中建五局第三建設(shè)有限公司 長(zhǎng)沙 410004

1 項(xiàng)目概況

長(zhǎng)沙保利國(guó)際中心（B3棟）為保利國(guó)際廣場(chǎng)中的超甲級(jí)寫字樓，它聳立于長(zhǎng)沙市南湖路與湘江大道交匯處，與橘子洲頭毛主席雕像正對(duì)。該工程的建筑物主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。塔樓±0.00 m（絕對(duì)標(biāo)高40.60 m）以上采用混合框架-鋼筋混凝土核心筒-伸臂體系，其中梁以H型鋼梁為主，柱由方鋼管混凝土為主，角部為8 個(gè)圓鋼管混凝土柱，核心筒區(qū)域外樓面采用鋼筋桁架樓承板組合樓板；±0.00 m以下采用混合框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系，其中梁為混凝土梁，柱變成型鋼混凝土柱（其中方鋼管混凝土柱變成十字形截面柱，圓鋼管混凝土柱變成圓鋼管混凝土組合柱）。樓板均為混凝土樓板。剪力墻和柱在+88.95 m以下采用C60混凝土，+88.95～+173.55 m以下采用C50混凝土，+173.55 m以上采用C40混凝土澆筑。

2 檢測(cè)方法選擇[1-5]

2.1 基于壓電應(yīng)力波測(cè)量的檢測(cè)方法

本工程的檢測(cè)過(guò)程采用32 通道比利時(shí)進(jìn)口LMS-SCM05振動(dòng)測(cè)試分析集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)自帶信號(hào)發(fā)生功能，可以產(chǎn)生高頻激勵(lì)信號(hào)，并且各通道間完全獨(dú)立高頻采樣。該系統(tǒng)可以產(chǎn)生簡(jiǎn)諧信號(hào)、掃頻信號(hào)、隨機(jī)信號(hào)以及觸發(fā)信號(hào)等各類信號(hào)，可用于直接驅(qū)動(dòng)壓電功能塊，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波。同時(shí)，該系統(tǒng)具有高效、穩(wěn)定的采樣能力，其最大采樣頻率可達(dá)100 kHz，而且該系統(tǒng)配備有功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，其LMS Test.Lab Time Recording Addin模塊具有時(shí)間歷程記錄功能，并與特征數(shù)據(jù)采集、階次跟蹤分析、譜采集或?qū)崟r(shí)倍頻程保持同步。記錄的時(shí)間數(shù)據(jù)可利用Test.Lab特征數(shù)據(jù)通程處理模塊作進(jìn)一步的后處理。該系統(tǒng)集發(fā)射信號(hào)、采集信號(hào)以及后處理分析信號(hào)于一身，極大地滿足了本次檢測(cè)的需要。

2.2 基于壓電機(jī)電耦合阻抗測(cè)量的檢測(cè)方法

在機(jī)電耦合阻抗法中，通過(guò)測(cè)量粘貼于鋼管外壁的壓電智能材料與鋼管壁所構(gòu)成的機(jī)電耦合系統(tǒng)的機(jī)電阻抗來(lái)評(píng)估界面性能，其測(cè)量原理見(jiàn)圖1。運(yùn)用機(jī)電阻抗測(cè)量法對(duì)此帶模擬界面剝離的鋼管混凝土構(gòu)件的剝離狀況進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于機(jī)電阻抗測(cè)量可以很好識(shí)別出鋼管混凝土構(gòu)件中無(wú)法觀測(cè)到的界面剝離損傷。根據(jù)試驗(yàn)構(gòu)件的性能選取相應(yīng)頻段，分別測(cè)量了界面損傷發(fā)生前后的阻抗值，通過(guò)比較阻抗峰值的偏移和峰值對(duì)應(yīng)頻率的變化，有效地識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷?；谧杩沟姆椒軌蛴行У胤从尘植繐p傷，由于其測(cè)量頻率較高，因此對(duì)初始微小損傷比較敏感。

此方法主要針對(duì)鋼管混凝土柱的柱身在易于出現(xiàn)混凝土缺陷和界面缺陷的部位進(jìn)行抽樣檢測(cè)，重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵部位混凝土澆筑質(zhì)量、橫向加勁板以下范圍鋼管壁與核心混凝土的界面粘結(jié)狀態(tài)。

圖1 基于壓電陶瓷的機(jī)電阻抗測(cè)量原理

3 鋼管混凝土構(gòu)件檢測(cè)

利用兩種檢測(cè)方法對(duì)澆筑后的鋼管混凝土柱中最易于發(fā)生核心混凝土缺陷以及核心混凝土與鋼管內(nèi)壁和橫隔板下表面界面缺陷的部位進(jìn)行檢測(cè)，重點(diǎn)關(guān)注橫隔板下部位內(nèi)部核心混凝土完整性、核心混凝土與鋼管內(nèi)壁的界面粘結(jié)狀態(tài)。

對(duì)于基于應(yīng)力波的檢測(cè)，采用一發(fā)一收以及一發(fā)多收的方式進(jìn)行。通過(guò)對(duì)應(yīng)力波傳遞距離相等的一組傳感器的輸出信號(hào)的分析來(lái)對(duì)核心混凝土的完整性以及界面狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

對(duì)于壓電耦合阻抗法，采用對(duì)粘貼在鋼管外壁的壓電陶瓷片或者嵌入式壓電功能塊的機(jī)電耦合阻抗測(cè)量對(duì)界面粘結(jié)性能進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

3.1 檢測(cè)對(duì)象以及測(cè)點(diǎn)布置

為了實(shí)現(xiàn)以上檢測(cè)目的，采用應(yīng)力波法和壓電耦合阻抗法兩種方法相結(jié)合的方法，將在±0.00 m以上塔樓B3棟周邊的每層24 根Q345B鋼管混凝土柱中的選擇關(guān)鍵截面進(jìn)行抽樣檢測(cè)，采用技術(shù)壓電功能塊、壓電傳感器（PZT）進(jìn)行。

±0.00 m以上高235.5 m，共50 層，鋼柱采用自密實(shí)混凝土分段澆筑，其中1～10層每2 層鋼管整體吊裝并澆筑一次混凝土，10層以上每3 層鋼管整體吊裝并澆筑一次混凝土。24 根鋼管柱中16 根為方鋼管混凝土柱，8 根為圓鋼管混凝土柱。橫截面及立面如圖2、圖3所示。

選取矩形截面柱和圓形截面柱與型鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)處最容易出現(xiàn)缺陷的部位，即3 層橫隔板中的最上層以下的部位進(jìn)行檢測(cè)。總抽檢構(gòu)件數(shù)為總吊裝節(jié)段數(shù)的30％。

在上層橫隔板下表面安裝壓電功能塊，在鋼管外壁粘貼壓電片。結(jié)合應(yīng)力波法和機(jī)電耦合阻抗法進(jìn)行檢測(cè)與分析。

3.1.1 方形截面鋼管混凝土柱

（a）嵌入式與表面粘貼相結(jié)合。在上層橫隔板下表面上每邊布置3 個(gè)壓電功能元，其中1 個(gè)位于每邊的中間位置，其中PZT的方向?yàn)樨Q直且垂直于該鋼管內(nèi)壁。另外2 個(gè)壓電功能元布置在該邊的1/4和3/4處，該壓電功能塊與鋼管內(nèi)壁留20 mm距離，其PZT平面豎直但平行于該內(nèi)壁。每個(gè)構(gòu)件供設(shè)置12 個(gè)壓電功能塊。此外，每邊對(duì)應(yīng)位置設(shè)置4 個(gè)PZT，每個(gè)構(gòu)件共設(shè)置16 個(gè)PZT片。方形截面鋼管混凝土柱上層橫隔板下表面的壓電功能塊以及外壁PZT片布置如圖2所示。在每個(gè)吊裝層中，選取一個(gè)方鋼管柱采取該方式布置。

（b）外部粘貼壓電陶瓷片。對(duì)于部分方鋼管柱，采用外部粘貼壓電片的方法。方形截面鋼管混凝土柱上層橫隔板下表面外壁PZT片，布置如圖3所示。核心混凝土與鋼管內(nèi)壁的界面粘結(jié)狀態(tài)通過(guò)壓電阻抗法評(píng)估，核心混凝土采用應(yīng)力波方法檢測(cè)與評(píng)估。在鋼管已經(jīng)安裝就位，其靠建筑外側(cè)的表面無(wú)法在保證安全的情況下粘貼壓電陶瓷片，可以只在方柱的2 個(gè)相對(duì)的側(cè)面上進(jìn)行粘貼。

圖2 橫隔板下表面壓電功能元以及PZT片布置示意

圖3 橫隔板下鋼管表面粘貼PZT片布置

3.1.2 圓形截面鋼管混凝土柱

（a）嵌入式與表面粘貼相結(jié)合。對(duì)于部分圓形截面鋼管混凝土柱，在上層橫隔板下表面上沿鋼管內(nèi)壁均勻布置6 個(gè)壓電功能元，該壓電功能塊與鋼管內(nèi)壁留20 mm距離，其PZT平面豎直且與鋼管內(nèi)壁保持相切。此外，鋼管外壁對(duì)應(yīng)位置設(shè)置6 個(gè)PZT。在每個(gè)吊裝層中，選取一個(gè)方鋼管柱采取該方式布置。

（b）外部粘貼壓電陶瓷片。另外的圓鋼管柱采用外部粘貼壓電片的方法。核心混凝土與鋼管內(nèi)壁的界面粘結(jié)狀態(tài)通過(guò)壓電阻抗法評(píng)估，核心混凝土采用應(yīng)力波方法檢測(cè)與評(píng)估?？紤]到嵌入式壓電功能元的施工耗時(shí)較多，主要采取表面粘貼壓電陶瓷片的方法進(jìn)行。在鋼管已經(jīng)安裝就位，其靠建筑外側(cè)的表面無(wú)法在保證安全的情況下粘貼壓電陶瓷片，可以只在圓柱相互垂直的2 個(gè)相對(duì)位置上進(jìn)行粘貼。

3.2 檢測(cè)方法

3.2.1 基于應(yīng)力波的鋼管混凝土檢測(cè)

運(yùn)用方形截面以及圓形截面構(gòu)件內(nèi)部對(duì)稱位置的壓電功能塊進(jìn)行信號(hào)發(fā)射和信號(hào)接收，對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波包能量分析，進(jìn)而對(duì)鋼管混凝土內(nèi)部核心混凝土的均勻性進(jìn)行評(píng)估。激勵(lì)信號(hào)采用掃頻信號(hào)、正弦信號(hào)和脈沖信號(hào)，測(cè)量2 次。用收發(fā)信號(hào)距離等同的一組傳感器的輸出信號(hào)來(lái)評(píng)定檢測(cè)結(jié)果。對(duì)于方鋼管混凝土柱4 個(gè)角區(qū)缺陷的檢測(cè)，選取每邊中間位置的壓電功能塊作為激勵(lì)器，采集對(duì)應(yīng)鋼管外壁的2 個(gè)PZT的響應(yīng)。

對(duì)于方鋼管混凝土的四邊鋼管內(nèi)壁與核心混凝土的截面粘結(jié)情況，分別采用嵌入式壓電功能元作為激勵(lì)，對(duì)于外壁PZT片接收信號(hào)的方式進(jìn)行檢測(cè)。

3.2.2 基于機(jī)電耦合阻抗的鋼管混凝土界面性能檢測(cè)

鋼管壁與核心混凝土的粘結(jié)狀況，分別對(duì)于嵌入式壓電功能元和表面粘貼壓電陶瓷片進(jìn)行機(jī)電耦合阻抗測(cè)量，通過(guò)阻抗結(jié)果的分析對(duì)界面粘結(jié)性能進(jìn)行評(píng)估。

3.2.3 混凝土界面性能檢測(cè)

分別基于應(yīng)力波和機(jī)電耦合阻抗測(cè)量，在混凝土澆筑后1～2 周內(nèi)測(cè)量一次。

選取嵌入和粘貼方案的方形截面和圓形截面鋼管混凝土試件各一個(gè)，進(jìn)行多次檢測(cè)?；炷翝仓? d、7 d、14 d、28 d、90 d、180 d分別進(jìn)行測(cè)試。