CN111475944B - 一种钢管混凝土顶部脱空区域的定量分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钢管混凝土顶部脱空区域的定量分析方法，包括以下步骤：将钢管内半径和管壁厚度、超声波在钢管中的传播速度和超声波在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
Figure DDA0002439323020000011
x1和x2均为计算变量，其值为：
Figure DDA0002439323020000012
Figure DDA0002439323020000013
其中x3＝‑4r3‑rh2‑rd2+4hr2‑4dr2+4drh‑dh2。该方法可以定量出钢管混凝土顶部脱空高度，且相对误差小，准确率高。

Description

一种钢管混凝土顶部脱空区域的定量分析方法
技术领域
本发明涉及建筑工程检测分析领域，具体涉及了一种钢管混凝土顶部脱空区域的定量分析方法。
背景技术
由于混凝土灌注的不均匀性和在硬化过程中的体积收缩，钢管混凝土拱桥往往会出现顶部混凝土脱空现象，管内混凝土的顶部脱空会直接影响钢管与混凝土之间的协同工作，严重时甚至会对结构承载力造成影响，如何准确地定量检测管内混凝土顶部脱空情况并采取措施补强成为了应对脱空问题的关键。目前测试管内混凝土脱空的方法分为有损检测法和无损检测法。有损检测法是先用敲击方式确定脱空位置，再在钢管表面打孔或钻芯取样，进而测定脱空情况，但该方法只能针对局部采样，难以反映整根钢管混凝土的密实度，并且会给钢管混凝土结构带来永久的损伤。目前采用的无损检测方法主要有超声波检测法、红外热像法、压电陶瓷法等，在众多无损检测技术中，超声检测技术因其方便操作、成本低、便于现场使用等优点，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、脱空弧长和脱空弦长等脱空区域特征值，因此，提出一种钢管混凝土顶部脱空区域定量分析方法对定量评价钢管混凝土的灌注密实性非常关键。
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。
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、准确度低的技术问题，提供了一种钢管混凝土顶部脱空区域的定量分析方法，该方法可以定量出钢管混凝土顶部脱空高度，脱空弧长和脱空弦长、脱空面积等脱空区域特征值，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区域的定量分析方法，包括以下步骤：
步骤1、确定钢管内半径和管壁厚度；确定超声波在钢管中的传播速度和超声波在混凝土中的传播速度；确定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得到的钢管内半径和管壁厚度、超声波在钢管中的传播速度和超声波在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，计算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
Figure BDA0002439323000000021
其中，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)；h为钢管混凝土顶部脱空高度，单位为米(m)；vs和vc分别为超声波在钢管和混凝土中的传播速度，单位为m/s；x1和x2均为计算变量，其值为：
Figure BDA0002439323000000031
Figure BDA0002439323000000032
其中x3＝-4r3-rh2-rd2+4hr2-4dr2+4drh-dh2。
本发明提出了一种钢管混凝土顶部脱空区域的定量分析方法，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，并依据此传播路径建立了基于钢管混凝土顶部脱空高度计算模型，利用该脱空高度计算模型能够定量脱空高度，从而准确评估管内混凝土的灌注密实度，相对误差小，准确度高。
进一步的，步骤1中分别采用超声波检测仪测定超声波在钢管中的传播速度和超声波在混凝土中的传播速度。
进一步的，测量超声波在钢管中的传播速度时，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vs,其中n≥3。
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，步骤2通过迭代法进行计算。
进一步的，将步骤2得到的钢管混凝土顶部脱空高度代入脱空弧长计算模型，得到脱空弧长，所述脱空弧长计算模型为
Figure BDA0002439323000000041
其中，α为脱空弧长，单位为米(m)；l为脱空弦长，单位为米(m)。
进一步的，将步骤2得到的钢管混凝土顶部脱空高度代入脱空弦长计算模型，得到脱空弦长，所述脱空弦长计算模型为
Figure BDA0002439323000000042
其中，α为脱空弧长，单位为米(m)；l为脱空弦长，单位为米(m)。
进一步的，将步骤2得到的钢管混凝土顶部脱空高度代入脱空面积计算模型，得到脱空面积，所述脱空面积计算模型为
Figure BDA0002439323000000043
其中S为脱空面积，单位为平方米(m2)。
进一步的，所述脱空高度、脱空弧长、脱空弦长、脱空面积计算模型均采用弧度制计算。
进一步的，所述脱空高度计算模型用于计算脱空高度范围2(mm)～0.5r的钢管混凝土脱空构件，其中，r为钢管(9)内半径，单位为m。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明提出了一种钢管混凝土顶部脱空区域的定量分析方法，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，并依据此传播路径建立了基于钢管混凝土顶部脱空高度计算模型，利用该脱空高度计算模型能够定量脱空高度，从而准确评估管内混凝土的灌注密实度，相对误差在5.0％以内，准确度高。
2、本发明还提供了脱空弧长、脱空弦长、脱空面积计算模型，将本发明提供的脱空高度计算模型计算的脱空高度，代入脱空弧长、脱空弦长、脱空面积计算模型，测得的脱空区域特征值与实测值的相对误差小，可达7.0％以下。
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是脱空高度、脱空弧长和脱空弦长相关关系的示意图；
图4是超声波传播路径及计算模型相关参数示意图。
图5是图4中M方块区域的放大图。
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截面基本参数：
通过测量确定钢管9内半径r和管壁厚度d，测量结果为r＝0.069m，d＝0.006m。
(2)测定超声波在钢管9和混凝土8中的传播速度：
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vs和超声波在混凝土8中的传播速度vc。测量超声波在钢管9中的传播速度时，传感器10通过超声波耦合剂与所述钢管9良好接触，传感器10放置在钢管9外壁两对侧，测量4次，取平均值作为超声波在钢管9中的传播速度vs，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中的传播速度时，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，混凝土8试件采用150mm×150mm×150mm正方体试件，测试面取五个测点，测量平均值作为超声波在混凝土8中的传播速度vc，测点分布
Figure BDA0002439323000000061
如图2所示。测量结果为：vs＝5702m/s；vc＝3843m/s。
(3)建立基于钢管混凝土顶部脱空高度的首波声时计算模型：
根据步骤(1)确定的钢管9内半径和管壁厚度、步骤(2)测定得到的超声波在钢管9和混凝土8中的传播速度，建立钢管混凝土首波声时与脱空高度的相关关系模型为：
Figure BDA0002439323000000062
其中t为首波声时，单位为秒(s)；h为钢管混凝土顶部脱空高度，单位为米(m)；x1和x2均为计算变量，其值为：
Figure BDA0002439323000000063
Figure BDA0002439323000000064
其中x3＝-0.001430784-0.075h2+0.0207h
(4)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；
(5)计算钢管混凝土顶部脱空高度
根据步骤(3)建立的基于钢管混凝土顶部脱空高度的首波声时计算模型，利用步骤(4)测定得到的首波声时，通过迭代分析计算得到钢管混凝土顶部脱空高度分别为：0.0104m、0.0191m、0.0311m。
(6)计算钢管混凝土顶部脱空弧长、脱空弦长和脱空面积：
根据步骤(5)计算得到的钢管混凝土顶部脱空高度，以及脱空弧长、脱空弦长和脱空面积的计算模型，计算钢管混凝土顶部脱空弧长、脱空弦长和脱空面积，以h＝0.0104m为例：
Figure BDA0002439323000000071
Figure BDA0002439323000000072
Figure BDA0002439323000000073
其中α为脱空弧长，单位为米(m)；l为脱空弦长，单位为米(m)；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脱空弦长、弧长计算值与实测值对比
Figure BDA0002439323000000074
Figure BDA0002439323000000081
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7.0％以内，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截面基本参数：
通过测量确定钢管9内半径r和管壁厚度d，测量结果为r＝0.638m，d＝0.022m。
(2)测定超声波在钢管9和混凝土8中的传播速度：
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vs和超声波在混凝土8中的传播速度vc。测量超声波在钢管9中的传播速度时，传感器10通过超声波耦合剂与所述钢管9良好接触，传感器10放置在钢管9外壁两对侧，测量4次，取平均值作为超声波在钢管9中的传播速度vs，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中的传播速度时，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，混凝土8试件采用150mm×150mm×150mm正方体试件，测试面取五个测点，测量平均值作为超声波在混凝土8中的传播速度vc，测点分布
Figure BDA0002439323000000091
如图2所示。测量结果为：vs＝5735m/s；vc＝3895m/s。
(3)建立基于钢管混凝土顶部脱空高度的首波声时计算模型：
根据步骤(1)确定的钢管9内半径和管壁厚度、步骤(2)测定得到的超声波在钢管和混凝土中的传播速度，建立钢管混凝土首波声时与脱空高度的相关关系模型为：
Figure BDA0002439323000000092
其中t为首波声时，单位为秒(s)；h为钢管混凝土顶部脱空高度，单位为米(m)；x1和x2均为计算变量，其值为：
Figure BDA0002439323000000093
Figure BDA0002439323000000094
其中x3＝-1.074905-0.66h2+1.68432h
(4)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；
(5)计算钢管混凝土顶部脱空高度
根据步骤(3)建立的基于钢管混凝土顶部脱空高度的首波声时计算模型，利用步骤(4)测定得到的首波声时，通过迭代分析计算得到三组钢管混凝土顶部脱空高度分别为：0.0258m、0.0349m、0.0523m。
(6)计算钢管混凝土顶部脱空弧长和脱空弦长：
根据步骤(5)计算得到的钢管混凝土顶部脱空高度，以及脱空弧长、脱空弦长和脱空面积的计算模型，计算钢管混凝土顶部脱空弧长、脱空弦长和脱空面积，以h＝0.0523m为例：
Figure BDA0002439323000000101
Figure BDA0002439323000000102
Figure BDA0002439323000000103
其中α为脱空弧长，单位为米(m)；l为脱空弦长，单位为米(m)；S为脱空面积，单位为平方米(m2)。
将三组计算结果列于表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脱空弦长、弧长计算值与实测值对比
Figure BDA0002439323000000104
Figure BDA0002439323000000111
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7.0％以内，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4、附图5，详细介绍计算模型的建立过程。
如图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LDA，其中：
路径圆弧的半径
Figure BDA0002439323000000112
弦长
Figure BDA0002439323000000121
/>
则计算变量
Figure BDA0002439323000000122
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：
LEG 2+(r-x2)2＝r2；
由相似三角形的关系可以得到：
Figure BDA0002439323000000123
联立求解得到：
Figure BDA0002439323000000124
其中
x3＝-4r3-rh2-rd2+4hr2-4dr2+4drh-dh2
因此可以得到：
AF长度
Figure BDA0002439323000000125
EF长度
Figure BDA0002439323000000126
超声波在钢管混凝土中的传播时间应由两个部分组成，分别是在钢管中的传播时间和在混凝土中的传播时间，结合相关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：
Figure BDA0002439323000000131
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 (9)

1.一种钢管混凝土顶部脱空区域的定量分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、确定钢管(9)内半径和管壁厚度；确定超声波在钢管(9)中的传播速度和超声波在混凝土(8)中的传播速度；确定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得到的钢管(9)内半径和管壁厚度、超声波在钢管(9)中的传播速度和超声波在混凝土(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，计算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
Figure FDA0002439322990000011
其中，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；h为钢管混凝土顶部脱空高度，单位为米；vs和vc分别为超声波在钢管和混凝土中的传播速度，单位为m/s；x1和x2均为计算变量，其值为：
Figure FDA0002439322990000012
Figure FDA0002439322990000013
其中x3＝-4r3-rh2-rd2+4hr2-4dr2+4drh-dh2。
2.根据权利要求1所述的钢管混凝土顶部脱空区域的定量分析方法，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。
3.根据权利要求1所述的钢管混凝土顶部脱空区域的定量分析方法，其特征在于，将步骤2得到的钢管混凝土顶部脱空高度代入脱空弧长计算模型，得到脱空弧长，
所述脱空弧长计算模型为
Figure FDA0002439322990000021
其中，α为脱空弧长，单位为米；l为脱空弦长，单位为米。
4.根据权利要求1所述的钢管混凝土顶部脱空区域的定量分析方法，其特征在于，将步骤2得到的钢管混凝土顶部脱空高度代入脱空弦长计算模型，得到脱空弦长，
所述脱空弦长计算模型为
Figure FDA0002439322990000022
其中，α为脱空弧长，单位为米；l为脱空弦长，单位为米。
5.根据权利要求1所述的钢管混凝土顶部脱空区域的定量分析方法，其特征在于，将步骤2得到的钢管混凝土顶部脱空高度代入脱空面积计算模型，得到脱空面积，所述脱空面积计算模型为
Figure FDA0002439322990000023
其中S为脱空面积，单位为平方米。
6.根据权利要求1所述的钢管混凝土顶部脱空区域的定量分析方法，其特征在于，步骤2通过迭代法进行计算。
7.根据权利要求1所述的钢管混凝土顶部脱空区域的定量分析方法，其特征在于，超声波在钢管(9)中的传播速度的测量方法，传感器(10)通过超声波耦合剂与所述钢管(9)良好接触，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vs,其中n≥3。
8.根据权利要求1所述的钢管混凝土顶部脱空区域的定量分析方法，其特征在于，所述脱空高度计算模型采用弧度制计算。
9.一种如权利要求1-8任意一项所述的钢管混凝土顶部脱空区域的定量分析方法的应用，其特征在于，用于计算脱空高度范围2mm～0.5r的钢管混凝土脱空构件，其中，r为钢管(9)内半径，单位为m。
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