结构试验6节-无损检测

§6.无损检测技术无损检测技术的研究工作已有了近60多年的历史，随着基础工业、电子技术、固体物理学的发展，无损检测技术已达到较高的水平。无损检测、半破损检测和破损检测方法形成了一个相互补充的检测手段。§6-1.钢结构的无损检测检测内容：钢材的内部缺陷，焊缝的质量等检测方法：超声波探伤、射线探伤、磁粉探伤一、超声波探伤超声波探伤通常采用频率0.5～75MHz的声波。★基本原理：当高频超声波在金属中传播时，遇到不同介质（如缺陷），会在介面上产生部分反射，探头接收后经放大处理，可在示波屛上显示出各介面的反射波及其相对位置。1、纵波探伤——内部缺陷M’S’D’接收放大器脉冲发射器MSD试件探头脉冲发射器产生高压脉冲，激励探头的压电晶片振动，使之产生超声波。超声波通过试件表面M、缺陷S和底面D处时，即有部分超声波反射回来。探头接收反射波后又重新将其转换成电脉冲，经接收放大后在显示屏上显示。其对应的各点波形分别为始脉冲M’、伤脉冲S’和底脉冲D’。缺陷的位置可由波形之间的间距之比等于所对应的试件中的高度之比计算。缺陷2、横波探伤M’S’D’MSh横波探伤一般采用斜探头，当发现缺陷时，将探头在结构上的位置和示波屛上的伤波位置记下来；然后将探头移至有一角度与探头折射角相同的直角三角形标准试块斜边上，并作相对移动，当发现底波与结构的伤波重合时，量取长度L，即可按下式求得缺陷位置：；αlLhDα2sinLlcossinLhα网架焊接球节点网架球节点焊缝探伤—08奥运老山自行车馆★超声波探伤用在钢结构中可探测深度1.5m以内的各种缺陷，设备简单，便于现场使用，并可实现扫描和自动化检测。二、磁粉探伤★基本原理：铁磁材料置于磁场中即被磁化，如材料内部均匀一致且截面不变，则磁力线方向也是一致的；但当材料内部出现缺陷（如裂纹、气孔和夹渣等），则由于这些部位的导磁率很低，磁力线将产生畸变，其形状用撒磁粉得到显示。★适用于探测结构表面的缺陷，深度小于5mm的较大缺陷也可显示。★方法比较简单，结果直观，操作技术要求不高。磁粉探伤——钢材表面缺陷钢材表面裂纹三、射线探伤包括x射线和γ射线探伤。x射线和γ射线是波长很短的电磁波，具有很强的穿透非透明物质的能力，并被吸收。而物体吸收射线的程度与材料的密实度有关，材料愈密实，吸收能力愈强，射线衰减越多。当材料内部有缺陷时，则射线通过这些部位的衰减程度减小，因而透过试件的射线较强。根据透过试件射线的强弱，即可判断材料内部的缺陷。§6-2.混凝土结构的无损检测用试件实验测得的混凝土性能指标，往往是与结构物中的混凝土的性能有一定差别。因此，直接在结构物上检测混凝土质量的现场检测技术，已成为混凝土质量管理的重要手段。所谓混凝土“无损检测”技术，就是在尽可能不破坏结构构件的情况下，利用测试仪器获取有关混凝土质量等受力功能的物理量，而该物理量与混凝土质量之间有较好的相关关系，因此可通过获取的物理量去推定混凝土的质量(强度、混凝土缺陷等)。在建工程——质量事故，65％功能改变——改造，20%受损结构——火灾、地震等，10％工程验收——重要工程等，5％★检测项目序号测试方法误差范围(%)检测标准备注1回弹法14～18回弹法检测混凝土抗压强度技术规程（JGJ/T23-2011）非破损2后锚固法10～15后锚固法检测砼抗压强度技术规程（JGJ/T208-2010）半破损3拔出法9～12拔出法检测混凝土强度技术规程（CECS69:2011）半破损4钻芯法7～9钻芯法检测混凝土强度技术规程（CECS03:2007）半破损5综合法10～15超声回弹综合法检测砼强度技术规程（CECS02:2005）非破损6超声法18～22非破损7贯入法10～13微破损一、混凝土强度检测目前采用的几种测强方法，测试误差及检测标准见下表。1、回弹法——表面硬度法（1）工作原理一个标准质量的重锤，在标准弹簧力带动下，冲击一个与混凝土表面接触的弹击杆，由于回弹力的作用重锤又回跳一定距离，并带动滑动指针在刻度上显示出回弹值N（N=L’/L×100%)。混凝土的强度越高，表面硬度越大，回弹值也越大。通过事先建立的混凝土强度与回弹值关系曲线（测强曲线）fcu～N，即可求得fcu。弹击杆重锤（2）适用条件自然养护或蒸气养护出池后经自然养护7d以上，龄期为14～1000d，抗压强度为10～60Ma；而且需具备测强曲线。（3）测试要求★每个构件的测区数不应少于10个，其间距≤2m，测区的面积不宜大于0.04m2。★测区应选在使回弹仪处于水平方向检测混凝土的浇注侧面；当条件限制而采用非侧面和非水平方向测试时，结果均应加以修正。★为减小不均匀性影响，每个测区内应有16个测点，去掉最大和最小值各3个，取10个的平均值作为试验结果。★混凝土碳化形成的碳酸钙使表面硬度增大，当碳化深度0.4mm时，对测试结果有明显影响，应进行碳化深度修正。2、超声波法（1）基本原理混凝土强度与其弹性模量、密实度等密切相关，而超声波在其中传播速度与这些参数有如下关系：Ed—介质的动弹性模量；ρ—介质的密度；μ—介质的泊松比。因此，混凝土的强度fcu与超声波在其中的传播速度V具有一定的相关性。★由于影响因素的复杂性和随机性，采用超声波法检测混凝土强度时，也必须有事先建立的相关曲线。（2）测试方法采用收、发双探头对测法（透射法）。)21)((1)1(dEVVf~ccu★应在混凝土浇注方向的两侧布置测点，每对测点的收、发探头应在同一轴线上进行对测；也可采用两探头不在同一轴线的斜测法。但当收、发探头分别布置在混凝土浇注顶面和底面时，与两侧面对测的结果会有差异，应予修正。从仪表上读出超声波透过试件（S）所需的时间t，则：V=S/t3、超声—回弹综合法单一方法测强有一定的局限性，其影响因素也不完全相同。比如：声速主要反映的是材料的弹性性能，而回弹法则主要反映的是材料的表面强度。因此，采用两种或两种以上的方法，具有优缺互补，正负误差抵消，可提高测试的精度和可靠性。超声回弹综合法是20世纪60年代发展起来的一种非破损检测方法，由于精度较高，已在我国混凝土工程中广泛使用。S接收发射4、钻芯法钻芯法是在混凝土结构有代表性部位钻取芯样，经加工后进行物理、力学性能的试验测定和分析。该法被认为是一种直接而又可靠，能较好反映材料实际情况的微破损鉴定方法。我国规程规定：芯样的直径易大于或等于混凝土骨料最大粒径的3倍，特殊情况也不应小于2倍；高度为直径的0.95～2.05倍，以直径和高度均为100mm作为标准试件。芯样混凝土强度换算值，按下式计算：式中，F—芯样抗压试验测得的最大压力（N）；d—芯样试件的平均直径（mm）；—不同高径比混凝土强度换算系数。)MPa(4/2ccudFfccuf5、拔出法拔出法是用一根螺栓或类似的装置，部分埋入混凝土中，然后拔出，通过测定其拔出力的大小来评定混凝土的强度。（1）先装法将锚头预埋在混凝土内，到达龄期后做拔出试验。该法仅适用于工程施工及验收需要。（2）钻孔后装法在硬化的混凝土表面钻孔，然后装上拔出装置，进行拔出试验。该法灵活性较大，较适用于服役结构的检测。★两种方法的基本概念都是建立在拔出力与混凝土抗压强度的相关关系上。其优点是能比较直接地反映混凝土的强度，虽只测表面某一深度，但比回弹法深度大，比超声波法影响因素少，比取芯方便，费用低，损伤范围小。二、混凝土裂缝的检测——超声法服役结构在使用过程中，可能产生各种裂缝和损伤，为了评估其安全性和耐久性，常需要了解裂缝的深度、形状和走向。非金属超声波监测仪是一种方便、快捷的检测手段。★检测原理：超声波在传播过程中遇到裂缝时，不同介质产生反射、折射、绕射、衰减以及介质应力与声速所具有的相关性。1、垂直裂缝收、发探头放置在对称于裂缝的混凝土表面上，彼此相距为d，测得裂缝尖端的声时t1；然后以相同的距离d将探头置于附近无裂缝处的混凝土表面，测得沿表层传播的声时t2，则：hdABOBOAOtVdtV12;1)/(2221ttdh当条件允许时，也可采用对测法。对测探头从裂缝顶部开始逐渐向下移动，当测得声速为混凝土声速时，即为裂缝的终止。2、斜裂缝（走向和深度）走向：将一探头置于A点，另一探头置于裂缝的另一端靠近裂缝的B1点，测得声时t1后再稍许外移，声时若减小，则裂缝走向右边；反之则走向左边。裂缝末端：在B探头由B1到B2的移动过程中，记下声时最小的测点B3，从B3引测试面的垂线，该直线必与裂缝的末端O相交。aAObB1B3B2ttt1t1从直角三角形AOB3和B1OB3可得：B1O2－b2＝AO2－a2AO＋B1O＝V·t1其中V为混凝土无裂缝的声速。解得AO或B1O，即可确定O点的位置。三、混凝土内部缺陷的检测——超声法★检测原理：超声波在混凝土中传播遇到缺陷时，其正常传播的某些声学参数便发生变化，根据这些改变，可判断缺陷的存在和大致尺寸。检测标准：《超声法检测混凝土缺损技术规程》CECS21:2000主要方法有：声时法、波形法、振幅法和频率法。aAObB1B3B2t11、声时法——利用超声波遇到孔洞等缺陷，产生绕射或直接穿过缺陷中低速介质时，从声时的变化而进行量测。2、波形法——利用超声波遇到缺陷时，连续性被破坏，传播路线受干扰，使接收波波形发生畸变和首波到达接受探头时间的滞后，来判断缺陷。3、振幅法——利用缺陷对声波的衰减比无缺陷处大，接收波振幅将减小的特点，根据首波振幅的异常变化确定缺陷。4、频率法——利用混凝土中质量的不同，对超声脉冲波中的高频分量吸收、衰减也不同，致使接收波的频谱发生变化。有缺陷处，接收波的高频分量相对减少，低频分量则相对增大。因此从通过接收的频率值检测出缺陷。四、混凝土中钢筋位置的测定——电磁法★原理：利用电磁感应原理，检测铁磁性材料的不可见位置、大小等。钢筋位置测定仪主要由探头和接收指示两部分组成。在主线圈上加一交流电压（50V），副线圈上即有感应电流产生，感应电流的大小随探头与钢筋的距离（或钢筋的直径）而变化，探头接近钢筋时，感应电流增加，反之则减小。通过标定，从电流表指示的感应电流大小，便可确定钢筋的位置与直径。主线圈副线圈