斜柱网格体系内部混凝土浇灌实体模型及检测试验研究_王震.pdf

第 53 卷 第 6 期2023 年 3 月下建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.6Mar.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.20201157浙江省基础公益研究计划项目(LGG22E080005),浙江省教育厅科研项目(Y202146072),浙江省水利厅重点科技项目(RB1909)。第一作者:第一作者:王震,博士,副教授,主要从事超高层、大跨空间和复杂钢结构的设计和科研工作,Email:wzjggc 。斜柱网格体系内部混凝土浇灌实体模型及检测试验研究王 震1,2,杨学林2,赵 阳1,3,吴小平2,瞿浩川2(1 浙大城市学院土木工程系,杭州 310015;2 浙江省建筑设计研究院,杭州 310006;3 浙江大学空间结构研究中心,杭州 310058)摘要:钢管混凝土斜柱体系内部浇灌混凝土的密实度质量是保证整体结构承载性能的重要因素。以 X 形平面斜柱节点、K 形空间斜柱节点为例,建立钢管混凝土斜柱的足尺试验模型,通过超声 CT 技术检测其内部浇灌混凝土的密实度,以获得合理有效的浇灌工艺并应用于工程;进而针对斜柱网格体系的混凝土密实度检测布置进行了研究。结果表明:试验模型钢板较厚时,采用 CT 成像检测可获得精确结果;试验模型浇灌工艺满足密实度要求时,实际施工应采用相同工艺以保证质量;对于混凝土密实度不足之处,可采用钻孔压浆法补强,而后补焊封回;钢管混凝土斜柱内部混凝土密实度检测布置包括斜柱构件检测数量、横截面检测位置两方面。关键词:钢管混凝土斜柱;足尺模型试验;CT 成像检测;混凝土密实度;浇灌工艺;检测布置方案 中图分类号:TU355,TU973 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)06-0124-07引用本文 王震,杨学林,赵阳,等.斜柱网格体系内部混凝土浇灌实体模型及检测试验研究J.建筑结构,2023,53(6):124-130.WANG Zhen,YANG Xuelin,ZHAO Yang,et al.Experimental study on solid model and detection of the internal pouring concrete for the inclined column grid systemJ.Building Structure,2023,53(6):124-130.Experimental study on solid model and detection of the internal pouring concrete for the inclined column grid system WANG Zhen1,2,YANG Xuelin2,ZHAO Yang1,3,WU Xiaoping2,QU Haochuan2(1 Department of Civil Engineering,Zhejiang University City College,Hangzhou 310015,China;2 Zhejiang Province Institute of Architectural Design and Research,Hangzhou 310006,China;3 Space Structures Research Center,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)Abstract:The compactness quality of the internal pouring concrete for the concrete-filled steel tube inclined column system is an important factor to ensure the bearing capacity of the whole structure.Taking X-type plane inclined column joint and K-type space inclined column joint as examples,a full-scale test model for the concrete-filled steel tube inclined column was established.Ultrasonic CT technology was used to detect the compactness of the internal pouring concrete,so as to obtain a reasonable and effective pouring technology and apply it to engineering.Furthermore,the detection arrangement of the concrete compactness for the inclined column grid system was studied.The results show that:when the steel plate of the test model is relatively thick,the CT imaging detection can be used to obtain accurate results;when the pouring technique of the test model meets the requirement of compactness,the same technique should be adopted in the actual construction to ensure the quality;for the position of insuffient concrete compactness,the drilling grouting method can be used to strength,and then repair welding sealing;the detection arrangement of the internal pouring concrete compactness for concrete-filled steel tube inclined column includes two aspects:the detection quantity of the inclined column components and the detection position of the cross sections.Keywords:concrete-filled steel tube inclined column;full-scale model test;CT imaging detection;concrete compactness;pouring technique;detection arragement scheme 0引言 斜柱网格体系由斜交成网状的斜柱构件所组成,通过斜柱轴力来承受整体结构的水平力,具有极大的抗侧刚度,越来越广泛地应用于超高层钢结第 53 卷 第 6 期王 震,等.斜柱网格体系内部混凝土浇灌实体模型及检测试验研究构1-3。出于空间利用和材料经济性考虑,斜柱构件和斜交节点内部往往浇灌混凝土,以达到在保证其刚度和承载性能的同时尽量减小构件截面。此时钢管和内部混凝土同时参与承载,内部混凝土的密实度质量是保证整体结构性能的一个重要因素4-6。超声 CT 无损检测可在不损伤主体结构的前提下,通过内部混凝土断面性质获得强度性能参数,目前已获得越来越多的应用7-8。本文首先以斜柱网格体系的 X 形斜柱节点、K形斜柱节点为例,建立钢管混凝土斜柱足尺实体试验模型,并通过超声 CT 技术检测其内部浇灌混凝土的密实度,以获得合理有效的浇灌工艺并应用于工程;接着针对斜柱网格体系的整体检测布置方案进行研究,通过一系列关键位置点的超声检测设置,获得并保障整体结构体系的混凝土浇灌质量。1超声 CT 无损检测1.1 检测原理 超声 CT 检测是一种新型高效且不会造成损伤的混凝土内部缺陷影像检查技术9。该技术基于超声波穿透工程介质的走时变化和能量衰减数据,对结构内部情况进行影像反馈;声波的传播速度随着工程介质的密度、模量增大而提高,对应能量衰减则减小。工程介质模量与波速的关系式为:E=rv2p(1)G=v2s(2)式中:E 为弹性模量;G 为剪切模量;r 为比例系数;为介质密度;vp为纵波波速;vs为横波波速。表 1 给出了混凝土的波速与强度等级的试验结果10。波速可作为混凝土浇灌密实度质量的重要指标。表 1 混凝土波速与强度等级混凝土强度等级轴心抗压强度标准值fck/MPa轴心抗压强度设计值fc/MPa弹性模量Ec/GPa纵波波速vp/(km/s)C3020.1014.3030.003.70C4026.8019.1032.504.05C5032.4023.1034.504.30C6038.5027.5036.004.50由于超声 CT 检测的特性,目前已越来越多地被应用于工程结构检测领域;通过描述工程介质的力学性能指标分布情况,来检测诸如大体积混凝土的强度等级、孔洞等密实度不足的缺陷。1.2 混凝土质量评价方法 由于同一检测截面混凝土密实度存在不均匀,对应混凝土波速也是不同的,实际应用时往往通过多项统计参数的综合评定进行缺陷判定。广泛应用的判定参数包括平均波速、波速离散度、合格率面积比及最大缺陷尺度11-12。对于本文所需检测的钢管混凝土斜柱构件内部的 C60 混凝土,具体判定参数要求如下:(1)平均波速 va是表征平均强度是否达到设计标准的重要指标。对于 C60 混凝土,对应平均波速应不小于 4 500m/s,即:va=1nni=1vi 4 500m/s(3)式中:n 为剖面内单元节点总数;vi为剖面内单元节点 i 的波速。(2)波速离散度 Ra是表征混凝土浇筑质量离散性大小的重要指标。Ra控制在 9%以内,则可认为钢管混凝土构件的混凝土密实度分布基本均匀,即:Ra=1nni=1(vi-va)va 9%(4)(3)合格率面积比 Rs是强度达到设计标准(对于 C60 混凝土,vi不小于 4 500m/s)的面积所占的比率。Rs越大则混凝土质量越好,一般不小于 80%为合格。(4)最大缺陷尺度 SL是剖面上连续分布的缺陷面积。对于 C60 混凝土 SL设定为 1m2,无最大缺陷即为统计波速 vi小于 4 500m/s 的连续面积不超过 1m2。1.3 检测结果表示方法 根据前述判定参数,分别给出各个超声 CT 剖面的检测结果,包括波速分布图、速度直方图、强度分布图和缺陷尺度图等参数,最后将这些结果汇聚成一张图表,进行综合评价。当 4 项判定参数均满足时即达到 C60 混凝土质量要求,当有 1 项不满足时,应根据具体情况综合判定。2钢管混凝土斜柱足尺试验模型 由于本文钢管混凝土斜柱构件截面较大、每节段浇灌高度较大且构件内有多处节点加强肋板,施工时采用高抛自密实混凝土进行浇灌,同时考虑在斜柱节点处进行局部振捣法处理。2.1 模型位置选取 考虑选取中部平面钢管混凝土斜柱节点(X形)和角部空间钢管混凝土斜柱节点(K 形)两种。前者位于斜柱网格体系底部 26 层范围的中部 2根斜柱及对应 6 层中部斜交节点处,后者位于斜柱网格体系底部 610 层范围的角部 2 根斜柱及对应10 层角部斜交节点处。521建 筑 结 构2023 年斜柱构件截面为7507504040,内部浇灌C60 混凝土。按实际尺寸制作 1 1 足尺钢管混凝土斜柱试验模型,斜柱构件、节点及内部隔板的几何尺寸、位置需与实际完全一致,现场试验平台需做好固定措施。若试验模型浇灌工艺达到混凝土质量密实度要求,实际施工时采用相同浇灌工艺进