0 引言

　　钢管混凝土结构因具有良好的力学性能、施工性能及经济性得到广泛应用，对于管内混凝土浇筑质量，通常采用敲击钢管法进行初步检查，当存在异常部位时，采用超声波进行检测。对于浇筑不密实的部位，采用钻孔压浆法进行补强，然后将钻孔进行补焊封固^[1]。该方法具有较强的主观性，超声波测试频率一般为40～100kHz，当钢管混凝土柱直径、钢管壁厚增大时，因超声波衰减，无法检测出钢管内部缺陷。

　　上海市某工程塔楼部分采用钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构，地下部分结构标高为-16.200～0.000m，由芯柱及外包柱组成，芯柱为2 800mm钢管混凝土柱，钢管壁厚80mm，外包柱为芯柱外200mm厚钢筋混凝土结构。地上部分结构标高为0.000～29.000m，由芯柱组成。芯柱及外包柱均采用C60自密实混凝土，地下部分结构芯柱和外包柱混凝土同时浇筑。钢管内壁与芯柱混凝土结合质量直接影响结构受力性能及服役寿命，自密实混凝土浇筑质量较关键，技术难度大，且无法使用敲击钢管法进行超声测试。

　　相控阵超声成像技术已应用于装配式建筑混凝土叠合面缺陷检测中^[2]，取得良好效果，但该技术尚未应用于钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构混凝土结合面质量检测中。因此，本研究利用相控阵超声成像技术检测钢管壁与芯柱、外包柱混凝土结合面质量，为类似工程钢管混凝土浇筑质量评价提供依据。

　　1 技术原理

　　相控阵超声成像技术通过控制换能器阵列中各阵元激励(或接收)脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射(或接收)声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，完成超声成像^[3,4]。采用多通道脉冲回波技术^[5,6]，每个通道轮流发送脉冲，当1个通道发送时，其余通道接收回波。1个完整测量包含众多扫描信号，利用合成孔径聚焦超声成像技术实时显示图像信号，工作步骤可分为数据采集、存储和数据处理、图像重建。可应用小孔径换能器和较低工作频率获得高方位分辨率，即可在近场区(菲涅尔区)具有较高的分辨率，在远场区也能保持高方位分辨率。在图像重建过程中，对于不同成像对象，可应用不同图像处理技术，以提高图像清晰度及信噪比，突破经典理论的限制。相比传统超声检测技术，相控阵超声成像技术具有以下特点:(1)可实现单面区域连续扫描;(2)采用非耦合声波接触技术，无须使用任何耦合剂;(3)可在一定程度上克服混凝土结构中钢筋的影响;(4)可较准确地定位缺陷位置和范围。

　　2 检测设备及参数

　　检测设备为Pundit 250 Array型相控阵超声成像仪，包括Pundit Array传感器和Pundit触摸屏显示器。Pundit Array传感器超声发射通道共8排，每排3个，每排间距为30mm。

　　3 超声波声速获取及叠层距离确认

　　超声波声速是检测重要参数，因钢筋网密度不同，且受施工工艺、材料等因素的影响，使超声波在不同混凝土中传播速度存在一定变化，因此，实测超声波声速对于现场实体结构检测十分重要。

　　通过数据线连接传感器与触摸屏显示器，进入测试工作状态;将传感器安装在被测构件表面，进入标定界面开始声速标定;当声速稳定时，按保存键进行声速保存，随机选取具有代表性的部位。沿测线方向重复以上步骤，测定5个声速值，当5个声速值无异常时，保存标定设置，将5个声速值平均值作为构件超声波声速。

　　相控阵超声成像技术以线性扫描的方式获取检测图像，在全景B-Scan模式中，可根据实际需要设置叠层距离，叠层距离取0.03m的倍数。叠层距离越小，传感器单次扫描长度越大;叠层距离越大，传感器扫描精度越高、全景扫描图像完整性越好。

　　4 实际应用

　　4.1 检测方案

　　使用相控阵超声成像仪对地下3层4.2m高钢管混凝土柱进行检测，考虑钢管混凝土柱为中心对称结构，各向应力水平一致，但自密实混凝土可能在高度方向上发生离析，并存在不一致收缩及脱空现象。因此，在钢管混凝土柱外侧沿高度方向均布20条测线，测线间距约47.5cm，地面向上20cm作为测线起点，测线长3.99m，数据采集方式为非连续扫描，单次扫描步距18cm，测线布设如图1所示。定性描述钢管内壁与芯柱混凝土结合面、钢管外壁与外包柱混凝土结合面质量，对可能存在的结合面不紧密、脱空等缺陷给出对应位置。

　　图1 测线布设示意  

　　4.2 数据处理

　　当混凝土内部存在缺陷时，混凝土与空气层界面由于介质密度变化，引起声速反射，同时导致脉冲反向，在图像上的直观反映为该区域存在强烈的反射信号，且回波方向为反向。

　　钢管壁与混凝土结合面缺陷评定分为以下类型:(1)结合面结合不密实扫描超声反射信号强，脉冲反向，获得的图像出现非连续、点状高亮区域，单次扫描获得的缺陷最大投影长度不超过单次扫描长度的1/3;(2)结合面脱空扫描超声反射信号强，脉冲反向，且左右位置超声信号相近，获得的图像出现连续、带状高亮区域，单次扫描获得的缺陷最大投影长度超过单次扫描长度的1/3。

　　以缺陷长度占比表征钢管混凝土柱混凝土结合面质量，通过单次扫描获得的缺陷长度除以单体构件测线总长度得到。当缺陷长度占比<10%，且脱空长度占比<5%时，判定为结合质量良好;当缺陷长度占比为10%～20%，且脱空长度占比为5%～10%时，判定为结合质量较好;当缺陷长度占比>20%时，判定为结合质量较差。

　　4.3 结合面质量检测

　　由超声成像扫描图像可知:(1)本工程相控阵超声成像技术极限探测深度约为1.1m，且在0.20～0.28m深度处芯柱内部不存在任何缺陷，此处为钢板位置，可知相控阵超声扫描可有效穿透80mm厚钢板，但由于钢板对超声波穿透存在一定阻挡作用，使探测深度衰减，无法探测芯柱中心缺陷;(2)在测线扫描距离3m位置处，扫描图像存在明显高亮区域，呈非连续点状，且该区域内波形发生反转，波幅发生突变，由于该位置为钢管壁与芯柱混凝土结合面，可知该处缺陷为芯柱混凝土结合面不密实，如图2所示;(3)在测线扫描距离3m位置处，扫描图像存在明显高亮区域，呈连续带状，且该区域内波形发生反转，波幅发生突变，由于该位置为钢管壁与芯柱混凝土结合面，可知该处缺陷为芯柱混凝土结合面脱空，如图3所示;(4)在测线扫描距离2.8m位置处，扫描图像存在明显高亮区域，呈圆点状，且该区域内波形发生反转，波幅发生突变，由于该位置为钢管壁与外包柱混凝土结合面，可知该处缺陷为外包柱混凝土结合面不密实，如图4所示;(5)在测线扫描距离0.1,1.9,3.4,3.9m位置处，扫描图像存在明显高亮区域，均呈连续带状，且不同区域内波形均发生反转，波幅发生突变，由于该位置为钢管壁与外包柱混凝土结合面，可知不同区域缺陷均为外包柱混凝土结合面脱空，如图5所示;(6)50mm深度处存在一处非连续点状缺陷，可判断该处缺陷为混凝土内部不密实，经现场取芯验证，芯样存在一处由骨料间浆体未完全填充导致的混凝土内部不密实缺陷，如图6所示。

　　图2 芯柱混凝土结合面不密实超声成像扫描   

　　图3 芯柱混凝土结合面脱空超声成像扫描   

　　对2根巨型钢管混凝土柱进行相控阵超声成像检测，结果如1表所示。由表1可知，2根柱芯柱混凝土结合面结合质量良好，2号柱外包柱混凝土结合面结合质量良好，1号柱外包柱混凝土结合面结合质量较好。现场检测发现1,2号柱外包柱混凝土均存在不同程度的漏浆及粘模现象，这是导致外包柱混凝土较芯柱混凝土缺陷多的原因之一。

　　图4 外包柱混凝土结合面不密实超声成像扫描  

　　图5 外包柱混凝土结合面脱空超声成像扫描  

　　图6 混凝土内部不密实超声成像扫描  

　　表1 检测结果 

　　表1 检测结果

　　5 结语

　　1)相控阵超声成像技术可用于钢管混凝土结构无损检测，尤其适用于钢管混凝土结构尺寸增大后传统超声检测技术无法满足检测需求的情况。但该技术单面扫描极限探测深度为1m左右，且随着钢管壁厚的增加而减小。

　　2)相控阵超声成像技术在建筑结构检测领域为较新颖、先进的无损检测技术，工程实践表明，该技术不仅适用于不同混凝土结合面单面检测，且在混凝土与其他介质材料结合面单面检测中取得良好效果，是钢管混凝土结构内部混凝土浇筑质量无损检测的发展方向，为客观评价钢管混凝土结构施工质量提供依据。