钢管混凝土构件具有良好的力学性能和耐久性，被广泛应用于建筑、桥梁和地下工程结构[1―3]。近年，钢管-钢筋混凝土组合柱在我国得到了越来越广泛的应用。混凝土材料的收缩和浇筑过程中钢筋对施工质量的影响，钢管和内部钢筋混凝土存在不同程度的脱空现象[4]，外部荷载和温度等作用对钢管混凝土构件产生损伤[5]。钢管和核心混凝土能够协同工作是钢管混凝土构件发挥工作性能的基础，通过无损检测对钢管混凝土构件进行施工质量判定和工作阶段分析具有重要的工程意义。
国内外学者应用超声波检测技术对混凝土和钢材的损伤状态进行了一些研究。朱自强等[6]研究发现混凝土中超声波的频率随传播距离的增加而降低，因此在计算超声波的分辨率时不能按激发的频率计算，而应考虑频率的衰减。王怀亮等[7]进行了不同尺寸试件受压状态下超声波测试，通过试验发现所有的试件在加载过程中，其超声波波速随着荷载增加呈下降趋势，随着试件内部裂缝的产生、发展直至破坏，声速表现出明显的3个阶段性变化，变化的门槛值与试件尺寸、骨料尺寸以及骨料含量有关。Godinho等[8]进行了超声波检测早期混凝土裂纹的方法研究。Freeseman等[9]采用超声检测方法，对钢筋混凝土柱在地震作用下的不同加载阶段进行了研究，发现声波不仅可以检测混凝土的损伤，还可以判断区域失效现象。Park等[10]采用非线性共振超声法对循环荷载下的混凝土裂缝发展情况进行检测评定。Schickert[11]应用超声波判定混凝土柱的浇筑质量并进行了分析。
应用超声波检测技术可以检测钢管内混凝土的密实程度[12―14]。徐长武、任志刚等[15]应用超声波检测技术测试小直径钢管混凝土试件，并进行尺寸效应敏感性分析和声速拟合及对比。檀永杰等[16―17]分析了超声波对测法在钢管混凝土脱空区4种可能的超声首波传播路径，并给出了4种传播路径的声时理论计算公式和适用于超声对测法的脱空缺陷对应的圆心角范围。在轴压荷载作用下钢管内部的钢筋混凝土的损伤必然导致密实度发生变化，可以利用超声波通过构件截面的波形图和频谱图分析钢管内部钢筋混凝土的损伤状态。
1 试验概况
1.1 材料及试验准备
试验采用壁厚分别为 1.8 mm、2.0 mm和3.0 mm的直缝焊接圆钢管，钢管外径为219 mm，钢管钢材的抗拉强度为 291 MPa，弹性模量为209 GPa。纵向钢筋直径为 14 mm，抗拉强度568.2 MPa，构件中配置4根纵向钢筋，箍筋直径为6 mm，抗拉强度368.1 MPa，箍筋间距为100 mm。混凝土采用P.O42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料选用碎石，粒径5 mm～25 mm，级配连续、良好；细骨料采用中粗砂，细度模数为2.56；聚羧酸高效减水剂减水率为38%；混凝土的配合比见表1，混凝土的坍落度为18.5 mm，经标准养护后测得混凝土的立方体抗压强度为 67.3 MPa。制作 5根长度均为700 mm的短柱构件，构件的设计参数见表2。
表1 混凝土配合比 /(kg/m3)
Table 1 Mix proportion of concrete
表2 构件设计参数及试验结果
Table 2 Design parameters and test results of components
注：零载波速为超声波在钢管混凝土中(不含耦合块)传播的平均速度。
1.2 测试装置
试验在5000 kN压力机上进行，加载方法采用单调分级加载，在钢管中部外壁的纵向和环向粘贴应变片。超声波检测采用带有波形数字采集功能的U5200非金属超声检测仪，声波检测频带宽度为3 kHz～450 kHz，换能器频率50 kHz，数据之间的采样间隔为0.4 μs，发射电压为250 V，声时测读精度0.025 μs，试件加载及超声波检测装置如图1所示。
图1 试件加载及超声波检测装置图
Fig.1 Loading and ultrasonic testing device
考虑到轴压荷载下钢管发生环向变形，设计具有一定变形性能的托架用于固定传感器，托架由环氧玻璃纤维板和拉紧螺杆组成，环氧玻璃纤维板具有良好的弹性和韧性。平面换能器由托架固定在钢管中部，为了使平面换能器与钢管紧密接触，在二者之间设置曲面有机玻璃耦合块，耦合块曲面的曲率半径与钢管半径相同，通过调整螺杆上的螺帽可以拉紧环氧玻璃纤维板，进而将换能器及圆弧面耦合块压紧在钢管表面，如图2所示。另外，耦合块与钢管和传感器的接触面涂有凡士林耦合剂，可以保证传感器在加载试验过程中与钢管表面具有良好的接触，确保声能传递的稳定性。
图2 超声波检测装置横截面图
Fig.2 Cross section of ultrasonic testing device
1.3 试验步骤
试验具体步骤为：
1)吊装试件，调试对中后连接应变测试线；
2)在耦合块表面涂抹凡士林作为耦合剂，利用支架将耦合块与平面换能器固定在钢管表面，连接数字声波仪；
3)对试件进行预加载，密实试件各部位的缝隙，检查测试仪器是否正常工作，然后卸载；
4)分级单调加载，起初以 4 kN/s的加载速度进行加载，当加载到70%的预估极限荷载左右时，降低加载速度，以2 kN/s的加载速度进行缓慢加载。
5)从加载开始，每间隔100 kN进行声波数据采集，并观察试件变形情况。
2 结果与讨论
2.1 试验现象
在加载初期，钢管、纵向钢筋和混凝土均处于弹性工作状态，随着轴压荷载增大，无筋混凝土构件C-0-0和钢筋混凝土构件C-0-4均出现竖向裂纹，并有局部混凝土脱落；对于SRC-1.8-4、SRC-2.0-4、SRC-3.0-4和 SC-3.0-0构件，当轴压荷载 N分别加载到 1750 kN (61.06%极限荷载 Nu)、1853 kN(63.18%Nu)、2400 kN(72.84%Nu)和1689 kN(58.61%Nu)时，钢管开始发生鼓曲变形，并随着荷载增大钢管鼓曲变形增大，钢管对核心混凝土的套箍作用加强。各构件的轴压承载力见表2，构件的破坏形式如图3所示。
图3 构件破坏图
Fig.3 Pictures of component failure
2.2 零载下波速测试结果及分析
在零载情况下声波在不同构件横截面的声时和波速见表2。钢材中的超声波正常声速为5300 m/s～5900 m/s，由于钢管壁厚较薄，基本不影响声波垂直穿过各构件横截面的波速；有机玻璃曲面耦合块厚度为 30 mm，测得超声波的声时为11.15 μs，波速为2691 m/s；通过托架将换能器固定在钢管壁上并压紧后，测量声波沿壁厚为1.8 mm、2.0 mm和3.0 mm的空钢管管壁环向传播时间分别为 121.3 μs、121.6 μs和 121.5 μs，表明超声在空钢管管壁中传播速度受壁厚影响较小，管壁内波速约为3466 m/s。在钢管壁中的声波受折射和反射影响，传播路线为折线，并以“群速度”向前传播，因此直线穿过钢管管壁进入混凝土再穿过钢管壁的声波传播速度最快，声时最短，通过表2中零载下声波通过构件横截面的时间可以说明钢管与混凝土未出现全部脱层，在加载过程中能够反映混凝土内部裂隙的变化情况。
2.3 波形分析
2.3.1 波形均方根振幅的物理意义
声波波形振幅的平方表示声波能量密度，均方根振幅即不同加载阶段的一个波列的声波平均能量密度的平方根，式(1)可以表达整列波的平均能量耗散特性。
式中：
为波形均方根振幅； Ai为第i个波幅；n为波幅数量。
以零荷载下波形均方根振幅
作为基准，将加载过程中的均方根振幅除以
，得到波形均方根振幅比为：
式中，Aj为第j列波的均方根振幅。
混凝土裂隙对声波传播能量具有吸收和耗散作用，裂隙群体的扩张使混凝土能量耗散性增强，导致一个声波传播波列的振幅减小，声波波形均方根振幅和均方根振幅比也随之减小；裂隙群体的挤密闭合使混凝土的能量吸收性减弱，使得声波波列的振幅增大，声波波形均方根振幅和均方根振幅比随之增大。
2.3.2 波形均方根振幅分析
提取不同轴压荷载作用下超声波通过试件横截面的波形图，SRC-1.8-4的部分波形图如图4所示。在未加载状态下的波形较为紧凑密实且平均幅值较大；随着轴压荷载增大，波形图的疏密和平均幅值不断发生变化，表明混凝土裂隙对能量的耗散在不断变化，反映出混凝土裂隙的变化过程。
图4 不同轴压荷载下的波形图
Fig.4 Waveforms under different axial loads
图5为波形均方根振幅随轴压荷载的变化曲线。轴压荷载为零时，声波通过各构件横截面的波形均方根振幅在 986 dB～1348 dB，主要集中在1000 dB附近，表明混凝土密实度基本接近。随着轴压荷载增大混凝土裂隙扩展，核心混凝土在钢管和钢筋约束下裂隙被挤密闭合，因此钢筋混凝土、钢管混凝土和钢管钢筋混凝土柱的波形均方根振幅出现波动，但均方根振幅极大值均小于零荷载时的均方根振幅值，即混凝土裂隙闭合后耗散的能量仍大于初始状态的耗散能量。
图5 波形均方根振幅-轴压荷载曲线
Fig.5 Root mean square amplitude-axial load curves
图6为波形均方根振幅比随轴压荷载比(N/Nu)的变化曲线。混凝土柱C-0-0的波形均方根振幅比随轴压荷载比的增大而减小，声波能量逐渐减小，表明轴压荷载下混凝土裂隙逐渐发展直至丧失承载力。钢筋混凝土柱C-0-4在300 kN～400 kN轴压荷载(19.08%Nu～25.45%Nu)时波形均方根振幅比出现小幅上升，表明钢筋和箍筋约束下核心混凝土裂隙闭合密实，随着轴压荷载比增大，核心混凝土裂隙逐渐扩展，均方根振幅比逐渐减小。
SC-3.0-0波形均方根振幅比随轴压荷载比的变化曲线出现先减小后增大再减小的“三阶段”趋势，轴压荷载从 0 kN～800 kN(27.76%Nu)加载过程中，波形均方根振幅比不断降低，表明声波能量耗散逐渐增大，核心混凝土裂隙不断扩展；轴压荷载从800 kN～1600 kN(55.52%Nu)加载过程中，波形均方根振幅比开始增大，表明能量耗散减小，在钢管约束作用下核心混凝土裂隙被逐渐挤密；在轴压荷载达到 1600 kN(55.52%Nu)后，波形均方根振幅比开始缓慢减小；当轴压荷载达到 2200 kN(76.34%Nu)后，波形均方根振幅比开始迅速减小，即核心混凝土裂缝迅速发展，构件丧失承载力。
SRC-1.8-4、SRC-2.0-4和SRC-3.0-4的波形均方根振幅比均两次出现先降低再升高现象，最后衰减到最小值，分别在极限荷载的 0%～17.45%、0%～20.46%和 0%～30.35%作用下一个波列的波形均方根振幅比不断降低，原因是荷载作用初期，混凝土原生裂隙扩张，吸收声波能量增多；在轴压荷载分别达到17.45%Nu、20.46%Nu和30.35%Nu后，波形均方根振幅比开始增大，表明在钢管和钢筋约束作用下混凝土裂隙被逐渐挤密；当轴压荷载分别为极限荷载的 48.85%～55.83%、47.73%～57.96%和54.63%～60.70%时，波形均方根振幅比出现降低，表明混凝土裂缝扩展，内部混凝土在钢管的套箍作用下继续发生损伤；当轴压荷载分别为极限荷载的55.83%～69.79%、57.96%～68.19%和60.70%～69.80%时，波形均方根振幅比出现上升趋势，钢管出现鼓曲，钢管对混凝土继续发挥套箍作用，为套箍作用加强阶段；各构件分别达到极限荷载的 69.79%、68.19%和69.80%后，波形均方根振幅比下降明显，钢管发生屈曲，试件丧失承载力。
图6 波形均方根振幅比-轴压荷载比曲线
Fig.6 Root mean square amplitude ratio-axial load ratio curves
2.4 频谱分析
用 MATLAB软件对波形图进行快速傅里叶变换，得到超声波的频谱图，无轴压荷载时部分空钢管和构件的声波频谱图如图7所示。由图7(a)可以看出，3.0 mm壁厚空钢管频谱图为单主峰脉冲形态，其幅值的最大值为11.8×105，对应的主频率为42.72 kHz(1.8 mm和 2.0 mm壁厚空钢管主频率分别为41.35 kHz和39.06 kHz)。林维正等对20 mm厚 500 mm×500 mm 的方形钢管测得的频率为43.9 kHz[18]，即钢管的声波主频在40 kHz附近，且不受钢管壁厚影响。由图7(b)可以看出，钢筋混凝土柱的声波频谱图主频为 20.75 kHz(混凝土柱的声波频谱图主频为 18.96 kHz)，混凝土和钢筋混凝土柱的声波频谱图主频在20 kHz附近。
由图7(c)～图7(d)可以看出，SRC-3.0-4和SC-3.0-0的频谱图为双主峰脉冲形态，第一个主频幅值分别为3.6×105和6.0×105，对应的第一主频率分别为 25.62 kHz和 21.36 kHz(SRC-1.8-4和SRC-2.0-4的第一主频率分别为 22.17 kHz和24.22 kHz)，与混凝土和钢筋混凝土柱的频谱图主频接近，可以反映声波直接穿过钢管混凝土横截面的情况；第二个主频幅值分别为4.7×105和4.5×105，对应的第二主频率分别为 40.28 kHz和 46.15 kHz(SRC-1.8-4和 SRC-2.0-4的第二主频率分别为36.62 kHz和40.07 kHz)，与空钢管的主频接近，幅值可以反应声波在钢管壁传播的情况。超声在混凝土内波长较长，频率较低，在钢材内传播的波长较短，频率较高，因此可以用第一主频率的幅值变化反映核心混凝土的损伤情况。
图7 无轴压荷载时的超声波频谱图
Fig.7 Ultrasonic frequency spectra without axial load
图8为SRC-1.8-4在部分轴压荷载下的声波频谱图。在未加载时的第一主频幅值为 3.4×105，在600 kN荷载下第一主频在18.32 kHz～20.75 kHz，其幅值降低为2.2×105，频谱图与横坐标轴围成的面积也逐渐减小，声波能量降低，混凝土对能量耗散增加，表明混凝土裂隙增大，第一主频出现逐渐减小且分布更广的趋势，是由于混凝土裂化吸收高频声波能量，使超声主频向低频移动；在1300 kN荷载下第一主频为19.59 kHz，其幅值增大到4.2×105，频谱图与横坐标轴围成的面积大幅提高，声波能量增加，能量耗散减小，表明混凝土裂隙被挤压密实；在1700 kN荷载下第一主频为17.65 kHz，其幅值降为2.2×105；在2000 kN荷载下第一主频为21.03 kHz，其幅值升高到3.1×105，频谱图与横坐标轴围成的面积小幅提高；在极限荷载2866 kN作用下第一主频为18.14 kHz，其幅值降为1.0×105，构件破坏。
图8 轴压荷载下SRC-1.8-4横截面超声波频谱图
Fig.8 Ultrasonic frequency spectra of SRC-1.8-4 cross section under axial load
钢管混凝土和钢管钢筋混凝土柱的声波频谱图第一主频幅值随轴压荷载比变化曲线如图9所示。轴压荷载下SC-3.0-0第一主频幅值出现“三阶段”变化趋势，极小值点出现在 27.76%Nu(荷载为800 kN)，极大值点出现在 58.99%Nu(荷载为1700 kN)；钢管钢筋混凝土柱的声波频谱图第一主频幅值出现“五阶段”变化趋势，分别反映核心混凝土裂缝产生并发展；钢管和钢筋约束混凝土，遏制裂缝发展，核心混凝土逐步密实；核心混凝土裂隙迅速扩展；钢管套箍作用加强阶段；钢管屈曲，试件丧失承载能力，与波形均方根振幅比变化趋势相同。
图9 第一主频幅值-轴压荷载比曲线
Fig.9 Amplitude of first main frequency-axial load ratio curves
2.5 钢管的应变分析
图10为不同构件钢管中部的荷载-应变曲线，在荷载作用初期，钢管处于弹性状态，应变随轴压荷载呈线性增长。对于 SRC-1.8-4、SRC-2.0-4、SRC-3.0-4和 SC-3.0-0构件，当荷载分别达到1787 kN、1936 kN、2374 kN和2100 kN时，钢管中部的环向变形出现非线性增长，钢管对核心混凝土约束作用加强。钢管应变分析反映的套箍作用加强的阶段出现在极限荷载的59.68%～72.05%，与波形和频谱分析的结果基本一致。
图10 荷载-应变曲线
Fig.10 Load-strain curves
3 结论
本文对轴压荷载下的素混凝土、钢筋混凝土、钢管混凝土和钢管钢筋混凝土柱的中截面进行超声检测，得到如下结论：
(1)声波波形均方根振幅和均方根振幅比可以有效反映钢管内混凝土和钢筋混凝土的裂隙变化情况，超声波可以有效检测轴压下钢管内混凝土和钢筋混凝土的损伤状态。
(2)用频谱图第一主频及其幅值变化可以反映钢管内混凝土和钢筋混凝土的损伤过程，混凝土裂隙发展，反射面增加，超声波能量耗散增加，幅值降低，反之升高。
(3)超声检测结果表明，钢管混凝土和钢管钢筋混凝土在轴压荷载作用下核心混凝土的损伤状态分别呈三段式和五段式变化，钢管和钢筋在不同阶段对核心混凝土的发挥约束作用。
(4)钢管的应变分析结果与超声波的波形和频谱分析结论一致，钢管套箍作用加强阶段一般在极限荷载的60%～70%附近。
[1]丁敏,汪友弟,代春辉,等.钢管混凝土轴心受压构件的徐变预测模型及其徐变性能分析[J].工程力学,2017,34(6): 166―177.Ding Min,Wang Youdi,Dai Chunhui,et al.Creep calculation and behavior analysis of concrete-filled steel tubular member under axial compression [J].Engineering Mechanics,2017,34(6): 166―177.(in Chinese)
[2]Han Linhai,Liu Wei,Yang Youfu.Behaviour of concrete-filled steel tubular stub columns subjected to axially local compression [J].Journal of Constructional Steel Research,2007,64 (4): 377―387.
[3]陈宗平,刘祥,周文祥.高温后圆钢管高强混凝土界面黏结性能试验研究[J].工程力学,2018,35(8): 192―200,256.Chen Zongping,Liu Xiang,Zhou Wenxiang.Interface bond behavior between circle steel tube and high strength concrete after high temperatures [J].Engineering Mechanics,2018,35(8): 192―200,256.(in Chinese)
[4]叶勇,韩林海,陶忠.脱空对圆钢管混凝土受剪性能的影响分析[J].工程力学,2016,33(增刊): 62―66,71.Ye Yong,Han Linhai,Tao Zhong.Effects of gaps on the behavior of circular CFST[J].Engineering Mechanics,2016,33(Suppl): 62―66,71.( in Chinese)
[5]王卫华,张伟,白杨,等.高温下内配圆管的方钢管混凝土柱轴压力学性能[J].工程力学,2018,35(3): 141―150.Wang Weihua,Zhang Wei,Bai Yang,et al.Axial performance of square concrete-filled steel tube (CFST)columns reinforced by circular steel tubes at elevated temperatures [J].Engineering Mechanics,2018,35(3)：141―150.(in Chinese)
[6]朱自强,喻波,密士文,等.超声波在混凝土中的衰减特征[J].中南大学学报(自然科学版),2014,45(11)：3900―3907.Zhu Ziqiang,Yu Bo,Mi Shiwen,et al.Ultrasonic attenuation characteristics of ultrasonic in concrete [J].Journal of Central South University (Science and Technology),2014,45(11)：3900―3907.(in Chinese)
[7]王怀亮,宋玉普.不同尺寸混凝土试件受压状态下超声波传播特性研究[J].大连理工大学学报,2007,47(1)：90―94.Wang Huailiang,Song Yupu.Ultrasonic pulses behavior in various-size concrete specimens under compression[J].Journal of Dalian University of Technology,2007,47(1)：90―94.(in Chinese)
[8]Godinho L,Dias-da-Costa D,Areias P,et al.Numerical study towards the use of a SH wave ultrasonic-based strategy for crack detection in concrete structures [J].Engineering Structures,2013,49：782―791
[9]Freeseman Katelyn,Khazanovich Lev,Hoegh Kyle,et al.Nondestructive monitoring of subsurface damage progression in concrete columns damaged by earthquake loading [J].Engineering Structures,2016,114：148―157
[10]Park Sun-Jong,Kim Gyu Jin,Kwak Hyo-Gyoung.Characterization of stress-dependent ultrasonic nonlinearity variation in concrete under cyclic loading using nonlinear resonant ultrasonic method [J].Construction and Building Materials,2017,145(11)：272―282.
[11]Schickert M..Progress in ultrasonic imaging of concrete[J].Materials and Structures,2005,38(9)：807―815.
[12]刘永前,张彦兵,邹振祝.超声波检测钢管混凝土拱桥密实度的试验研究[J].北方交通大学学报,2004,28(4)：54―57.Liu Yongqian,Zhang Yanbing,Zou Zhenzhu.Study of ultrasonic detection and evaluation for the deficiency of concrete_filled steel tube arch bridge [J].Journal of Northern Jiaotong University,2004,28(4)：54―57.(in Chinese)
[13]Nevbahar S,Osman U.Prediction of reinforced concrete strength by ultrasonic velocities [J].Journal of Applied Geophysics,2017,141 (6)：13―23.
[14]Beutel R,Reinhardt H W,Grosse C,et al.Comparative performance tests and validation of NDT methods for concrete testing [J].Journal of Nondestructive Evaluation,2008,27 (1)：59―65.
[15]徐长武,任志刚,荣耀,等.小直径钢管混凝土密实度的超声波检测试验[J].武汉理工大学学报,2013,35(3)：88―92.Xu Changwu,Ren Zhigang,Rong Yao,et al.Experimental of ultrasonic testing on compactedness of small diameter concrete filled steel tube [J].Journal of Wuhan University of Technology,2013,35(3)：88―92.(in Chinese)
[16]檀永杰,徐波,吴智敏,等.基于超声对测法的钢管混凝土脱空检测试验[J].建筑科学与工程学报,2012,29(2)：102―110.Tan Yongjie,Xu Bo,Wu Zhimin,et al.Experiment on void area testing of concrete filled steel tube based on ultrasonic testing method [J].Journal of Architecture and Civil Engineering,2012,29(2)：102―110.( in Chinese).
[17]Dong Wei,Wu Zhimin,Zhou Xiangming,et al.Experimental studies on void detection in concrete-filled steel tubes using ultrasound [J].Construction and Building Materials,2016,128(12)：154―162.
[18]林维正,秦效启,陈之毅,等.方形钢管混凝土超声波检测技术[J].建筑材料学报,2003(2)：190―194.Lin Weizheng,Qin Xiaoqi,Chen Zhiyi,et al.Ultrasonic testing for square steel-pipe concrete [J].Journal of Building Materials,2003,6(2)：190―194.(in Chinese)