≥3。

进一步的，所述传感器与所述钢管达到良好接触的方法：首先将测试面(钢管、混凝土表面)干净平整处理；其次采用超声波耦合剂使得传感器探头和测试面完整接触。为了保证传感器探头和测试面完整接触，测试面保证没有泥沙等细小颗粒，若不光滑需要用砂纸适当打磨平整。而且需要采用耦合剂如黄油。防止探头和测试面中间存有空气，影响超声波传播。

本发明还提供了一种钢管混凝土顶部脱空面积的计算方法，包括以下步骤：将上述脱空高度模型计算得到的脱空高度代入钢管混凝土顶部脱空面积计算模型中，得到脱空面积，所述脱空面积计算模型为

其中，S为脱空面积，单位为平方米。

本发明还提出了一种钢管混凝土顶部脱空面积的计算方法，该方法通过分析钢管混凝土中超声波的传播过程，揭示了超声波在顶部脱空的钢管混凝土中的传播路径，并简化其传播路径，建立了基于显式表达的钢管混凝土脱空高度、面积简化计算模型，结合钢管混凝土的测量参数和建立的简化模型，能直接计算确定脱空高度以及脱空面积，从而准确评估管内混凝土的灌注密实度，分析加固措施和注浆体积。该方法通过显式表达，可在工程现场无损检测的条件下对钢管混凝土顶部脱空程度进行快速计算，相对误差小，准确率高。

进一步的，所述脱空面积计算模型采用弧度制计算。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种钢管混凝土顶部脱空高度、面积的计算方法，该方法通过分析钢管混凝土中超声波的传播过程，揭示了超声波在顶部脱空的钢管混凝土中的传播路径，并简化其传播路径，建立了基于显式表达的钢管混凝土脱空高度简化计算模型，结合钢管混凝土的测量参数和建立的简化模型，能直接计算确定脱空高度以及脱空面积，从而准确评估管内混凝土的灌注密实度，分析加固措施和注浆体积。该方法通过显式表达，可在工程现场无损检测的条件下对钢管混凝土顶部脱空程度进行快速计算，相对误差在10％以内，准确率高，避免了传统无损检测方法只能定性分析、传统有损检测方法造成结构损伤等问题，实现了钢管混凝土灌注密实度的无损快速准确评估。

附图说明

图1是测定超声波在钢管中传播速度的测点分布图。

图2是测定超声波在混凝土中传播速度的测点分布图。

图3是超声波精确模型的传播路径及计算模型相关参数示意图。

图4是图3中M方块区域的放大示意图。

图5是超声波简化后模型的传播路径及计算模型相关参数示意图。

图6是计算方程和简化模型计算得到的脱空高度对比图。

附图标记：7-脱空区域；8-混凝土；9-钢管；10-传感器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例为钢管混凝土顶部脱空区域7定量分析方法的具体实例，包括以下步骤：

(1)确定钢管9和混凝土8的基本参数：

通过测量确定钢管9内径r和壁厚d，测量结果为r＝0.069m，d＝0.006m。

分别采用超声波检测仪测定超声波在钢管9中的传播速度v_s和超声波在混凝土8中的传播速度v_c。测量超声波在钢管9中传播速度时，传感器10通过超声波耦合剂与钢管9良好接触，所述传感器10放置在钢管9外壁两对侧，测量4次，取平均值作为所述钢管9超声波传播速度v_s，测点分布①、②、③、④如图1所示。测量超声波在所述混凝土8中传播速度时，所述传感器10通过超声波耦合剂与所测混凝土8试件良好接触，所述混凝土8试件采用150mm×150mm×150mm正方体试件，测试面取五个测点，测量平均值作为所述超声波在混凝土8中的传播速度v_c，测点分布

如图2所示。测量结果为：v_s＝5702m/s；v_c＝3843m/s。

(2)建立钢管混凝土顶部脱空高度的简化计算模型：

根据步骤(1)确定的钢管9内半径、管壁厚度和超声波在钢管9和混凝土8中的传播速度，建立基于钢管混凝土顶部脱空高度的简化计算模型为：

其中h为钢管混凝土顶部脱空高度，单位为米(m)；t为首波声时，单位为秒(s)。

(3)测定超声波在钢管混凝土顶部和底部之间传播的首波声时：

在钢管混凝土的顶部和底部安装超声波传感器10，采用超声波检测仪测量超声波在钢管混凝土顶部传感器10和底部传感器10之间传播的最短时间，即首波声时t，三组试件测量结果分别为：4.27×10^-5s、4.41×10^-5s、4.51×10^-5s；

(4)计算钢管混凝土顶部脱空高度和脱空面积：

根据步骤(2)建立的基于钢管混凝土顶部脱空高度的简化计算模型，利用步骤(3)测定得到的首波声时，直接计算得到钢管混凝土顶部的脱空高度分别为：0.0093m、0.0208m、0.0289m。计算相应的脱空面积，以h＝0.0093m为例：

其中S为脱空面积，单位为平方米(m²)。

将三组计算结果列于表1中，同时，将实验钢管9劈开，测量钢管混凝土截面得到的实测结果也列于表1中。

表1脱空高度、面积计算值与实测值对比

通过对比发现，基于本发明方法分析得到的钢管混凝土的顶部脱空区域7特征值的计算值与实测值的相对误差均在10.0％以内，表明本发明所述简化计算方法不仅能显式计算，计算结果也优于现有模型，验证了本发明的有效性和准确性。

实施例2

本实施例为验证本发明正确性而设计的实测试验，计算包括以下步骤：

(1)确定钢管9和混凝土8的基本参数：

通过测量确定钢管9内径r和壁厚d，测量结果为r＝0.638m，d＝0.022m。

分别采用超声波检测仪测定超声波在钢管9中的传播速度v_s和超声波在混凝土8中的传播速度v_c。测量超声波在钢管9中传播速度时，传感器10通过超声波耦合剂与钢管9良好接触，所述传感器10放置在钢管9外壁两对侧，测量4次，取平均值作为所述钢管9超声波传播速度v_s，测点分布①、②、③、④如图1所示。测量超声波在所述混凝土8中传播速度时，所述传感器10通过超声波耦合剂与所测混凝土8试件良好接触，所述混凝土8试件采用150mm×150mm×150mm正方体试件，测试面取五个测点，测量平均值作为所述超声波在混凝土8中的传播速度v_c，测点分布

如图2所示。测量结果为：v_s＝5735m/s；v_c＝3895m/s。

(2)建立钢管混凝土顶部脱空高度的简化计算模型：

所述钢管混凝土顶部脱空高度的计算模型为：

其中h为钢管混凝土顶部脱空高度，单位为米(m)；t为首波声时，单位为秒(s)。

(3)测定超声波在钢管混凝土顶部和底部之间传播的首波声时：

在钢管混凝土的顶部和底部安装超声波传感器10，采用超声波检测仪测量超声波在钢管混凝土顶部传感器10和底部传感器10之间传播的最短时间，即首波声时t，三组构件测量结果分别为：3.608×10^-4s、3.649×10^-4s、3.711×10^-4s；

(4)计算钢管混凝土顶部脱空高度和脱空面积：

根据步骤(2)建立的基于钢管混凝土顶部脱空高度的简化计算模型，利用步骤(3)测定得到的首波声时，直接计算得到三组钢管混凝土顶部的脱空高度分别为：0.0260m、0.0381m、0.0526m。计算相应的脱空面积，以h＝0.0526m为例：

其中S为脱空面积，单位为平方米(m²)。

将三组计算结果列于2中。同时，将实验钢管9钻孔，测量钢管混凝土截面得到的实测结果也列于表2中。

表2脱空高度、面积计算值与实测值对比

通过对比发现，基于本发明方法分析得到的钢管混凝土的顶部脱空区域7特征值的计算值与实测值的相对误差均在10.0％以内，表明本发明所述简化计算方法不仅能显式计算，计算结果也优于现有模型，验证了本发明的有效性和准确性。

实施例3

本实施例将结合附图3、图4、图5，详细介绍简化计算模型的建立过程。

如图3和图4所示，本发明中所述超声波在脱空状态下钢管混凝土中的传播路径为从点D→A→E→F，其中穿过钢管9的路径包括D→A和E→F，穿过混凝土8的路径为A→E。

路径D→A在本发明中视为一段圆弧，记为计算变量x₁，为了求x₁，需要知道此圆弧的半径r’和弦长L_DA，其中：

路径圆弧的半径

弦长

则计算变量

其中r为钢管9内半径，单位为米(m)；d为管壁厚度，单位为米(m)；h为钢管混凝土顶部脱空高度，单位为米(m)；

而路径A→E→F在本发明中视为直线线段，为求A→E和E→F路径的长度，需要过E点作OF的垂线，交于G点，记GH长为计算变量x₂，如图5所示。

求x₂长度需要联立两个方程：

由圆的关系可以得到：L_EG ²+(r-x₂)²＝r²；

由相似三角形的关系可以得到：

联立求解得到：

其中x₃＝-4r³-rh²-rd²+4hr²-4dr²+4drh-dh²。

因此可以得到：AF长度

EF长度

超声波在钢管混凝土中的传播时间应由两个部分组成，分别是在钢管9中的传播时间和在混凝土8中的传播时间，结合所述路径的长度计算模型，可得本发明的基于钢管混凝土顶部脱空高度的首波声时计算模型，即精确模型：

此精确模型为隐函数，要想求解h值，需要一直迭代计算，十分繁琐。因此，为了直接计算h值，需要拟合此精确模型，将其转化为h的显函数。据此，将模型路径简化为如图5所示的D→A→E→F路径，其中穿过钢管9的路径包括D→A和E→F，穿过混凝土8的路径为A→E。路径D→A与精确模型一样，而路径A→E→F则简化为折线段。

易得到：AE长度

EF长度L_EF＝d。

将相关路径长度带入原模型可得计算方程：

用函数模型拟合该计算方程，并提取出参数h，得到本发明的基于钢管混凝土顶部脱空高度的简化计算模型：

为了验证函数拟合模型的准确性，根据实例2中的钢管9和混凝土8的基本参数，拟定不同的首波声时，分别带入计算方程和简化模型中，求解脱空高度h，并且对比求得的h值，分析其相对误差。

图6中深色曲线为带入不同首波声时，采用精确模型迭代得到的脱空高度值；浅色曲线为带入不同首波声时采用简化模型直接计算得到的脱空高度值。

从图6可以看出，拟合得到的简化模型计算结果曲线与精确模型的计算结果曲线十分吻合，说明利用本发明方法拟合得到的简化计算模型是合理的，能够较为准确计算钢管9混凝土8内部脱空高度，验证了本发明方法的有效性。

本申请所引用的各专利、专利申请和出版文的说明全部纳入本申请参考。引用的任何参考文献不应认为是允许这些参考文献可以用来作为本申请的“现有技术”。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种钢管混凝土顶部脱空高度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定钢管(9)内半径、管壁厚度、超声波在钢管(9)和混凝土(8)中的传播速度、超声波在钢管混凝土顶部和底部之间传播的首波声时；

步骤2、将步骤1确定的钢管(9)内半径、管壁厚度以及超声波在钢管(9)和混凝土(8)中的传播速度、超声波在钢管混凝土顶部和底部之间传播的首波声时，代入钢管混凝土顶部脱空高度的计算模型，得到钢管混凝土顶部脱空高度；

所述脱空高度的计算模型为

；

其中，h为钢管混凝土顶部脱空高度，单位为米；t为首波声时，单位为秒；r为钢管(9)内半径，单位为米；d为钢管(9)壁厚，单位为米；v_s和v_c分别为超声波在钢管(9)和混凝土(8)中的传播速度，单位为m/s。

2.根据权利要求1所述的钢管混凝土顶部脱空高度的计算方法，其特征在于，所述脱空高度计算模型采用弧度制计算。

3.根据权利要求1所述的钢管混凝土顶部脱空高度的计算方法，其特征在于，步骤1中超声波在钢管混凝土顶部和底部之间传播的首波声时的测定方法为：在钢管混凝土钢管(9)外壁两对侧，顶部和底部分别安装超声波传感器(10)，采用超声波检测仪测量超声波在钢管混凝土顶部超声波传感器(10)和底部超声波传感器(10)之间传播的最短时间，即首波声时。

4.根据权利要求1所述的钢管混凝土顶部脱空高度的计算方法，其特征在于，所述脱空高度为2mm～0.5r，r为钢管(9)内半径，单位为m。

5.根据权利要求3所述的钢管混凝土顶部脱空高度的计算方法，其特征在于，超声波在钢管(9)中的传播速度由以下方法测定的：超声波传感器(10)通过超声波耦合剂与所述钢管(9)良好接触，超声波传感器(10)放置在钢管(9)外壁两对侧，测量n次，取平均值作为超声波在钢管(9)中的传播速度v_s，其中n≥3。

6.一种钢管混凝土顶部脱空面积的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：将权利要求1-5任意一项所述的钢管混凝土顶部脱空高度的计算方法得到的脱空高度，代入钢管混凝土顶部脱空面积计算模型中，得到脱空面积，所述脱空面积计算模型为

其中，S为脱空面积，单位为平方米，r为钢管(9)内半径，单位为米，h为钢管混凝土顶部脱空高度，单位为米。

7.根据权利要求6所述的钢管混凝土顶部脱空面积的计算方法，其特征在于，所述脱空面积计算模型采用弧度制计算。

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