国际机场航站楼项目钢管混凝土柱模型检测试验方案

广州白云国际机场扩建工程二号航站楼钢管混凝土柱现场1：1模型检测试验方案目录一、试验简介试验简介1.1工程介绍广州白云国际机场扩建工程二号航站楼工程支撑钢结构屋面的主体结构柱为钢管混凝土柱，共60根（一标45根，二标15根），最高高度为47.3m。钢管混凝土柱设计图编号为GGZ，共有三种形式：T-GGZ-1400、T-GGZ-1800、T-GGZ-1400～1800。其中，T-GGZ-1400～1800为锥形柱。钢管柱壁厚30㎜，部分肋板采用40㎜厚钢板，材质均为Q345B，管内混凝土强度等级为C50。总用钢量约4000吨。1.2试验目的及内容1.2.1试验目的（1）验证超声波径向对测法检测钢管混凝土质量的可靠性，为现场实际检测提供依据；（2）验证超声波冲击振动仪法消除焊接残余应力的可靠性，为现场实际焊接残余应力的削减提供依据。1.2.2试验内容为实现上述试验目的，现场1:1模型检测试验主要进行以下两方面的工作内容：（1）钢管混凝土浇筑质量检测；（2）焊接残余应力的消减检测。1.3试验依据1.3.1文件依据设计院提供的模型试验方案及有关会议纪要《广州白云国际机场扩建工程二号航站楼钢管混凝土柱工程招标文件》（粤机指招标[2014]15号）1.3.2标准规范（1）《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28:90）；（2）《建筑结构检测技术标准》（GB/T50344-2004）；（3）《超声法监测混凝土缺陷技术规程》（CECS21:2000）；（4）《焊接构件振动时效振动工艺参数选择及技术条件》（JB/T10375-2002）；（5）《钢管混凝土工程施工质量验收规范》（GB50628-2010）；（6）《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB502014-2011）；（7）《振动时效振动效果评定方法》（JB/T5926-2005）；（8）其他相关标准、规范、规程。二、现场1:1模型制作及安装质量要求2.1制作原则（1）经济适用原则该模型的制作首先要综合各方面的因素，本着节约成本、易于操作的原则。经济适用原则也是钢管混凝土柱现场1:1模型制作的基本前提。（2）合理科学原则在考虑经济适用原则的基础上，明确钢管混凝土柱现场1:1模型试验的目的，该现场1:1模型的制作必须满足试验目的的要求。这就要求在该模型的制作中考虑合理科学原则，该原则也是钢管混凝土柱现场1:1模型制作的必要基础。2.2模型确定综合以上原则，并参照招标文件及设计要求，选择T-GGZ-1400类钢管混凝土柱1根作为该试验1:1模型。该钢管混凝土柱高6.26米，直径为1400㎜，壁厚30㎜。具体示意见图2.1～2.3所示。（a）混凝土浇筑前11:1模型（b）混凝土浇筑后11:1模型图2.1钢管混凝土土柱现场1::1试验模型型示意图图2.2圆管柱拼接接节点详图图2.3节点内加劲劲肋详图2.3模型制作、安装质量标准2.3.1钢结构制作、安装质量要求本试验所采用的钢管柱出厂前对需钢管焊缝进行100%的超声波探伤自检，质量等级要求达到Ⅰ级。钢管壁表面不得要划痕、麻点等缺陷。钢管柱制作允许偏差满足下表要求：钢管制作允许偏差偏差名称示意图允许值钢管外径纵向弯曲椭圆度管端不平度本试验的钢管柱安装在独立承台基础上，通过预埋锚栓连接，并由柱底板下螺母进行调平，底板与承台面的间隙采用无收缩专用早、高强灌浆料填灌密实。安装精度需重点控制其垂直度，垂直度允许偏差为H/1000，且最大不大于15mm。因本试验钢管柱由两段组成，在现场接长，接长拼焊处在施焊前宜均匀加热焊缝附近部位，并采用对称施焊，焊缝质量等级要求达到Ⅰ级。2.3.2C50混凝土浇筑工艺该试验混凝土标号为C50，其性能参数见表2-1。表2-1C50混凝土性能参数表水胶比配合比（水泥：砂：石：：水：外加剂剂：混合材）砂率（%）坍落度（mm）表观密度（kg//m3）0.311:1.69:22.88:00.36:00.03:00.1837.01552360材料用量（kg//m3）抗压强度（MPaa）水泥砂石水混合材外加剂7d28d快速法38465011071406810.6259.9现场拟采用高空抛落法浇筑施工工艺。自由倾落高度不大于2m，当大于2m时，采用溜槽、串筒等器具辅送，内部振捣器振实。一次抛落的混凝土量宜在0.7㎡，用料斗装填，料斗的下口尺寸应比钢管内环板的内圆径小100～200㎜，以便混凝土下落时管内空气排出。三、钢管混凝土浇筑质量检测采用超声波检测是钢管混凝土密实度和均匀性无损检测的首选方案，目前该技术已经在钢管混凝土结构中得到了较为广泛的应用。该试验拟采用径向对测剖面法检验混凝土质量。3.1检测前准备工作（1）人员准备：检测人员须穿戴安全设备，且身体精神状态良好；（2）仪器设备准备：检查仪器设备工作状态是否良好，并保证所用仪器设备在标定期内；（3）资料准备：提前准备好检测用资料，并编制检测用表格等。3.2仪器设备北京智博联科技有限公司生产的ZBL-U520非金属超声波探测仪1台，平面和径向声波换能器各1套，数据（声波、波幅）自动采集装置1套和电脑1台等。3.3检测原理利用超声脉冲法检测混凝土质量缺陷依据以下原理：（1）超声脉冲波在混凝土中遇到缺陷时产生绕射，可根据声时和声程的变化，判别和计算缺陷的大小；（2）超声脉冲波在缺陷界面产生散射和反射，到达接受换能器的声波能量（波幅）显著减小，可根据波幅变化的程度判断缺陷的性质和大小；（3）超声脉冲波通过缺陷时，部分声波会产生路径和相位的变化，不同路径或不用相位的声波叠加后，造成接收信号波形畸变，可参考畸变波形分析判断缺陷；（4）超声脉冲波中各频率成分在缺陷界面衰减程度不同，接收信号的频率明显降低，可根据接收信号主频或频率谱的变化分析判别缺陷情况。当混凝土的组成材料、工艺条件、内部质量及测试距离一定时，各个测点超声传播速度、首波幅度和接收信号主频率等声学参数一般无明显差异。如果某部分混凝土存在空洞、不密实或裂缝等缺陷，破坏了混凝土的整体性，通过该处的超声波与无缺陷混凝土相比较，声时明显偏长，波幅和频率明显降低。超声法检测混凝土缺陷，正是根据这一基本原理，对同条件下的混凝土进行声速、波幅和主频测量值的相对比较，从而判断混凝土的缺陷情况。3.4检测方法超声波检测混凝土质量缺陷系统示意见图3.1所示。对于钢管混凝土柱检测应采用径向对测的方法，布置测点时，可先测量钢管实际周长，再将圆周等分，在钢管测试部位画出若干根母线和等间距的环向线，线间距宜为150～300㎜。钢管混凝土检测示意见图3.2所示。图3.1超声波检测系统方块图（a）平面图（b）立面图图3.2钢管混凝土检测示意图检测时可先作径向对测，在钢管混凝土每一环线上保持T、R换能器连线通过圆心，沿环向测试，逐点读取声时、波幅和主频。3.4.1节点区域和非节点区域检测钢管柱现场1:1模型检测分节点区域检测和非节点区域检测。其中，节点区域为节点附近300㎜内，非节点区域为节点附近300㎜外。对于两种混凝土施工工艺各选至少4个截面进行超声波径向对测法检测混凝土混凝土浇筑质量，且每种混凝土施工工艺下节点区域和非节点区域各至少2个截面。节点区域测试面每周布置4个测点，非节点测试面每周布置6个测点，具体示意分别见图3.2、3.3所示。图3.2节点区域测点点布置示意图图3.3非节点区区域测点布置置示意超声波检测过程中，及时记录波速、波幅、频率特征及波形特征，对可疑部位加密抽取检测点。检测注意事项：检测时使用同一台仪器，使用同一对收发换能器，发射电压不能改变，选择测试参数相同，换能器耦合要一致。同时记录声时、幅值和频率等参数。3.4.2空洞及不密实区域检测为确保能够检测出钢管混凝土现场浇筑中出现的空洞及不密实区域，并为空洞及不密实区域的处理提供依据。在该1:1模型试验中采取人为设置缺陷的方法来检测，检测方法均采用超声波径向对测剖面法，检测测点布置形式采用图3.3所示形式。空洞设置两个，其直径分别约为10～30mm、50~60mm。不密实区域用袋子包裹粗骨料模拟，直径约了25～30mm，具体位置示意见图2.1（b）所示。所有位置缺陷位置确定后，应固定牢固，防止在混凝土振捣的过程中发生偏移。3.4.3混凝土和钢管壁脱空检测钢管壁和混凝土之间的结合情况对于钢管混凝土浇筑质量很重要，故该试验进行了混凝土和钢管壁脱空模拟试验。模拟形式采用紧贴管壁的环形空隙，环形空隙长度为1/4周长，轴向长度为0.5～1.0m。设置在钢管混凝土柱顶端位置。（a）平面图（b）立面图图3.4钢管壁与混凝土脱开模拟示意图采用下图检测方案进行对比对脱空和非脱空区域进行试验比较。图3.5脱空模拟检测对比示意3.5数据处理与判断（1）同一测距的声时、波幅和频率的统计计算及异常值判别应按《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS21：2000）第6.3.1和6.3.2条规定执行；（2）当同一测位的测试数据离散性较大或数据较少时，可将怀疑部位的声速、波幅、主频与相同直径钢管混凝土的质量正常部位的声学参数相比较，综合分析判断所测部位的内部质量。3.6质量评估1、敲击法：敲击声音沉闷表示浇筑质量较好，敲击声音清脆或带有明显的回音表示内部有空洞，浇筑质量存在缺陷。2、超声波法（1）确定钢管混凝土的平均波速和波速异常判断值对检测得出的波速、波幅、频率进行数理统计（统计方法详见钢管混凝土1:1模拟实验），得到波速平均值（mx）,标准差（sx），再计算异常判断值XO（2）根据声时、幅值、频率来确定异常点位a、声时短（波速正常），幅值大，频率高表明混凝土密实均匀，没有缺陷；b、声时长（波速不正常），幅值小，频率低表明混凝土中存在缺陷，其缺陷应在收发换能器的连线上，缺陷类型有：离析、蜂窝、裂缝、脱空等；c、声时短(波速正常)，幅值小，频率低，引起这类异常较多：缺陷位置不在收发换能器的连线上、缺陷位置虽在收发换能器的连线上但缺陷轻微、换能器耦合不好人为造成等，出现这类异常应分析原因，必要时加密测点。四、钢管混凝土柱（对接焊缝）残余应力消减检测4.1检测前准备工作（1）人员准备：检测人员须穿戴安全设备，且身体精神状态良好；（2）仪器设备准备：检查仪器设备工作状态是否良好，并保证所用仪器设备在标定期内；（3）资料准备：提前准备好检测用资料，并编制检测用表格等。4.2仪器设备4.2.1残余应力削减设备钢管柱对接焊缝残余应力消除采用山东华云机电科技有限公司生产的豪克能Hy2050焊接应力消除设备。该仪器设备具有以下性能：（1）是目前最彻底消除焊接残余应力并产生出理想压应力的时效方法（各种时效方法消除残余应力的情况如下：振动时效30～55％、热时效40～80%、豪克能时效80～100％）。（2）可使焊接接头疲劳强度提高50%～120%，疲劳寿命延长5～100倍。金属在腐蚀环境下的抗腐蚀能力提高约400%。（3）用于消除焊接应力可完全替代热处理、振动时效等时效方法，且处理工艺简单，效果稳定可靠。（4）不受工件材质、形状、结构、钢板厚度、重量、场地之限制，特别是在施工现场、焊接过程和焊接修复时用于消除焊接应力更显灵活方便。（5）可直接将焊趾处的焊接余高、凹坑、咬边处理成圆滑的几何过渡，从而大大降低应力集中系数。（6）可去除焊趾处的微观裂纹、熔渣缺陷，抑制裂纹的提前萌生。（7）因为豪克能消除应力处理能同时改善影响焊缝疲劳性能的几个方面的因素,如：残余应力、微观裂纹和缺陷、焊趾几何形状、表面强化等，所以是目前提高焊缝疲劳性能最有效的方法，且有事半功倍之效果。（8）更适用于大型结构件的工地焊缝、超高超低处焊缝、焊接修复焊缝的消除应力处理。（9）环保、节能、安全、无污染，施工现场使用更显灵活方便。4.2.2残余应力削减效果检测设备残余应力削减效果检测设备采用山东华云机电科技有限公司生产的HK21A盲孔法应力检测仪、RSD1型钻孔装置、静态电阻应变仪、万用表、测残余应力的BE350-3CD-K应变花及其他贴片工具等。

HK21A盲孔法应力检测仪是主要用盲孔法进行各种材料和结构的残余应力检测分析和研究，还能在静力强度研究中测量结构及材料任意点变形的应力分析的仪器。如果配用相应的传感器，也可以测量力、压力、扭矩、位移和温度等物理量。此系列配有笔记本及上位机软件，可进行应力参数及曲线分析，导出保存测量数据等等。4.3检测原理在有残余应力的焊接钢板上钻一小孔，因小孔附近的残余应力被释放，孔区附近的残余应力场发生变化。只要测出该局部区域的应变变化量，即可计算出板上钻孔处释放前的残余应力值、：（1）（2）式中：、、分别为该处在0°、45°、90°方向上的释放应变；、分别为最大、最小主应力；为最大主应力与电阻片参考轴的夹角；E为被测钢板的弹性模量；A、B为应变花的释放系数，BE350-3CD-K应变花在普通钢材上的释放系数，为：需要说明的是，释释放系数A、B与应变花的的几何尺寸、孔孔径、孔深及及材料的弹性性模型E及泊松比有关关，应用时必必须对每种被被测材料进行行标定，A、B系数不能通通用。4.4检测方法4.4.1测试状状态为了验证豪克能HHy20500焊接应力消消除设备对焊焊接残余应力力的削减效果果，设置以下下两个状态并并用盲孔法进进行测试。（1）对接焊缝施焊448小时后，焊焊接残余应力力削减前；（2）焊接应力削减后后。对比以上两种状态态下焊接残余余应力的大小小，从而判断断豪克能Hyy2050焊接接应力消除设设备对焊接残残余应力的削削减效果。4.4.2盲孔法法测试步骤盲孔法测残余应力力的步骤如下下：（1）将BE350-3CCD-K应变变花按应变计计粘贴通用方方法准确粘贴贴在试样测量量点上，并焊焊好测量导线线。粘贴前试试样表面应打打磨，但在打打磨时不能破破坏原有残余余应力场。变测作将所桥调零零。

（3）安装钻具。将带观观察镜的钻具具放在试样表表面上，必要要时开启照明明灯，在观察察镜里观察，初初步对准应变变花中心位置置。然后在钻钻具支腿与试试样接触处滴滴少许5022胶水，胶水水固化后拧紧紧钻具支腿上上的锁帽，将将钻具固定于于试样表面。再再松压X--Y方向的四四个调节螺钉钉松使的十十在镜终中合盖阻应应变仪重新调调零。

镜端钻滴需油用插套手划部位位的应变花基基底后，取出出钻杆。此时时，每个应变变计的应变读读数应当变化化不大，再次次调整静态电电阻应变仪的的零点。将配配置φ1.00mm钻头的的钻杆擦干净净，滴上润滑滑油插入钻具具套筒内，松松开钻杆上的的定位卡圈，在在钻杆卡圈与与钻具套筒间间塞入厚度为为2.0mmm的钻孔深度度控制垫块，使使钻头与工件件接触后固定定卡圈。除去去2.0mmm的垫块，连连接好手电钻钻，调压器调调至可持力圈筒即即预定孔深（2.0mm），拔出钻杆。再换上配置φ1.5mm麻花钻杆，按以上相同步骤进行钻孔调压器电压应保持持在60～70V，进刀刀量尽量小。至至预定孔深后后，拔出钻杆杆过3～5分钟，当静静态电阻应变变仪指示稳定定时，测出应应变示值、、，再减去附附加应变即可可得到钻孔加加工所产生的的应变输出。BE350-3CD-K应变花在常用软钢、中碳钢、低合金钢上引起的附加应变为-39.4，当使用其他应变花或特殊材料时需要事先进行标定。4.4.3测点布布置该试验拟在焊接残残余应力削减减前后，分别别在焊缝附近近布置测点22个，并分别别测试焊接残残余应力削减减前后的应力力状态。4.5消除残余应应力效果评定定（1）用盲孔法残余应力力检测仪对应应用豪克能焊焊接应力消除除设备处理的的构件进行残残余应力检测测，处理前后后的焊接残余余拉应力消除除率在90%%以上为合格格。（2）根据设计要求，经经豪克能焊接接应力消除设设备处理后，采采用盲孔法残残余应力检测测仪检测，焊焊接残余应力力在设计要求求的允许应力力以下为合格格。（允许应应力由设计方方提出，一般般为屈