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建筑結構現場檢測方法評析與展望 

發布時間:2017/07/07

  摘要:建筑結構的現場檢測,按結構、材料不同可分為混凝土和鋼結構現場檢測。通過對混凝土建筑結構、砌體結構及鋼結構現場檢測方法的總結、分析、評價,結合檢測技術的現場應用,提出對結構現場檢測技術的展望。
  關鍵詞:建筑結構;檢測方法;非破損檢測;強度
  引言
  建筑結構的現場檢測,按不同結構、不同材料可分為:混凝土結構現場檢測和鋼結構的現場檢測,本文試對其現狀和發展趨勢進行分析和展望。
  1、混凝土結構現場檢測方法
  混凝土結構宏觀性能試驗方法是“試件試驗”。這類方法以試件破壞時的實測值,作為判斷混凝土性能的依據較為直觀,稱為破損性實驗,由于試件中的混凝土與結構中的混凝土質量、受力狀況及各種條件不可能完全一致,而且對于建筑結構的現場檢測也不太適用。
  20世紀30年代混凝土非破損檢測方法發展起來了,如回彈法、超聲脈沖法等在不破損混凝土的條件下進行現場檢測。
  1.1回彈法
  回彈法是用回彈儀彈擊混凝土表面,由儀器重錘回彈能量的變化,反映混凝土的彈性和塑性性質,測量混凝土的表面硬度推算抗壓強度,是混凝土結構現場檢測中常用的一種非破損試驗方法,我國已編制了規范。
  回彈法的主要優點是:儀器構造簡單,方法易于掌握,檢測效率高,費用低廉,影響因素較少,但還存在一定不足:回彈值受碳化深度、測試角度的影響,石子種類對其也有影響,要對回彈值進行不同的修正,對存在有質量疑問區域的混凝土,需用其它方法進行進一步檢測。
  1.2超聲脈沖法
  用超聲脈沖法檢測混凝土強度是測試超聲波在混凝土中的傳播參數,找出混凝土抗壓強度與這些參數的關系,確定其抗壓強度。
  混凝土是各向異性的多相復合材料,內部存在廣泛分布的砂漿與骨料的界面和各種缺陷,使超聲波在混凝土中的傳播要比在均勻介質中復雜得多,產生反射、折射和散射現象,并出現較大衰減,因此超聲脈沖法檢測混凝土強度雖然能夠檢測出混凝土內部存在的問題,但是對測試儀器、換能器與混凝土的強度和超聲傳播聲速間的定量關系受到混凝土的原材料性質及配合比的影響;測試試件的溫度和含水率的影響等,只有綜合考慮各種因素和條件,建立高擬合度的專門曲線,使用時才能得到比較滿意的精度。
  1.3超聲回彈綜合法
  超聲回彈綜合法是建立在超聲傳播和回彈值與混凝土抗壓強度之間相互關系上,以聲速和回彈值來綜合反映混凝土抗壓強度的一種非破損檢測方法。
  超聲回彈綜合法在一定程度上克服了以單一指標評定混凝土強度的不足,它把石子和測試面的影響,從檢測結果中加以修正,對于多指標綜合,能較全面地反映與混凝土強度有關的各種要素的作用,提高了測試精度。
  1.4鉆芯法
  鉆芯法與前3種方法不同。它用專用取芯機從被檢測的結構或構件上直接鉆取圓柱型的混凝土芯樣,并根據芯樣的抗壓試驗強度,推定混凝土的抗壓強度,是一種較為直觀可靠的檢測混凝土強度的方法,由于需要從結構上取樣,對原結構有局部損傷,所以是一種現場檢測的半破損試驗方法。
  鉆芯法為許多國家所采用,俄羅斯、美國、英國、日本、法國等都制定了各自的標準,國際標準化組織也提出了相應國際標準草案(ISO/DIS7034)。
  1.5拔出法
  拔出法試驗也是一種半破損檢測方法,它是用一金屬錨固件預埋入未硬化的混凝土澆筑構件內,或在已硬化的混凝土構件上鉆孔埋入一膨脹螺栓,然后測試錨固件或膨脹螺栓被拔出時的拉力,由被拔出時的錐臺型混凝土塊的投影面積確定混凝土的拔出強度,并由此推算出混凝土的抗壓強度。
  拔出法在美國、加拿大、丹麥等國家已廣泛得到應用,國際標準化組織(ISO)曾提出關于測定硬化混凝土拔出強度的國際標準草案(ISO/DIS8046)。
  1.6超聲脈沖法
  超聲脈沖法是檢測混凝土內部缺陷和操作應用最廣泛的方法,當結構混凝土中存在缺陷或損傷時,超聲脈沖通過缺陷時會產生繞射,傳播的聲速要比相同種類材質無缺陷混凝土的傳播聲速要小,聲時偏長;缺陷界面上產生反射,因而能量顯著衰減,波幅和頻率明顯降低,接收信號的波形平緩,甚至發生畸變,因此可判別混凝土的缺陷與損傷,這在工程驗收、事故處理和已建建筑物可靠性鑒定工作中,可為結構補強和維修,提供可靠的判別依據。
  需要特別注意的是,有波形顯示的超聲檢測儀方可用于探傷,而無波形顯示的數字式聲速儀,只能提供聲時和聲速作為唯一的判別依據,容易造成誤判。
  1.7混凝土結構中鋼筋位置和鋼筋銹蝕檢測
  1.7.1鋼筋位置的檢測
  對已建混凝土結構作可靠性診斷和對新建混凝土結構施工質量鑒定時,要求確定鋼筋位置、鋼筋情況,當采用鉆芯法檢測混凝土強度時,為所取部位避開鋼筋,也常作鋼筋位置檢測。常用的電磁感應法檢測,比較適用于配筋稀疏和混凝土保護層不太厚的情況,當鋼筋位置在同一平面或在不同平面內距離較大時,測得的結果比較滿意。
  1.7.2鋼筋銹蝕的檢測
  混凝土若質量差、工作環境惡劣或其它原因使結構產生各種裂縫,就會造成鋼筋的銹蝕。而鋼筋銹蝕則導致混凝土保護層脹裂、剝落,鋼筋有效面積削弱等,直接影響結構的承載能力和使用壽命,而對已建結構進行結構鑒定和可靠度診斷時,必須對鋼筋銹蝕進行檢測。
  用半電池法測量鋼筋表面與探頭之間的電位差,以判斷鋼筋銹蝕的可能性及銹蝕程度。
  2、砌體結構的現場檢測方法
  砌體結構主要指磚砌體,砌體強度是由磚塊和砂漿強度或施工時制做的砌體試塊強度來決定的,傳統的檢測方法是直接從砌體結構上截取試樣,進行抗壓強度試驗而砌體結構的特點導致取樣存在較大難度,取樣時的擾動又會對試樣產生較大損傷,從而影響試驗結果。因此,砌體結構的現場原位非破損或半破損試驗方法理所當然地受到重視,并廣泛開展研究和工程實際應用。
  2.1砌體強度的間接測定法
  砌體強度與砂漿和磚塊強度有直接關系。由砂漿和磚塊強度等級可確定砌體的抗壓強度,間接測定法就是使用專門的儀器和專門的測試方法,測量砂漿和磚塊的某一項強度指標或與材料強度有關的某一項物理參數,并由此間接測定砌體強度。
  (1)沖擊法。依據物體破碎時所消耗的功與破碎過程中新產生表面積成正比的基本原理、由事先建立的單位功表面積增量和抗壓強度之間的經驗公式,求得砂漿或磚塊試樣的強度。
  (2)回彈法。檢測磚塊和砂漿強度的基本原理與混凝土強度檢測的回彈法相同,只是采用專門的砂漿回彈儀,因為磚的表面硬度與強度有良好的相關性,所以,此法精度高,且簡單、適用。
  (3)推出法。推出法又稱頂推法、剪法,具體稱單磚單剪法。即把一單磚的頂面、兩側面砂漿清除,只留底面,用特制的小千斤頂將其“頂出”,在極限狀態時,測得磚與砂漿的粘接抗剪強度,并根據抗剪強度與抗壓強度的關系,推出抗壓強度。
  此外尚有筒壓法、點荷法等通過測定砂漿的強度來測定砌體強度的方法,都已進行了大量的研究,取得了一定成果。
  2.2砌體強度直接測定法
  (1)抽樣檢測法。主要包括切割法與取芯法,切割法切割的試件寵大,搬運過程中擾動大,造成試驗結果的離散性大,耗費大量的人力、財力,只限于龐大砌體工程質量事故處理及對其它方法的校準。取芯法是對芯樣作抗壓和抗剪試驗,對砌體擾動也很大,其試驗結果不太一致。
  (2)原位檢測法。主要包括扁頂法、原位軸壓法和原位剪切法。扁頂法是采用扁式液壓測力器裝入開挖的砌體灰縫中進行砌體強度的原位檢測方法,它較好地克服了取樣法的不足,但設備復雜,允許的極限應變較小,測定砌體的極限強度受到限制。原位軸壓法是對扁頂法的改進,其原理與其一致,測定砌體的極限抗壓強度,推算其標準抗壓強度,缺點是設備較沉重,使用不便,原位剪切法是在墻體上直接測試砌體通縫的抗剪強度,由于對測試部位有限制,使其應用有一定的局限性。
  (3)動測綜合法。動測綜合法是振動反演理論在工程上的應用。在脈動、起振機共振、自由釋放或沖擊等激振方式的作用下,通過測量砌體結構的頻率和振型等參數,根據系統識別理論得到層間剛度,推算出各層砌體軸心抗壓強度,此法從房屋整體出發,不僅能得到砌體的強度,鑒定房屋的質量,便于對房屋進行安全性評定,隨著檢測儀器技術的改進,算法的優選,結果的精度不斷提高,很有發展前途。
  (4)微觀結構法。聲、波、射線等在材料中傳播時,會因材料的微觀結構的判別而不同,由此可推斷出材料的強度。我國在砌體房屋檢測的方法有應力波法和超聲波法。應力波法測低強和高強砂漿砌體時,精度不高,超聲波法由于影響因素較多,測試結果不理想,有待進一步提高。
  3、鋼結構的現場檢測方法
  在我國的建筑結構形式中,鋼結構也是一種重要的結構形式,對已建鋼結構鑒定時,檢查鋼結構材質,了解結構鋼材的力學性能,最理想的方法就是在結構上截取試樣,由拉伸試驗確定其強度,但會損傷結構,影響它的正常工作,因此,常用的方法有表面硬度法、超聲法等。
  3.1表面硬度法
  表面硬度法由布氏硬度儀測定,由硬度計端部的鋼珠受壓時在鋼材表面和硬度標準試樣上的凹痕直徑,測得鋼材的強度,換算得到鋼材的強度、屈服強度。此法在檢測中,由于儀器簡單、使用方便、基本無損害而得到廣泛的應用。
  3.2超聲法檢測鋼材和焊縫缺陷
  超聲法檢測鋼材,多采用脈沖反射法。超聲波脈沖發射進入被測材料傳播,無缺陷時,不出現缺陷反射波,反之產生部分反射,由于鋼材密度比混凝土大得多,為了能檢測到較小的缺陷,要求選用較高的超聲頻率,此法比磁粉探傷、射線探傷更有利于現場檢測。
  4、結構現場檢測技術展望
  結構現場檢測技術對工程質量事故的檢測、處理方面,具有重大的應用價值,從國內外的發展狀況來看,該項技術涉及到多個學科的應用技術,應進一步研究、完善,應從以下幾個方面來努力、創新。
  (1)新參數、新性能指標的測試。隨著材料科學的發展,許多新材料被工程所應用,建筑結構設計的不斷改進,一些新的參數和新的性能指標能夠說明新材料和新結構的可靠性,需要不斷研究這些參數指標的測試方法,為工程實踐服務,是當前測試技術發展的趨勢。
  (2)新思想的引入、對數學模型的創新和改善。在建筑結構檢測方法的研究中,引入新思想,不僅要考慮宏觀力學,還要考慮微觀力學,深入全面地看問題。已有的檢測方法中用到的經驗公式有一定的局限性、在新的數學模型建立時,應更加注意其邊界條件,擴大使用范圍,提高擬合程度。
  (3)測量儀器的改進。隨著計算機的普及與發展,改進測量儀器成為必然,測量儀小型化、智能化,使測試精度不斷提高,以保證現場檢測的需要。
  (4)操作方法的改進。結構檢測儀器的操作方法要日趨簡單化,使其更適合于大面積建筑工程質量的檢測。
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