土木工程实验技术(结构桥梁)chap5.ppt

第5章结构非破损检测与鉴定,结构可靠性鉴定的意义,已建工程结构,新建结构：验证工程质量，处理工程质量事故，评估新结构、新材料和新工艺的应用等；,2.服役结构：结构可靠性鉴定，主要是评估已建结构的安全、可靠性，为结构的维修改造和加固处理提供依据；,较多已建结构的使用寿命逐渐进入老龄期，临近退役；如何评估和处理已有建筑，减少经济上和社会影响上的损失？推动了近十几年来建筑物使用寿命可靠性的评价和剩余寿命的预测技术的发展；已建结构的可靠性鉴定与采用可靠度理论的结构设计不同？已建结构为具体对象；使用年限；检测数据也不完整；,第5章结构非破损检测与鉴定,无损检测技术的定义,在不破坏结构构件的条件下，在结构构件原位对结构材料性能以及结构内部缺陷进行直接定量检测的技术。,无损检测技术的项目,混凝土结构：混凝土强度及内部缺陷；钢筋直径及其锈蚀；混凝土保护层厚度等；,钢结构：焊缝缺陷检测；,砌体结构：砌体和砂浆强度检测；,5.2混凝土结构的非破损检测5.2.1混凝土强度检测,1.回弹法,利用回弹仪检测混凝土结构构件中混凝土抗压强度的方法；是混凝土结构现场检测中常用的一种非破损试验方法；,回弹仪工作原理,用回弹仪弹击混凝土表面时，由仪器重锤回弹能量的变化，反映混凝土的弹性和塑性性质，评定混凝土的抗压强度，是各种表面硬度法较好的一种方法。,回弹值,5.2.1混凝土强度检测回弹法,回弹仪使用注意事项,应同时测量混凝土的碳化深度，并修正混凝土强度推定值；回弹仪与水平的夹角不同，将影响回弹值；混凝土表面硬度不均匀，应多次回弹取其平均值；,注意限制条件：不宜测定龄期超过3年的老龄混凝土，不能测定超过C60的混凝土强度；必须预先知道回弹法测强曲线（回弹值与混凝土强度的关系）。,优点：具有仪器构造简单，使用方便、测试速度快和试验费用低等优点，在一定条件下能满足结构混凝土强度的测试要求，误差在15%以内。在历届国际非破损检测会议上，均得到肯定和推荐。,5.2.1混凝土强度检测回弹法,回弹仪测试步骤,第一步：测回弹值用回弹法测定混凝土强度对于每个试件的测区数目不少于10个，每一测区应为不小于0.04m2的面积，以能容纳16个回弹测点为宜。两个相邻测区的间距不宜大于2m，而测区宜选在混凝土浇筑的侧面。测区内的16个测点宜均匀分布，同一测点只允许弹击一次，测点不应在气孔或外露石子上，相邻两测点的净距一般不小于2cm。测点距离结构或构件边缘或外露钢筋、预埋件的距离一般不小于3cm。,第二步：测碳化深度在回弹的每个测区选择一处用钻孔法洒入浓度为1%酚酞酒精溶液检测，不呈现紫红色反应的厚度即为混凝土的碳化深度dm。,第三步：记录回弹角度和回弹表面状态,5.2.1混凝土强度检测回弹法,回弹仪测试步骤,第四步：数据处理（1）求回弹平均值当回弹仪按水平方向测得试件混凝土浇筑侧面的16个回弹值后，分别剔除3个最大值和3个最小值，按余下的10个回弹值取平均值。（2）回弹角度影响修正将回弹平均值按不同测试角度和不同浇筑面作分别修正。（3）碳化深度修正当dm0.4mm时，按dm=0进行处理。否则，按规定计算。第四步：结果评定由实测的Rm和dm值，按规程测区混凝土强度值的换算表求得混凝土强度值fcu，并由此评定检测结构构件的混凝土强度。,5.2.1混凝土强度检测回弹法,回弹法测强曲线,回弹法检测混凝土抗压强度技术规程（JGJ/T23-2001）6.1.1混凝土强度换算值可采用以下三类测强曲线计算。1、统一的测强曲线由全国有代表性的材料、成型养护工艺配制的混凝土试件，通过试验所建立的曲线。2、地区测强曲线由本地区常用的材料、成型养护工艺配制的混凝土试件，通过试验所建立的曲线。3、专用测强曲线由与结构或构件混凝土相同材料、成型养护工艺配制的混凝土试件，通过试验所建立的曲线。6.1.2对有条件的地区和部门，应制定本地区的测强曲线或专用测强曲线，经上级主管部门组织审定和批准后实施。各检测单位应按专用测强曲线、地区测强曲线、统一的测强曲线的次序选用测强曲线。,5.2.1混凝土强度检测,2.超声脉冲法,结构混凝土的抗压强度与超声波在混凝土中的传播参数（声速、衰减等）之间的相关关系是超声脉冲检测混凝土强度方法的基础。,工作原理,超声波检测主要是测量超声波在混凝土当中的传播速度；超声波在介质中传播时，遇到不同界面，将产生反射、折射、绕射、衰减等现象，从而使传播的声时、波形、频率等发生相应变化，测定这些规律的变化，便可得到材料的某些性质与内部构造情况；在普通混凝土检测中，通常采用20KHz500KHz的超声频率。,声时：超声波在混凝土中传播的时间；声速：发射探头与接受探头的距离除以声时；首波：超声检测仪将从发射探头发射的脉冲信号第一次达到接受探头的信号，超声检测仪主要检测首波达到的声时和首波的波形。,超声检测的信息：声时、距离、声速和波形,5.2.1混凝土强度检测超声脉冲法,利用标准棒（长度固定的金属棒，其声时已在厂家标定）对仪器进行校核；在现场进行结构混凝土强度检测时，应选择试件浇筑混凝土的侧面为测试面，一般以200mm*200mm的面积为一测区。每一试件上相邻测区间距不大于2m。测试面应清洁平整、干燥无缺陷。每个测区内应在相对测试面上对应布置三个测点，相对面上对应的辐射和接受换能器应在同一轴线上。测试时必须保持换能器与被测混凝土表面有良好的耦合（防止空气进入），并利用黄油或凡士林等耦合剂，以减少声能的反射损失。,测试方法,5.2.1混凝土强度检测超声脉冲法,数据处理,（1）测区超声波传播速度v=l/tm其中tm=（t1+t2+t3)/3式中：v为测区声速值，l为超声测距，t为声时值。当在试件混凝土的浇筑顶面或底面测试时，声速值应作修正，即vu=v其中：为超声测试面修正系数。在混凝土浇灌顶面及底面测试时，=1.034。在混凝土侧面测试时，=1.0。（2）由试验量测的声速，按fcuv曲线求得混凝土强度换算值。,利用超声声速对混凝土强度进行大致判断的参考数据,5.2.1混凝土强度检测超声脉冲法,超声检测的特点,检测过程无损于材料和结构构件的性能；直接在结构物上进行检测并推定其实际的强度；重复或复核检测方便，检测方法具有良好的重复性；具有检测混凝土均匀性和内部缺陷的功能，可以将混凝土的强度评定和内部缺陷评定有机的结合；在有些情况下，其他非破损检测方法无法获取混凝土的质量和强度信息，超声法有其特殊性。例如，采用超声法测量基桩混凝土或钢管混凝土。,5.2.1混凝土强度检测,3.超声回弹综合法,超声回弹综合法是建立在超声传播速度和回弹值与混凝土抗压强度之间相互关系的基础上的，以声速和回弹值综合反映混凝土抗压强度的一种非破损检测方法。,超声波在混凝土材料中的传播速度反映了材料的弹性性质，由于声波穿透被检测的材料，因此也反映了混凝土内部构造的有关信息。回弹法的回弹值反映了混凝土的弹性性质，同时在一定程度上也反映了混凝土的塑性性质，但它只能确切反映混凝土表层约3cm左右厚度的状态。,5.2.1混凝土强度检测超声回弹综合法,应严格遵照超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程（CECS02:88)回弹值的测量及计算同回弹法，但不须测量混凝土的碳化深度。超声法的测量及计算同超声法的规定，但是超声的测点应布置在同一个测区回弹值的测试面上，测量声速的探头安装位置不宜与回弹仪的弹击点相重叠。每一测区内，宜先回弹测试，后超声测试。注意：只有同一测区内所测得的回弹值和声速值才能作为推算混凝土强度的综合参数，不同测区的测量值不得混用。,测试方法和数据处理,粗骨料为卵石：,粗骨料为碎石：,5.2.1混凝土强度检测超声回弹综合法,超回弹综合法的优点,采用超声回弹综合法，既能反映混凝土的弹性，又能反映混凝土的塑性；既能反映混凝土的表层状态，又能反映混凝土的内部构造。这样通过不同物理参量的测定，可以由表及里地较为确切地反映混凝土的强度。采用超声回弹综合法检测混凝土强度，能对混凝土的某些物理参量在超声法或回弹法测量时产生的影响得到补偿。如对回弹值影响最为显著的碳化深度，在综合法中碳化因素可不予修正，原因是碳化深度较大混凝土，由于它的龄期较长而其含水量相应降低，以致声速稍有下降，因此在综合关系中可以抵消回弹值上升所造成的影响。所以，用综合法fcuvRm关系推算混凝土强度时，不须测量碳化深度；超声回弹综合法的测量精度优于超声或回弹方法。,超回弹综合法的缺点,检测工作量增加了。特别与回弹法对比不再具有简便快速的优势。,5.2.1混凝土强度检测,4.钻芯法,钻芯法试验是使用专用的取芯钻机及配套机具，从被检测的结构或构件上直接钻取圆柱形的混凝土芯样，并根据芯样的抗压强度推定混凝土的立方体抗压强度。,不需要建立混凝土的某种物理量与强度之间的换算关系（即测强曲线），是一种较为直观、准确、可靠的检测混凝土强度的方法；可以同时检测混凝土内部缺陷（如裂缝、受火或受冻混凝土的损伤深度等）；由于需要从结构构件上取样，对原结构有局部损伤，所以是一种能反映混凝土实际状态的现场检测的半破损试验方法。,5.2.1混凝土强度检测钻芯法,注意事项,钻芯法检测不宜用于混凝土强度等级低于C10的结构。钻取芯样应在结构或构件受力较小的部位和混凝土强度质量具有代表性的部位。应避开主筋、预埋件和管线的位置。每个芯样内最多只允许含有两根直径小于10mm的钢筋，且钢筋应与芯样轴线基本垂直并不得露出端面。对于单个构件检测时，钻芯数量不应小于3个。对于较小的构件，可取2个。当与其他非破损方法综合检测时，钻芯位置应与该方法的测点布置在同一测区。钻取的芯样试件宜在与被检测结构或构件的混凝土干湿度基本一致的条件下进行抗压试验。钻孔取芯后结构上留下的孔洞必须及时修补。钻芯法不宜普遍使用，更不宜在一个受力区域内集中钻孔取芯。,钻芯法检测混凝土强度技术规程（CECS03:88),5.2.1混凝土强度检测,5.拔出法,拔出法试验是用一金属锚固件埋入混凝土构件内，然后测试锚固件被拔出时的拉力，由被拔出的锥台形混凝土块的投影面积，确定混凝土的拔出强度，并由此推断混凝土的立方抗压强度，它也是一种半破损试验的检测方法。,预埋拔出法（LOK试验）：在浇筑混凝土时预埋锚固件的方法。该法常用于工程施工阶段，按事先计划要求布置测点。后装拔出法（CAPO试验）：在混凝土硬化后再钻孔埋入特制的膨胀螺栓作为锚固件的方法。该法用于检测混凝土的质量和判断硬化混凝土的现有实际强度。,类型及适用范围,加荷设备,拔出法试验的加荷装置是一专用的手动油压拉拔仪，油缸进油时对拔出杆均匀施加拉力，加荷速度控制在0.51KN/s，在油压表或荷载传感器上指示拔力。,5.2.1混凝土强度检测拔出法,注意事项,单个构件检测时，至少有三个测点。当最大拔出力及最小拔出力与中间值之差均小于5%，不进行补测。对同批构件按批抽样检测时，构件抽样数应不小于同批件的30%，且不小于10件，每个构件不应少于三个测点。结构或构件上的测点，宜布置在混凝土浇筑方向的侧面，应分布在外荷载或预应力钢筋压力引起应力最小的部位测点分布均匀并应避开钢筋和预埋件。测点间距应大于10h，测点距离试件端部应大于4h（h为锚固件的锚固深度）,采用拔出法作为混凝土强度的评定依据时，必须按已经建立的拔出力与立方抗压强度之间的相关曲线，由拔出力确定混凝土的抗压强度。,混凝土强度检测方法的对比表,5.2.2混凝土结构内部质量检测,1.超声法检测砼内部缺陷,混凝土结构内部质量混凝土内部的缺陷大小，钢筋的配置与设计文件符合的程度，裂缝的深度以及钢筋锈蚀的程度。,工程中主要用来检测裂缝深度和混凝土内部的孔洞和密实度。,当混凝土中存在缺陷或损伤时，超声脉冲通过缺陷时产生绕射、传播的声速小，声时偏长；由于在缺陷界面上产生反射，能量显著衰减，波幅和频率明显降低，接收信号的波形平缓甚至发生畸变；综合声速、波幅和频率等参数的相对变化，对同条件下的混凝土进行比较，判断和评定混凝土的缺陷和损伤情况。,5.2.2混凝土结构内部质量检测,对于结构混凝土深度500mm的裂缝，可平测法或斜测法进行检测。,1）浅裂缝深度检测,平测法测量步骤：将仪器的发射换能器和接收换能器对称布置在裂缝两侧，若距离为L，超声波传播所需时间为t0。再将换能器以相同距离L平置在完好的混凝土表面，测得传播时间为t。裂缝的深度dc可按公式计算。,进行不同测距的多次测量，取得裂缝深度的平均值。,5.2.2混凝土结构内部质量检测,斜测法测量方法：将两个换能器分别置于对应测点位置，读取相应声时值、波幅值和频率值。当两换能器的连线通过裂缝时，则接收信号的波幅和频率明显降低。对比各测点信号，根据波幅和频率的突变，可以判断裂缝的深度以及是否在平面方向贯通。,斜测法：用于结构的裂缝部位有两个互相平行的测试表面,注意：裂缝中的积水和泥浆使得裂缝对超声波的衰减作用减小，将加大检测缺陷的难度；钢筋对超声波的传播有干扰，因此当钢筋粗而密集时，不宜采用。,5.2.2混凝土结构内部质量检测,2）深裂缝深度检测,测试方法：在裂缝两侧钻两孔，孔距为m；测试前向测孔中灌注清水，作为耦合介质；将发射和接收换能器分别置入裂缝两侧的对应孔中；以相同高程等距自上而下同步移动，在不同深度上进行对测，逐点读取声时和波幅数据；,对于大体积结构混凝土深度500mm的裂缝，当用平测法或斜测法有困难（即信号衰减、质量较差）时，可采用钻孔探测进行检测。,绘出换能器的深度和对应波幅值的dA坐标图。波幅值随换能器下降的深度逐渐增大，当波幅达到最大并基本稳定的对应深度，便是裂缝深度dc。钻孔探测鉴别混凝土质量的方法还被用于混凝土钻孔灌注桩的质量检测。,5.2.2混凝土结构内部质量检测,3）内部的孔洞和密实度检测,注：测试时，记录每个测点的声时、波幅、频率和测距。通过对比同条件混凝土的声学参量，当某些测点出现声时延长，声能被吸收和散射，波幅降低，高频部分明显衰减等异常情况时，说明混凝土内部存在不密实或存在空洞。混凝土内部空洞大小可按公式估算。,是根据各测点的声时（或声速）、波幅或频率值的相对变化，确定异常测点的坐标位置，从而判定缺陷的范围。只有缺陷部位的尺寸大于探头尺寸时，检测结果才准确。,测试方法：对测法：当结构具有两对相互平行的测试面时采用。做法：在测区的四个测试面上，分别画间距为200mm的网格，确定测点的位置。斜测法：只有一对相互平行的测试面时采用。做法：在测区的两个互相平行的测试面上，分别画出交叉测试的两组测点位置，把缺陷网在两组平行线交叉组成的一组平行四边形的网格中。,5.2.2混凝土结构内部质量检测,2.雷达法检测砼内部缺陷和钢筋,雷达法使用的微波频率为300M300GHz，其波长位于远红外线和无线电短波之间。对混凝土有很强的穿透能力，检测深度大，检测速度快，主要测试元件与混凝土表面不接触，对混凝土内部缺陷敏感等优点；常用的钢筋混凝土雷达检测仪的检测深度一般为20cm。可检查混凝土内的钢筋、管线、裂缝或孔洞等。大多用图像给出检测结果，对检测图像的解释需要经验和对比试验的标定结果。,雷达法是以微波作为传递信号的媒介，依据微波的传播特性，对被测材料的物理性质和内部缺陷做出非破损检测的技术。,组成,微波信号源：产生微波震荡；传输线：传送微波信号的波导管或同轴线；微波探头：发射和接收微波信号；信号采集处理装置：将微波信号进行转换并完成信号分析、图像显示和数据存储等功能。,5.2.2混凝土结构内部质量检测,3.电磁法检测钢筋直径和砼保护层厚度,CM9型钢筋直径与保护层厚度检测仪采用两次检测的方法，分别得到保护层厚度和钢筋直径。,利用电磁感应原理。钢筋是一种电导体和磁导体，由于钢筋的存在，使检测仪形成的电磁场受到影响，在线圈中产生感应电流，感应电流放大后，驱动显示仪表给出测试结果。,作用：对已建混凝土结构作可靠性诊断和对新建混凝土结构施工质量鉴定时，要求确定钢筋位置、布筋情况，正确测量混凝土保护层厚度和估测钢筋直径。当采用钻芯法检测混凝土强度时，为在取芯部位避开钢筋，须作钢筋位置的检测。,5.2.2混凝土结构内部质量检测,4.半电池法检测钢筋锈蚀,混凝土中钢筋的锈蚀是一个电化学的过程。钢筋因锈蚀而在表面有腐蚀电流存在，使钢筋电位发生变化。,检测方法：采用有铜硫酸铜作为参考电极的半电池探头的钢筋锈蚀测量仪，用半电池电位法测量钢筋表面与探头之间的电位差，利用钢筋锈蚀程度与测量电位间建立的一定关系，可以判断钢筋锈蚀的可能性及其锈蚀程度。半电池法可检测出钢筋锈蚀的危险区域。如果钢筋未腐蚀，表面的钝化状态良好，对应的半电池电位较高，采用铜/硫酸铜标准半电池测出的电位一般不会低于-100mV，而严重腐蚀时，测得的电位值可能低于-400mV。,5.3钢结构检测5.3.1钢结构的病害特征,钢结构的很多缺陷通过目测和测量的方法确定，采用非破损检测仪器仪表进行检测的主要内容为：钢材强度焊缝内部缺陷。,钢结构的缺陷来源：,钢材本身性能受有害元素（如硫、磷等）影响；钢结构的加工过程的影响（如加工误差、残余应力等）；钢结构连接：焊接、铆接、螺栓连接等；防腐蚀处理不满足要求；结构设计不合理或设计错误，导致初始缺陷。,钢结构典型的破坏方式：,强度、失稳和疲劳破坏,5.3.2钢材强度的检测,检测方法：采用表面硬度法间接推断钢材强度测试仪器：布氏硬度计测试原理：根据硬度计端部的钢珠在钢材表面和在已知硬度的标准试样上压痕的直径来测得钢材的硬度，并由钢材硬度与强度的相关关系，经换算得到钢材的强度。,钢号推定：通过化学分析钢材的微量合金元素，结合表面硬度测试的钢材强度，可以更准确地确定钢材牌号（Q235等）。,5.3.3超声法检测钢材和焊缝缺陷,超声法检测钢材和焊缝缺陷的工作原理与检测混凝土内部缺陷相同。不同之处：金属超声仪只有一个探头，即发射超声波，也接收反射波；较多采用脉冲发射法，即发射频率较高（0.575MHz），而功率较小。,5.3.4磁粉探伤法检测钢材和焊缝缺陷,基本原理：利用外加磁场将钢构件磁化，再将磁粉喷涂于构件表面，被磁化的构件可以显示出磁场的磁力线。无缺陷：磁力线均匀分布；有缺陷：其磁导率远小于无缺陷部位，使得缺陷部位的磁阻增加，磁力线路径受到阻隔，在构件表面形成漏磁场。,磁粉：纯铁或四氧化三铁制作。磁粉探伤分为干法和湿法。干法：灵敏度较低，但适用于温度较高的场合；湿法：采用磁悬浮液，有更好的流动性，较容易显示微弱的漏磁场。,磁粉探伤方法的优缺点简单、适用，能适用各种形状和大小、不同工艺加工制造的钢结构构件表面缺陷检测；不能确定缺陷的深度，对缺陷的判断主要通过人的肉眼观察，要求操作者具有一定的经验。,5.3.5焊缝的X射线探伤,金属密度越大，钢板越厚，X射线穿过时被吸收得越多；X射线探伤采用照相法，即将X射线管对正焊缝，而将装有感光胶片的塑料盒放置在焊缝背面，X射线穿透金属时发生衰减，一般有缺陷部位的衰减较小，在冲洗后的胶片上颜色较深，无缺陷部位的衰减较大，颜色较浅。另处：射线或其他高能射线；电涡流法；液体渗流法。,5.5结构现场荷载试验,新建结构采用了新工艺、新材料或新的结构形式总结设计分析方法；建设过程中，对结构性能存在疑问；结构可靠性鉴定：为了得到结构整体性能的有关数据，间接获得结构的有关信息，验证结构或构件的正常使用性能是否满足设计规范要求，以便能够更加准确地对结构可靠性做出评估。,掌握结构材料的基本性能和结构整体性能，根据检测和试验所获取的信息，建立结构计算模型，采用正确的结构理论，分析得到结构的极限承载能力。确定结构的传力路径、边界条件、连接条件和结构在弹