超音波法与敲击回音法检测钢筋混凝土梁柱接头

D0I:10.13374.issn1001-053x.2012.10.018 第34卷第10期 北京科技大学学报 Vol.34 No.10 2012年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2012 超音波法与敲击回音法检测钢筋混凝土梁柱接头 吴志兴四 蔡壁合 屏东科技大学土木工程系，屏东 ☒通信作者，E-mail:wuch@mail.pust.eu.com.tw 摘要本文用超音波法及敲击回音法分别以斜向对打量测实体柱、不同厚度之块状试体、十字形试体及实体梁柱接头之压 力波波速值，并与上述各试体之超音波直接对打量测的压力波波速值作比较，以评估斜向对打量测波速压力波之准确性，藉 以探讨以斜向对打量测波速压力波值来检测梁柱接头混凝土质量之可行性.试验结果显示：超音波法于面宽40cm之实体柱 量测，当接收器偏距大于40cm时，其波速值会明显下降：但敲击回音法以直径3m钢球作敲击源，接收器偏距超过70cm波 速值才会呈现下降趋势，以直径6mm钢球做量测则接收器偏距可达100cm,若以直径9mm钢球或铁锤做量测，接收器偏距达 300cm时，波速值仍未呈下降趋势.各试体之试验结果皆显示，超音波法之量测波速值基本上随接收器偏距增加而下降，但敲 击回音法之波速值却不受偏距影响，其波速值与超音波直接对打值比较，误差皆在±3%以内 关键词钢筋混凝土：接头：超音波：敲击回音法 分类号TU375 Detecting the reinforced concrete beam/column joints by ultrasonic wave and impact-echo methods WU Chi-hsing,CAl Bi-he Department of Civil Engineering,Pingtung University of Science and Technology,Pingtung,China Taipei Corresponding author,E-mail:wuch@mail.npust.edu.com.tw ABSTRACT This paper used an ultrasonic wave method and an impact-echo method to measure pressure wave velocities in full scale columns,block specimens with different thickness,cruciform specimens,and beam/column joints by obliquely placing transducers on the opposite faces.The results were then compared with those by direct measurement using an ultrasonic device to evaluate the accuracy of oblique measurement.The feasibility of quality evaluation for the concrete at the beam/column joint using the measured pressure wave velocities by oblique measurement was discussed.The test results showed that,the measured wave velocity went down sharply when the wave receiver deviated more than 40 cm for the measurement on a 40 cm width full scale column by the ultrasonic wave method.However,the measured wave velocity would begin to go down when the wave receiver deviated more than 70 cm using a 3 mm diameter steel ball as the impacting wave source by the impact-echo method.Using a 6 mm diameter steel ball,the deviation distance could reach up to 100 cm.Using a 9mm diameter steel ball or a small hammer,the measured wave velocity would not go down even when the deviation distance was up to 300 cm.All test results on the specimens showed that,the wave velocity measured by the ultrasonic wave method basically went down when the deviation distance of the receiver increased,but the wave velocity measured by the impact-echo method was not affected.When compared with ultrasonic direct measurement,the wave velocity errors of the impact- echo method were well within t3%. KEY WORDS reinforced concrete:joints:ultrasonic waves:impact-echo method 建筑工程施工时，混凝土的浇置常是影响工程 头处钢筋绑扎密集，容易产生孔洞和蜂窝.然而，目 品质的要点之一，但由于施工质量管理不易，常导致 前对于梁柱接头浇置是否密实的检测技术阙如，其 建筑物浇置混凝土时产生许多瑕疵，尤其在梁柱接 混凝土施工质量的良窳常无法得知. 收稿日期：20110807

第 34 卷 第 10 期 2012 年 10 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 10 Oct． 2012 超音波法与敲击回音法检测钢筋混凝土梁柱接头 吴志兴! 蔡璧合 屏东科技大学土木工程系，屏东 !通信作者，E-mail: wuch@ mail． npust． edu． com． tw 摘 要 本文用超音波法及敲击回音法分别以斜向对打量测实体柱、不同厚度之块状试体、十字形试体及实体梁柱接头之压 力波波速值，并与上述各试体之超音波直接对打量测的压力波波速值作比较，以评估斜向对打量测波速压力波之准确性，藉 以探讨以斜向对打量测波速压力波值来检测梁柱接头混凝土质量之可行性． 试验结果显示: 超音波法于面宽 40 cm 之实体柱 量测，当接收器偏距大于 40 cm 时，其波速值会明显下降; 但敲击回音法以直径 3 mm 钢球作敲击源，接收器偏距超过 70 cm 波 速值才会呈现下降趋势，以直径 6 mm 钢球做量测则接收器偏距可达 100 cm，若以直径 9 mm 钢球或铁锤做量测，接收器偏距达 300 cm 时，波速值仍未呈下降趋势． 各试体之试验结果皆显示，超音波法之量测波速值基本上随接收器偏距增加而下降，但敲 击回音法之波速值却不受偏距影响，其波速值与超音波直接对打值比较，误差皆在 ± 3% 以内． 关键词 钢筋混凝土; 接头; 超音波; 敲击回音法 分类号 TU375 Detecting the reinforced concrete beam /column joints by ultrasonic wave and impact-echo methods WU Chi-hsing!，CAI Bi-he Department of Civil Engineering，Pingtung University of Science and Technology，Pingtung，China Taipei !Corresponding author，E-mail: wuch@ mail． npust． edu． com． tw ABSTRACT This paper used an ultrasonic wave method and an impact-echo method to measure pressure wave velocities in full scale columns，block specimens with different thickness，cruciform specimens，and beam/column joints by obliquely placing transducers on the opposite faces． The results were then compared with those by direct measurement using an ultrasonic device to evaluate the accuracy of oblique measurement． The feasibility of quality evaluation for the concrete at the beam/column joint using the measured pressure wave velocities by oblique measurement was discussed． The test results showed that，the measured wave velocity went down sharply when the wave receiver deviated more than 40 cm for the measurement on a 40 cm width full scale column by the ultrasonic wave method． However，the measured wave velocity would begin to go down when the wave receiver deviated more than 70 cm using a 3 mm diameter steel ball as the impacting wave source by the impact-echo method． Using a 6 mm diameter steel ball，the deviation distance could reach up to 100 cm． Using a 9 mm diameter steel ball or a small hammer，the measured wave velocity would not go down even when the deviation distance was up to 300 cm． All test results on the specimens showed that，the wave velocity measured by the ultrasonic wave method basically went down when the deviation distance of the receiver increased，but the wave velocity measured by the impact-echo method was not affected． When compared with ultrasonic direct measurement，the wave velocity errors of the impact￾echo method were well within ± 3% ． KEY WORDS reinforced concrete; joints; ultrasonic waves; impact-echo method 收稿日期: 2011--08--07 建筑工程施工时，混凝土的浇置常是影响工程 品质的要点之一，但由于施工质量管理不易，常导致 建筑物浇置混凝土时产生许多瑕疵，尤其在梁柱接 头处钢筋绑扎密集，容易产生孔洞和蜂窝． 然而，目 前对于梁柱接头浇置是否密实的检测技术阙如，其 混凝土施工质量的良窳常无法得知． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.10.018

第10期 吴志兴等：超音波法与敲击回音法检测钢筋混凝土梁柱接头 ·1227· 应力波是非破坏性检测常用的方法，其常以量 图1(a).对梁柱接头常无法做直接面对面对打，仅 测应力波速来检测混凝土裂缝深度、内部暇疵、保护 能做如图1(b)之斜向对打. 层厚度、混凝土强度、动态弹性模数，或评估混凝土 接 质量等，甚至亦可检测钢筋混凝土结构物之钢筋 a 强度-) 发射 收 探 常见的应力波动检测法有超音波检测法和敲击 检测体 回音法二种.超音波是用压电材料为探头来产生超 音波源.为了减少传递衰减和散射问题，一般用于 混凝土量测是低频超音波探头，频率范围为50kHz 至60kHzB-).敲击回音法是1983年由Carino及 图1超音波直接传递法示意图.(a)直接对打：(b)斜向对打 Fig.I Schematic diagram for the ultrasonic direct transmission meth- Sansalone.io研究发展出来的，是以机械性敲击产 od.(a)directly opposite facing:(b)obliquely opposite facing 生低频暂态应力波的非破坏性检测法 本文将探讨用应力波检测法来检测梁柱接头混 1.2敲击回音法之量测原理 凝土质量之可行性，采用应力波检测法之超音波法 敲击回音法量测混凝土内部压力波速，必须先 和敲击回音法分别量测梁柱接头处之压力波波速， 做如图2(a)之配置，量测混凝土表面之压力波速 藉以评估混凝土质量.基本上，传统超音波法量测 值，然后再做如图2(b)配置来量测混凝土内部之压 混凝土压力波速的探头配置是用直接传递法，亦即 力波速.如图2(a)所示之表面量测，敲击源和两加 将两探头置于构件相对两侧，以直接面对面对打方 速规皆置于同一表面，将两加速规距离L除以由波 式量测传递时间后，再计算波速值.对于梁柱接头 形分析仪之时域波形所读得之压力波到达时间差 常因结构型状限制，仅能做斜向对打，无法做直接对 △，即可得表面之压力波波速 打量测.然而，斜向对打能否量得正确波速值，以及 L (2) 可量得正确压力波速值的最大斜向偏距等问题为本 文探讨之重点.敲击回音法做斜向对打量测的布置 由图2(b)之配置，波形分析仪可读得压力波到 是将敲击源和一加速规分别取代原超音波之发射探 两加速规的传递时间差△1。，欲求波源到达第二加 头和接收探头位置，另一加速规置于敲击源附近来 速规之传递时间t。,则须再加上波源到第一加速规 量测波速值.最后将上述之两种方法和超音波直接 传递时间t1,而t1=a/C。,故得波源到达第二加速规 对打所得结果作分析比较，以评估此二法检测梁柱 之传递时间 接头混凝土质量的可行性. t。=△tp+i1: (3) 1 量测原理 再将试体厚度L除以t。,则可得压力波在该试体内 部传递之速度 1.1超音波法之量测原理 L (4) 本文运用应力波检测法之超音波法与敲击回音 Cp= 法检测钢筋混凝土梁柱接头之应力波速值.应力波 理论上，均质材料之表面波速与内部之应力波 则分为压力波(P波)、剪力波(S波)和表面波(R 应一致，但混凝土本身为骨材水泥胶体，由于空隙的 波)三种6.0，其中压力波之波速为最快.当用超音 存在造成其内部材质不均，其波速值可能会随位置 波直接传递法量测压力波速时，超音波产生器之发 不同而改变.加上施工过程的变异性，其波速值会 射探头于结构体表面激发应力波源，此应力波传递 a） 山成山源 第 于结构体中，另一面的接收探头被先到达之压力波 加速规 所激发，依此，超音波可量测压力波在结构体内的传 山 第一 加速规 递时间t。,则压力波速C,计算如下： 体 第一加速规第二加速规 (1) 检测体 式中，L为两探头之间距 图2敲击回音法配置示意图.(a)表面量测：(b)对打量测 在直接传递法，其波源和接收器分别置于试体 Fig.2 Schematic diagram for the impact-echo method.(a)surface 之相对两侧做直接面对面对打量测，配置分别如 measurement:(b)opposite measurement

第 10 期 吴志兴等: 超音波法与敲击回音法检测钢筋混凝土梁柱接头 应力波是非破坏性检测常用的方法，其常以量 测应力波速来检测混凝土裂缝深度、内部暇疵、保护 层厚度、混凝土强度、动态弹性模数，或评估混凝土 质量等，甚至亦可检测钢筋混凝土结构物之钢筋 强度［1--4］． 常见的应力波动检测法有超音波检测法和敲击 回音法二种． 超音波是用压电材料为探头来产生超 音波源． 为了减少传递衰减和散射问题，一般用于 混凝土量测是低频超音波探头，频率范围为 50 kHz 至 60 kHz ［5--9］． 敲击回音法是 1983 年由 Carino 及 Sansalone ［4，10］研究发展出来的，是以机械性敲击产 生低频暂态应力波的非破坏性检测法． 本文将探讨用应力波检测法来检测梁柱接头混 凝土质量之可行性，采用应力波检测法之超音波法 和敲击回音法分别量测梁柱接头处之压力波波速， 藉以评估混凝土质量． 基本上，传统超音波法量测 混凝土压力波速的探头配置是用直接传递法，亦即 将两探头置于构件相对两侧，以直接面对面对打方 式量测传递时间后，再计算波速值． 对于梁柱接头 常因结构型状限制，仅能做斜向对打，无法做直接对 打量测． 然而，斜向对打能否量得正确波速值，以及 可量得正确压力波速值的最大斜向偏距等问题为本 文探讨之重点． 敲击回音法做斜向对打量测的布置 是将敲击源和一加速规分别取代原超音波之发射探 头和接收探头位置，另一加速规置于敲击源附近来 量测波速值． 最后将上述之两种方法和超音波直接 对打所得结果作分析比较，以评估此二法检测梁柱 接头混凝土质量的可行性． 1 量测原理 1. 1 超音波法之量测原理 本文运用应力波检测法之超音波法与敲击回音 法检测钢筋混凝土梁柱接头之应力波速值． 应力波 则分为压力波( P 波) 、剪力波( S 波) 和表面波( R 波) 三种［5，10］，其中压力波之波速为最快． 当用超音 波直接传递法量测压力波速时，超音波产生器之发 射探头于结构体表面激发应力波源，此应力波传递 于结构体中，另一面的接收探头被先到达之压力波 所激发，依此，超音波可量测压力波在结构体内的传 递时间 tp，则压力波速 Cp计算如下: Cp = L tp ． ( 1) 式中，L 为两探头之间距． 在直接传递法，其波源和接收器分别置于试体 之相对两侧做直接面对面对打量测，配置分别如 图 1( a) ． 对梁柱接头常无法做直接面对面对打，仅 能做如图 1( b) 之斜向对打． 图 1 超音波直接传递法示意图． ( a) 直接对打; ( b) 斜向对打 Fig． 1 Schematic diagram for the ultrasonic direct transmission meth￾od． ( a) directly opposite facing; ( b) obliquely opposite facing 1. 2 敲击回音法之量测原理 敲击回音法量测混凝土内部压力波速，必须先 做如图 2( a) 之配置，量测混凝土表面之压力波速 值，然后再做如图 2( b) 配置来量测混凝土内部之压 力波速． 如图 2( a) 所示之表面量测，敲击源和两加 速规皆置于同一表面，将两加速规距离 L'除以由波 形分析仪之时域波形所读得之压力波到达时间差 Δt' p，即可得表面之压力波波速 C' p = L' Δt' p ． ( 2) 图 2 敲击回音法配置示意图． ( a) 表面量测; ( b) 对打量测 Fig． 2 Schematic diagram for the impact-echo method． ( a) surface measurement; ( b) opposite measurement 由图 2( b) 之配置，波形分析仪可读得压力波到 两加速规的传递时间差 Δtp，欲求波源到达第二加 速规之传递时间 tp，则须再加上波源到第一加速规 传递时间 t1，而 t1 = a /C' p，故得波源到达第二加速规 之传递时间 tp = Δtp + t1 ． ( 3) 再将试体厚度 L 除以 tp，则可得压力波在该试体内 部传递之速度 Cp = L tp ． ( 4) 理论上，均质材料之表面波速与内部之应力波 应一致，但混凝土本身为骨材水泥胶体，由于空隙的 存在造成其内部材质不均，其波速值可能会随位置 不同而改变． 加上施工过程的变异性，其波速值会 ·1227·

·1228· 北京科技大学学报 第34卷 因施工质量不同而变化，表面之压力波速与内部传 成的仪器，发射频率为54kHz 递之压力波速亦可能不同，此变异性亦是本文能以 (3)敲击回音量测系统 压力波速值来检测混凝土质量之依据 ①钢球.本试验用来激发波源，使用之钢球直 径为3mm、6mm和9mm. 2 量测设备与试验安排 ②敲击锤.本试验亦用来激发波动能量，敲击 2.1量测设备 锤头为半圆形，直径6mm、质量0.092kg. 本研究量测试验所使用之仪器设备为携带式超 ③加速规与波形讯号放大器.PCB Piezotronics 音波仪及敲击回音试验系统，各系统之设备如图3 353B65型，直径大小为8mm,波形讯号放大器PCB 及以下之仪器介绍. Piezotronics 480C02. (1)钢筋位置探测仪.Proceq公司之Proforme- ④波形分析仪.主要功能是将加速规所撷取 ter4携带式钢筋位置探测仪扫瞄探头于检测体上 到之模拟讯号，转换为数字数据，再以时间域显示在 来回进行扫描，读取最小读数得知钢筋位置 画面上，可供判读波传到达的时间.本研究采用的 (2)数字超音波仪.C0NTR0LS58-E48型，由 讯号分析仪为LeCroy WaveRunner LT322型波形分 超音波产生器与二个直径5cm的超音波探头所组 析仪 图3量测设备.(a)钢筋位置探测仪：(b)超音波仪：(c)波形讯号放大器和加速规：(d)3mm、6mm和9mm之钢球：(c)铁锤：(0波 形分析仪 Fig.3 Measuring devices.(a)steel ball detector:(b)ultrasonic instrument:(e)waveform signal amplifier:(d)3mm,6mm and 9 mm steel balls;(e)hammer;(f)waveform analyzer and accelerometer 2.2试验安排 离L'=30cm,以铁锤为敲击源量测波传传递时间 2.2.1实体柱之量测规划 △。，代入式(1)求得表面压力波波速，量测三次取 勘查现有结构物，选择一40×40×325cm柱进 平均值作为表面量测之压力波速C, 行试验，首先使用钢筋位置探测仪找出柱体钢筋位 敲击回音法量测经由柱体内压力波速之配置则 置，然后在柱体沿中央主筋布置间隔10cm之测点 如图4(b)所示，基本上是将敲击源及一加速规分别 共30个，量测面宽为40cm.先在无钢筋处任取3 置于超音波发射探头和接收探头的位置，另一加速 处做超音波直接对打量测压力波波速，代入(1)式 规置于敲击源同侧，进行斜向对打量测.敲击源有 量测三次取平均值作为梁柱之C,值.然后将超音波 直径3mm、6mm和9mm钢球和铁锤.量测时，由时 法做斜向对打量测，发射探头固定于一侧的最低测 域波形读得△t。,将C和△t,值代入式(3)可求得t。, 点，而接收探头沿另一侧的测点逐次移动做量测 再将t,代入式(4)即可求得敲击回音之压力波速 最低测点高度为25cm,其配置如图4(a)所示. C。·最后再将两法所量测之压力波波速值与超音波 敲击回音法量测前对于示波器之取样点数n和 取样间隔△t时间必须先行设定，本量测设定n= 对打之压力波速值C作比较，以评估其可行性. 10°，△1=1μs,则可得记录时间为 2.2.2仿真梁柱接头之十字形试体量测规划 T=n…△t=103us, 制作一仿真梁柱接头之十字形试体如图5所 频率分辨率为 示6-，其梁和柱断面尺寸分别为30cm×40cm和 1 30cm×30cm.各试体设计强度皆为28MPa,并同时 4=n410x1x109=10及 制作三个Φl5cm×30cm之圆柱试体做抗压强度试 敲击回音斜向对打须先测得敲击源一侧之侧表 验作为参考，其试验值如表1所示.由表1可知混 面压力波波速，如图2(a)之配置，敲击源与第一加 凝土试体平均抗压强度为29.6MPa. 速规距离a'=15cm,而第一加速规与第二加速规距 将测点布置于梁柱接头之梁腹中央距离柱面左

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 因施工质量不同而变化，表面之压力波速与内部传 递之压力波速亦可能不同，此变异性亦是本文能以 压力波速值来检测混凝土质量之依据． 2 量测设备与试验安排 2. 1 量测设备 本研究量测试验所使用之仪器设备为携带式超 音波仪及敲击回音试验系统，各系统之设备如图 3 及以下之仪器介绍． ( 1) 钢筋位置探测仪． Proceq 公司之 Proforme￾ter 4 携带式钢筋位置探测仪扫瞄探头于检测体上 来回进行扫描，读取最小读数得知钢筋位置． ( 2) 数字超音波仪． CONTROLS 58--E48 型，由 超音波产生器与二个直径 5 cm 的超音波探头所组 成的仪器，发射频率为 54 kHz． ( 3) 敲击回音量测系统． ① 钢球． 本试验用来激发波源，使用之钢球直 径为 3 mm、6 mm 和 9 mm． ② 敲击锤． 本试验亦用来激发波动能量，敲击 锤头为半圆形，直径 6 mm、质量 0. 092 kg． ③ 加速规与波形讯号放大器． PCB Piezotronics 353B65 型，直径大小为 8 mm，波形讯号放大器 PCB Piezotronics 480C02 型． ④ 波形分析仪． 主要功能是将加速规所撷取 到之模拟讯号，转换为数字数据，再以时间域显示在 画面上，可供判读波传到达的时间． 本研究采用的 讯号分析仪为 LeCroy WaveRunner LT322 型波形分 析仪． 图 3 量测设备． ( a) 钢筋位置探测仪; ( b) 超音波仪; ( c) 波形讯号放大器和加速规; ( d) 3 mm、6 mm 和9 mm 之钢球; ( e) 铁锤; ( f) 波 形分析仪 Fig． 3 Measuring devices． ( a) steel ball detector; ( b) ultrasonic instrument; ( c) waveform signal amplifier; ( d) 3 mm，6 mm and 9 mm steel balls; ( e) hammer; ( f) waveform analyzer and accelerometer 2. 2 试验安排 2. 2. 1 实体柱之量测规划 勘查现有结构物，选择一 40 × 40 × 325 cm 柱进 行试验，首先使用钢筋位置探测仪找出柱体钢筋位 置，然后在柱体沿中央主筋布置间隔 10 cm 之测点 共 30 个，量测面宽为 40 cm． 先在无钢筋处任取 3 处做超音波直接对打量测压力波波速，代入( 1) 式 量测三次取平均值作为梁柱之 Cp值． 然后将超音波 法做斜向对打量测，发射探头固定于一侧的最低测 点，而接收探头沿另一侧的测点逐次移动做量测． 最低测点高度为 25 cm，其配置如图 4( a) 所示． 敲击回音法量测前对于示波器之取样点数 n 和 取样间隔 Δt 时间必须先行设定，本量测设定 n = 105 ，Δt = 1 μs，则可得记录时间为 T = n·Δt = 105 μs， 频率分辨率为 Δf = 1 n·Δt = 1 105 × ( 1 × 10 － 6 ) = 10 Hz． 敲击回音斜向对打须先测得敲击源一侧之侧表 面压力波波速，如图 2( a) 之配置，敲击源与第一加 速规距离 a' = 15 cm，而第一加速规与第二加速规距 离 L' = 30 cm，以铁锤为敲击源量测波传传递时间 Δt' p，代入式( 1) 求得表面压力波波速，量测三次取 平均值作为表面量测之压力波速 C' p ． 敲击回音法量测经由柱体内压力波速之配置则 如图 4( b) 所示，基本上是将敲击源及一加速规分别 置于超音波发射探头和接收探头的位置，另一加速 规置于敲击源同侧，进行斜向对打量测． 敲击源有 直径 3 mm、6 mm 和 9 mm 钢球和铁锤． 量测时，由时 域波形读得 Δtp，将 C' p和 Δtp值代入式( 3) 可求得 tp， 再将 tp代入式( 4) 即可求得敲击回音之压力波速 Cp ． 最后再将两法所量测之压力波波速值与超音波 对打之压力波速值 Cp作比较，以评估其可行性． 2. 2. 2 仿真梁柱接头之十字形试体量测规划 制作一仿真梁柱接头之十字形试体如图 5 所 示［6--8］，其梁和柱断面尺寸分别为 30 cm × 40 cm 和 30 cm × 30 cm． 各试体设计强度皆为 28 MPa，并同时 制作三个 15 cm × 30 cm 之圆柱试体做抗压强度试 验作为参考，其试验值如表 1 所示． 由表 1 可知混 凝土试体平均抗压强度为 29. 6 MPa． 将测点布置于梁柱接头之梁腹中央距离柱面左 ·1228·

第10期 吴志兴等：超音波法与敲击回音法检测钢筋混凝土梁柱接头 ·1229· 40 40 为af、be、cd、dc、eb和f-a.先于敲击源一测 做表面量测求得该侧表面之压力波波速，取a'= 第 15cm,L=30cm,量测所得波的传递时间△，代入 三 发射 加 式(2)求得表面压力波波速，量测三次取其平均值 规 加速规 作为C。.将经由时域波形读得之△t,和C:值再代入 式(3)可求得总波传时间，然后由式(4)可计算出 压力波波速值C。·将所得之超音波直接对打波速值 与超音波斜向对打和敲击回音斜向对打波速值作比 被击源 较.敲击回音法中皆以铁锤为敲击源做量测 图4实体柱之量测示意图（单位：cm).(a)超音波斜向对打量 测：(b)敲击回音斜向对打量测 侧 后侧 Fig.4 Schematic diagram of measuring the full scale column (unit cm):(a)obliquely opposite measurement of the ultrasonic wave method:(b)obliquely opposite measurement of the impact-echo method 前侧 右侧各取10cm、20cm和30cm作为超音波直接对 打量测.另以超音波做斜向对打，在与直接对打量 测相同之测点做斜向量测.至于敲击回音做斜向对 30 35 打量测时，将超音波发射探头及接收探头分别由敲 下侧 击源和一加速规取代，而于a=5cm处另设置一加 图5十字形试体侧别示意图（单位：cm) 速规进行量测，量测配置如图6所示，直接对打路径 Fig.5 Schematic diagram for the sides of the cruciform specimen 为a-a、bb、c℃、d-d、e一e和f-f,而斜向对打路径 (unit:cm) 1010105- 第一加速规 第一加速规 h 第加速规d 柱 梁 柱 +田+由+ h c de f 第一加速规 5555555 555l5l6l6s 5555555 30 30 d 10J0105 5555555 5555555 第 TInI TITT h c d e f 加 a h e d e f 带 十甲+甲+甲 +0+甲+ 第一加速规 敲 第一加速规 第一加速规 源 5555555 图6十字形试体斜向对打测点配置（单位：cm).(a)前后侧对打俯视图：(b)上下侧对打仰视图；(）前后侧对打前视图：(d)上下侧对 打前视图 Fig.6 Measurement points on the cruciform specimen by obliquely opposite measurement.(a)top view on front/rear measurement;(b)bottom view on top/bottom measurement:(c)front view on front/rear measurement;(d)front view on top/bottom measurement 2.2.3现有实体梁柱接头量测之规划 实体梁柱接头做量测.选择之梁柱接头之梁及柱断 因制作之梁柱接头为混凝土试体，非钢筋混凝 面尺寸分别为28.5×77cm和40×40cm.量测配置 土结构，故以屏东科技大学土木系馆所勘查的现有 方式与十字形试体配置相同，但因结构形状之限制

第 10 期 吴志兴等: 超音波法与敲击回音法检测钢筋混凝土梁柱接头 图 4 实体柱之量测示意图( 单位: cm) ． ( a) 超音波斜向对打量 测; ( b) 敲击回音斜向对打量测 Fig． 4 Schematic diagram of measuring the full scale column ( unit: cm) : ( a ) obliquely opposite measurement of the ultrasonic wave method; ( b ) obliquely opposite measurement of the impact-echo method 右侧各取 10 cm、20 cm 和 30 cm 作为超音波直接对 打量测． 另以超音波做斜向对打，在与直接对打量 测相同之测点做斜向量测． 至于敲击回音做斜向对 打量测时，将超音波发射探头及接收探头分别由敲 击源和一加速规取代，而于 a = 5 cm 处另设置一加 速规进行量测，量测配置如图 6 所示，直接对打路径 为 a--a、b--b、c--c、d--d、e--e 和 f--f，而斜向对打路径 为 a--f、b--e、c--d、d--c、e--b 和 f--a． 先于敲击源一测 做表面量测求得该侧表面之压力波波速，取 a' = 15 cm，L' = 30 cm，量测所得波的传递时间 Δt' p，代入 式( 2) 求得表面压力波波速，量测三次取其平均值 作为 C' p ． 将经由时域波形读得之 Δtp和 C' p值再代入 式( 3) 可求得总波传时间 tp，然后由式( 4) 可计算出 压力波波速值 Cp ． 将所得之超音波直接对打波速值 与超音波斜向对打和敲击回音斜向对打波速值作比 较． 敲击回音法中皆以铁锤为敲击源做量测． 图 5 十字形试体侧别示意图( 单位: cm) Fig． 5 Schematic diagram for the sides of the cruciform specimen ( unit: cm) 图 6 十字形试体斜向对打测点配置( 单位: cm) ． ( a) 前后侧对打俯视图; ( b) 上下侧对打仰视图; ( c) 前后侧对打前视图; ( d) 上下侧对 打前视图 Fig． 6 Measurement points on the cruciform specimen by obliquely opposite measurement． ( a) top view on front /rear measurement; ( b) bottom view on top /bottom measurement; ( c) front view on front /rear measurement; ( d) front view on top /bottom measurement 2. 2. 3 现有实体梁柱接头量测之规划 因制作之梁柱接头为混凝土试体，非钢筋混凝 土结构，故以屏东科技大学土木系馆所勘查的现有 实体梁柱接头做量测． 选择之梁柱接头之梁及柱断 面尺寸分别为 28. 5 × 77 cm 和 40 × 40 cm． 量测配置 方式与十字形试体配置相同，但因结构形状之限制， ·1229·

·1230· 北京科技大学学报 第34卷 只做前后侧量测.先以超音波直接对打量测梁前后 3 试验结果与讨论 侧之压力波速作为梁柱接头处之压力波速参考值， 再分别以超音波斜向对打及敲击回音斜向对打量 3.1实体柱之量测结果 测，其结果与超音波对打量测之压力波速值作比较， 于实体柱之无钢筋处取三处做超音波直接对打 以评估梁柱接头之质量.超音波斜向对打量测配置 量测，再代入式(1)计算压力波速，量测三次之平均 为将发射探头置于a,接收探头置于f,测点间隔 波速值C。=4056ms-1 10cm,而敲击回音量测配置如图7所示. 于柱体中央主筋处做超音波法斜向对打量测压 表1混凝土试体抗压强度之结果 力波速值，发射探头固定于一侧之高度25cm处，而 Table 1 Compressive strength test results of the concrete specimens 接收探头则置于相对侧，以间隔10cm逐次移动进 试体形状设计强度/MPa抗压强度/MPa平均抗压强度/MPa 行量测，将各量测之传递时间t,代入式(1)计算波 十字形 28 30.7,28.4,29.7 29.6 速，其量测结果列于表2中.敲击回音斜向对打量 测则先于敲击源一侧量测该侧表面之压力波速值. 其三次量测之平均波速值C:=4061m·s1,与超音 10.10.10.5 第 波直接对打值4056m·s1非常接近.再分别以直径 加 3、6和9mm之钢球和铁锤做斜向对打量测.兹以直 径3mm钢球于测点1之量测为例作说明，该量测之 梁 时域波形图如图8所示.由图8之波形图读得波传 敲击源 时间△1，=87us,但此波传时间并非总波传时间t。, 第一加速规 必须加上由表面量测法所得之t1·将a=5cm和 5555555 C:=4061m·s-1代入t1=a/C得t1=12.3μs,由 图7敲击音回法斜向对打量测梁柱接头之测点配置（单位：cm) 式(3)可得t。=99.3us,再以式(4)计算得柱内部混 Fig.7 Measurement points on the beam-column joint by the oblique- 凝土压力波速C。=4038m·s,该量测结果列于 ly opposite measurement of the impact-echo method 表2中. 表2实体柱之波速量测结果 Table 2 Wave velocity test results measured on the full scale column 敲击回音 接收器 超声波 3mm制球 6mm钢球 9mm钥球 铁锤 高度，偏距，波传 波速，相对 TI 测点Hl△Ⅲ距离， C/误差/ ,茨遮，相时 误器4以泼速，相时 误装/H茨速，相时 C,误差1 /效德，相睛 C,/误差/ cm em Lem (s% (ms-% (ms-是 125040.1100.73982-1.887.099.34083-0.486.799.04051-0.186.298.540710.487.299.54030-0.6 2 35 1041.3105.83906-3.790.0102.34040-0.490.2102.54032-0.689.2101.540720.489.2101.54072 0.4 3 452044.811853983-1.899.0111.34026-0.798.2110.540550.098.7111.04037-0.597.7110.04074 0.4 4 5530 50.1126.13971-2.1110.5122.840780.5111.2123.540550.0112.2124.54022-0.8111.2123.54055 0.0 6540 56.6144.43922-3.3130.0142.33980-1.9127.7140.04046-0.3127.7140.04046-0.3127.7140.04046-0.3 6 7550 64.1212.93011-25.8149.0161.33974-2.0147.2159.54018-0.9145.2157.540690.3147.2159.54018-0.9 7 85 60 72.2309.32333-42.5170.018233959-2.4164.2176.540890.8166.2178.54043-0.3166.6178.94034 -0.5 95 7080.7280.02881-29.0190.020233988-1.7191.7204.03955-251862198.54064 0.2186.7199.04054-0.1 9 105 8089.5352.02542-37.3221.5233.83828-5.6212.7225.0397-1.9206.7219.04086 07209.7222.04031-0.6 10 115 90 98.5517.81903-53.12423254.63870-4.6238.2250.53933-3.0230.2242.54063 0.2231.724.04038-0.4 11125 100 107.7 291.5303.83546-12.6259.7272.03961-2.3251.2263.5408908255.2267.54028 -0.7 12 135 110117.1 306.2318.53676-9.4294.2306.53820-5.8277.2289.54044-0.3277.2289.54044-0.3 13145120126.5 327.7340.03721-8.3326.7339.03732-80298.2310.540750.5300.7313.04042-0.3

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 只做前后侧量测． 先以超音波直接对打量测梁前后 侧之压力波速作为梁柱接头处之压力波速参考值， 再分别以超音波斜向对打及敲击回音斜向对打量 测，其结果与超音波对打量测之压力波速值作比较， 以评估梁柱接头之质量． 超音波斜向对打量测配置 为将发射探头置于 a，接收探头置于 f，测点间隔 10 cm，而敲击回音量测配置如图 7 所示． 表 1 混凝土试体抗压强度之结果 Table 1 Compressive strength test results of the concrete specimens 试体形状 设计强度/MPa 抗压强度/MPa 平均抗压强度/MPa 十字形 28 30. 7，28. 4，29. 7 29. 6 图 7 敲击音回法斜向对打量测梁柱接头之测点配置( 单位: cm) Fig． 7 Measurement points on the beam-column joint by the oblique￾ly opposite measurement of the impact-echo method 3 试验结果与讨论 3. 1 实体柱之量测结果 于实体柱之无钢筋处取三处做超音波直接对打 量测，再代入式( 1) 计算压力波速，量测三次之平均 波速值 Cp = 4 056 m·s － 1 ． 于柱体中央主筋处做超音波法斜向对打量测压 力波速值，发射探头固定于一侧之高度 25 cm 处，而 接收探头则置于相对侧，以间隔 10 cm 逐次移动进 行量测，将各量测之传递时间 tp代入式( 1) 计算波 速，其量测结果列于表 2 中． 敲击回音斜向对打量 测则先于敲击源一侧量测该侧表面之压力波速值． 其三次量测之平均波速值 C' p = 4 061 m·s － 1 ，与超音 波直接对打值 4 056 m·s － 1 非常接近． 再分别以直径 3、6 和9 mm 之钢球和铁锤做斜向对打量测． 兹以直 径 3 mm 钢球于测点 1 之量测为例作说明，该量测之 时域波形图如图 8 所示． 由图 8 之波形图读得波传 时间 Δtp = 87 μs，但此波传时间并非总波传时间 tp， 必须加上由表面量测法所得之 t1 ． 将 a = 5 cm 和 C' p = 4 061 m·s － 1 代入 t1 = a /C' p 得 t1 = 12. 3 μs，由 式( 3) 可得 tp = 99. 3 μs，再以式( 4) 计算得柱内部混 凝土压力波速 Cp = 4 038 m·s － 1 ，该量测结果列于 表 2 中． 表 2 实体柱之波速量测结果 Table 2 Wave velocity test results measured on the full scale column 接收器 超声波 敲击回音 3 mm 钢球 6 mm 钢球 9 mm 钢球 铁锤 测点 高度， H/ cm 偏距， ΔH/ cm 波传 距离， L /cm Tp / μs 波速， Cp / ( m·s － 1 ) 相对 误差/ % Δtp / μs tp / μs 波速， Cp / ( m·s － 1 ) 相对 误差/ % Δtp / μs tp / μs 波速， Cp / ( m·s － 1 ) 相对 误差/ % Δtp / μs tp / μs 波速， Cp / ( m·s － 1 ) 相对 误差/ % Δtp / μs tp / μs 波速， Cp / ( m·s － 1 ) 相对 误差/ % 1 25 0 40. 1 100. 7 3 982 － 1. 8 87. 0 99. 3 4 083 － 0. 4 86. 7 99. 0 4 051 － 0. 1 86. 2 98. 5 4 071 0. 4 87. 2 99. 5 4 030 － 0. 6 2 35 10 41. 3 105. 8 3 906 － 3. 7 90. 0 102. 3 4 040 － 0. 4 90. 2 102. 5 4 032 － 0. 6 89. 2 101. 5 4 072 0. 4 89. 2 101. 5 4 072 0. 4 3 45 20 44. 8 118. 5 3 983 － 1. 8 99. 0 111. 3 4 026 － 0. 7 98. 2 110. 5 4 055 0. 0 98. 7 111. 0 4 037 － 0. 5 97. 7 110. 0 4 074 0. 4 4 55 30 50. 1 126. 1 3 971 － 2. 1 110. 5 122. 8 4 078 0. 5 111. 2 123. 5 4 055 0. 0 112. 2 124. 5 4 022 － 0. 8 111. 2 123. 5 4 055 0. 0 5 65 40 56. 6 144. 4 3 922 － 3. 3 130. 0 142. 3 3 980 － 1. 9 127. 7 140. 0 4 046 － 0. 3 127. 7 140. 0 4 046 － 0. 3 127. 7 140. 0 4 046 － 0. 3 6 75 50 64. 1 212. 9 3 011 － 25. 8 149. 0 161. 3 3 974 － 2. 0 147. 2 159. 5 4 018 － 0. 9 145. 2 157. 5 4 069 0. 3 147. 2 159. 5 4 018 － 0. 9 7 85 60 72. 2 309. 3 2 333 － 42. 5 170. 0 182. 3 3 959 － 2. 4 164. 2 176. 5 4 089 0. 8 166. 2 178. 5 4 043 － 0. 3 166. 6 178. 9 4 034 － 0. 5 8 95 70 80. 7 280. 0 2 881 － 29. 0 190. 0 202. 3 3 988 － 1. 7 191. 7 204. 0 3 955 － 2. 5 186. 2 198. 5 4 064 0. 2 186. 7 199. 0 4 054 － 0. 1 9 105 80 89. 5 352. 0 2 542 － 37. 3 221. 5 233. 8 3 828 － 5. 6 212. 7 225. 0 3 977 － 1. 9 206. 7 219. 0 4 086 0. 7 209. 7 222. 0 4 031 － 0. 6 10 115 90 98. 5 517. 8 1 903 － 53. 1 242. 3 254. 6 3 870 － 4. 6 238. 2 250. 5 3 933 － 3. 0 230. 2 242. 5 4 063 0. 2 231. 7 244. 0 4 038 － 0. 4 11 125 100 107. 7 291. 5 303. 8 3 546 － 12. 6 259. 7 272. 0 3 961 － 2. 3 251. 2 263. 5 4 089 0. 8 255. 2 267. 5 4 028 － 0. 7 12 135 110 117. 1 306. 2 318. 5 3 676 － 9. 4 294. 2 306. 5 3 820 － 5. 8 277. 2 289. 5 4 044 － 0. 3 277. 2 289. 5 4 044 － 0. 3 13 145 120 126. 5 327. 7 340. 0 3 721 － 8. 3 326. 7 339. 0 3 732 － 8. 0 298. 2 310. 5 4 075 0. 5 300. 7 313. 0 4 042 － 0. 3 ·1230·

第10期 吴志兴等：超音波法与敲击回音法检测钢筋混凝土梁柱接头 ·1231· 续表2 敲击回音 接收器 超声波 3mm解球 6mm钢球 9mm解球 铁锤 高度，偏距，波传 T 波速，相对 波速，相对 波速，相对 波速，相对 测点HM△距离， C误差/ C,/误差I C误差1 y黄福y C,/误差1 C,误差 cm em L/em (ms）% μ5μs (m-）是 14155 130136.0 337.7350.03887-4.2232.2335.5405500326.7339.04013-1.1 15165140145.6 375.7388.03753-1.5349.2361.54028-0.7349.7362.04023-0.8 16175 150155.3 397.2409.03792-65372.7385.04033-0.6371.2383.54049-0.2 17185 160 164.9 394.2406.540580.0394.2406.540580.0 195 170 174.7 415.2427.540860.7426.7439.03937-1.9 205 180 184.4 438.2450.54094Q942.7455.04053-0.1 215 190204.0 491.2503.54051-0.1486.2498.540920.9 225 200213.8 513.2525.54068 0.3514.7527.04057 0.0 3 235 210223.6 542.7555.04029-0.7537.2549.540700.3 3 245 220 233.5 580.7593.03937-29575.2587.53974-20 255 230 243.3 582.2594.540930.959%.2608.53999-1.4 265 240 253.2 616.2628.54029-07616.7629.04025-0.8 26 275 250 263.1 638.2650.54044-0.3636.7649.04054-0.1 285 260273.0 658.2670.540710.4673.7686.03979-1.9 28 295 270 282.9 689.2701.54032-0.6678.2690.5409% 1.0 19 305 280292.8 730.7743.03940-2.9728.2740.53954-25 30315 290302.7 757.2769.53933-3.0756.7769.03936-3.0 31325 300312.6 781.2793.53939-297m.0789.33960-24 注：敲击回音之C:=4061ms,a=5cm,故，=△，+a/C:=△。+12.3μs:超音波无钢筋位置直接对打平均波速C,=4056ms1,相对 误差乃对此C,值计算而得：斜向对打波源位置高度为25cm LeCroy 大波速相对误差仅-3.7%，而接收器偏距大于 40cm时则波速值呈明显下降.在敲击回音斜向对 打用直径3mm之钢球做量测时，接收器偏距在 70cm内其波速相对误差为±5%，但超过此值则波 速值呈现下降趋势，故3mm钢球做量测之接受器最 大偏距为70cm;6mm钢球接收器最大偏距为 100cm;以直径9mm钢球和铁锤做量测，波速相对 △=87.0μs.1/△r=11.49kHz 误差皆在±3.0%以内，故接收器偏距皆可达300cm 以上.因测点之位置并未刻意避开箍筋，故于试体 图83mm钢球敲击实体柱之时域波形图 内之钢筋对于量测压力波波速无显着影响. Fig.8 Time domain wave responses of the full scale column impacted by the 3 mm steel ball 3.2仿真梁柱接头之十字形试体量测结果 将超音波直接对打量测之波传时间t,代入式 为得知超音波斜向对打与敲击回音斜向对打量 (1)计算压力波波速值C,前后侧和上下侧直接对 测之斜向偏距可行范围与钢筋对量测影响性，本文 打平均波速分别为3861ms和3839ms1.再以 将两法量测结果与超音波无钢筋位置直接对打平均 超音波斜向对打分别量测前后侧及上下侧各路径之 波速值4056ms-作比较，计算其相对误差，计算结 压力波波传时间。，再将其代入式(1)求其压力波 果亦列于表2.将压力波波速和其波速相对误差对 速C。,所得结果列于表3.先于敲击源同侧做敲击 接收器偏距作曲线图，如图9所示.由图9得知，超 回音表面量测得平均波速值为3846m·s-1.然后再 音波斜向对打量测接收器偏距在0~40cm间，其最 以斜向对打量测，兹以前后侧之a-f路径量测为例

第 10 期 吴志兴等: 超音波法与敲击回音法检测钢筋混凝土梁柱接头 续表 2 接收器 超声波 敲击回音 3 mm 钢球 6 mm 钢球 9 mm 钢球 铁锤 测点 高度， H/ cm 偏距， ΔH/ cm 波传 距离， L /cm Tp / μs 波速， Cp / ( m·s － 1 ) 相对 误差/ % Δtp / μs tp / μs 波速， Cp / ( m·s － 1 ) 相对 误差/ % Δtp / μs tp / μs 波速， Cp / ( m·s － 1 ) 相对 误差/ % Δtp / μs tp / μs 波速， Cp / ( m·s － 1 ) 相对 误差/ % Δtp / μs tp / μs 波速， Cp / ( m·s － 1 ) 相对 误差/ % 14 155 130 136. 0 337. 7 350. 0 3 887 － 4. 2 232. 2 335. 5 4 055 0. 0 326. 7 339. 0 4 013 － 1. 1 15 165 140 145. 6 375. 7 388. 0 3 753 － 7. 5 349. 2 361. 5 4 028 － 0. 7 349. 7 362. 0 4 023 － 0. 8 16 175 150 155. 3 397. 2 409. 0 3 792 － 6. 5 372. 7 385. 0 4 033 － 0. 6 371. 2 383. 5 4 049 － 0. 2 17 185 160 164. 9 394. 2 406. 5 4 058 0. 0 394. 2 406. 5 4 058 0. 0 18 195 170 174. 7 415. 2 427. 5 4 086 0. 7 426. 7 439. 0 3 937 － 1. 9 19 205 180 184. 4 438. 2 450. 5 4 094 0. 9 442. 7 455. 0 4 053 － 0. 1 20 215 190 204. 0 491. 2 503. 5 4 051 － 0. 1 486. 2 498. 5 4 092 0. 9 21 225 200 213. 8 513. 2 525. 5 4 068 0. 3 514. 7 527. 0 4 057 0. 0 22 235 210 223. 6 542. 7 555. 0 4 029 － 0. 7 537. 2 549. 5 4 070 0. 3 23 245 220 233. 5 580. 7 593. 0 3 937 － 2. 9 575. 2 587. 5 3 974 － 2. 0 24 255 230 243. 3 582. 2 594. 5 4 093 0. 9 596. 2 608. 5 3 999 － 1. 4 25 265 240 253. 2 616. 2 628. 5 4 029 － 0. 7 616. 7 629. 0 4 025 － 0. 8 26 275 250 263. 1 638. 2 650. 5 4 044 － 0. 3 636. 7 649. 0 4 054 － 0. 1 27 285 260 273. 0 658. 2 670. 5 4 071 0. 4 673. 7 686. 0 3 979 － 1. 9 28 295 270 282. 9 689. 2 701. 5 4 032 － 0. 6 678. 2 690. 5 4 096 1. 0 29 305 280 292. 8 730. 7 743. 0 3 940 － 2. 9 728. 2 740. 5 3 954 － 2. 5 30 315 290 302. 7 757. 2 769. 5 3 933 － 3. 0 756. 7 769. 0 3 936 － 3. 0 31 325 300 312. 6 781. 2 793. 5 3 939 － 2. 9 777. 0 789. 3 3 960 － 2. 4 注: 敲击回音之 C' p = 4 061 m·s － 1，a = 5 cm，故 tp = Δtp + a /C' p = Δtp + 12. 3 μs; 超音波无钢筋位置直接对打平均波速 Cp = 4 056 m·s － 1，相对 误差乃对此 Cp值计算而得; 斜向对打波源位置高度为 25 cm． 图 8 3 mm 钢球敲击实体柱之时域波形图 Fig． 8 Time domain wave responses of the full scale column impacted by the 3 mm steel ball 为得知超音波斜向对打与敲击回音斜向对打量 测之斜向偏距可行范围与钢筋对量测影响性，本文 将两法量测结果与超音波无钢筋位置直接对打平均 波速值 4056 m·s － 1 作比较，计算其相对误差，计算结 果亦列于表 2． 将压力波波速和其波速相对误差对 接收器偏距作曲线图，如图 9 所示． 由图 9 得知，超 音波斜向对打量测接收器偏距在 0 ～ 40 cm 间，其最 大波速相对误差仅 － 3. 7 % ，而接收器偏距大于 40 cm时则波速值呈明显下降． 在敲击回音斜向对 打用直径 3 mm 之钢球做量 测 时，接 收 器 偏 距 在 70 cm内其波速相对误差为 ± 5% ，但超过此值则波 速值呈现下降趋势，故 3 mm 钢球做量测之接受器最 大偏 距 为 70 cm; 6 mm 钢球接收器最大偏距为 100 cm; 以直径 9 mm 钢球和铁锤做量测，波速相对 误差皆在 ± 3. 0% 以内，故接收器偏距皆可达 300 cm 以上． 因测点之位置并未刻意避开箍筋，故于试体 内之钢筋对于量测压力波波速无显着影响． 3. 2 仿真梁柱接头之十字形试体量测结果 将超音波直接对打量测之波传时间 tp 代入式 ( 1) 计算压力波波速值 Cp，前后侧和上下侧直接对 打平均波速分别为 3 861 m·s － 1 和 3 839 m·s － 1 ． 再以 超音波斜向对打分别量测前后侧及上下侧各路径之 压力波波传时间 tp，再将其代入式( 1) 求其压力波 速 Cp，所得结果列于表 3. 先于敲击源同侧做敲击 回音表面量测得平均波速值为 3 846 m·s － 1 ． 然后再 以斜向对打量测，兹以前后侧之 a--f 路径量测为例 ·1231·

·1232· 北京科技大学学报 第34卷 1 0 -10 20 *超音波*9mm - 香3mm ◆铁锤 ★6mm -50 -60 0 20 406080100120140160180200220240260280300 △H/cm 4400 3900 3400 +超音波*9mm 一3mm+铁锤 c 2900 ◆6mm 2400 1900 20 60 80 100120140160180200220240260280300 △Hicm 图9实体柱之量测波速对接收器偏距之曲线 Fig.9 Curves of the wave velocity measured on the full scale column vs.the deviation distance of the receiver 来说明，由图10之波形图中可读得压力波波传时间 为十字形而影响. △t。=235.2μs,将a=5cm和C,=3846ms-1代入 LeCroy (3)式即可求得总波传时间t。=248.2μs,然后再以 式(4)即可计算得压力波到达时间之波速C。= 3880ms-1 为得知两法于十字形试体量测之可行性，将两 法所得之前后侧压力波波速与前后侧超音波直接对 打平均压力波波速作比较计算其波速相对误差，计 算结果列于表3.于超音波斜向对打中其相对误差 △=235.2μ5,1/=252kHz 在-15%~-7%间，故波速值因接收器偏距而呈现 图10敲击回音法量测十字形试体之时域波形 下降趋势.敲击回音斜向对打波速相对误差皆在 Fig.10 Time domain wave responses of the cruciform specimen ±1.3%内，其波速值不因接收器偏距而下降，而敲 measured by the impact-echo method 击回音斜向对打可有效量测压力波波速，不因试体 表3十字形试体之波速量测结果 Table 3 Wave velocity test results measured on the cruciform specimen 超音波法 敲击回音法 接收器 波传 波传 波速， 相对 总波传波速，相对 侧别 路径 偏距， 距离/ △ip/ 时间， Cpl 误差/ 时间， C,/ 误差/ △H/cm cm tp/μs (m's-1) % μ5 tp/μ5 (m's-) % at 90 96.3 268.3 3589 -7.0 235.2 248.2 3880 0.5 b-e 70 77.7 222.1 3498 -9.4 188.7 201.7 3852 -0.2 c-1 吃 59.4 166.1 3576 -7.4 140.2 153.2 3877 0.4 前后W=30cm 50 59.3 172 3448 -10.7 139.7 152.7 3883 0.6 e-b 77.6 232 3345 -13.4 190.7 203.7 3810 -1.3 f- 90 96.2 277.7 3464 -10.3 237.2 250.2 3845 -0.4 平均 3487 -9.7 3858 -0.1 a-f 90 100 296 3378 -12.0 248.2 261.2 3828 -0.3 be 70 82.4 242.6 3397 -11.5 200.2 213.2 3865 0.7 e- 50 65.5 200.6 3265 -14.9 156.2 169.2 3871 0.8 上下W=40cm d-e 50 65.1 190.7 3414 -11.1 154.7 167.7 3882 1.1 e-b 70 82.3 247.3 3328 -13.3 199.2 212.2 3878 1.0 f- 90 99.8 294.2 3392 -11.6 247.2 260.2 3836 -0.1 平均 3362 -12.4 3860 0.5 注：C=3846msl,a=5cm,故p=△1。+a/C0=△1。+13.0μs

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 9 实体柱之量测波速对接收器偏距之曲线 Fig． 9 Curves of the wave velocity measured on the full scale column vs． the deviation distance of the receiver 来说明，由图 10 之波形图中可读得压力波波传时间 Δtp = 235. 2 μs，将 a = 5 cm 和 C' p = 3 846 m·s － 1 代入 ( 3) 式即可求得总波传时间 tp = 248. 2 μs，然后再以 式( 4) 即可计算得压力波到达时间之波速 Cp = 3 880 m·s － 1 ． 为得知两法于十字形试体量测之可行性，将两 法所得之前后侧压力波波速与前后侧超音波直接对 打平均压力波波速作比较计算其波速相对误差，计 算结果列于表 3. 于超音波斜向对打中其相对误差 在 － 15% ～ － 7% 间，故波速值因接收器偏距而呈现 下降趋势． 敲击回音斜向对打波速相对误差皆在 ± 1. 3% 内，其波速值不因接收器偏距而下降，而敲 击回音斜向对打可有效量测压力波波速，不因试体 为十字形而影响． 图 10 敲击回音法量测十字形试体之时域波形 Fig． 10 Time domain wave responses of the cruciform specimen measured by the impact-echo method 表 3 十字形试体之波速量测结果 Table 3 Wave velocity test results measured on the cruciform specimen 侧别 路径 接收器 偏距， ΔH/cm 波传 距离/ cm 超音波法 敲击回音法 波传 时间， tp /μs 波速， Cp / ( m·s － 1 ) 相对 误差/ % ΔtP / μs 总波传 时间， tp /μs 波速， Cp / ( m·s － 1 ) 相对 误差/ % a--f 90 96. 3 268. 3 3 589 － 7. 0 235. 2 248. 2 3 880 0. 5 b--e 70 77. 7 222. 1 3 498 － 9. 4 188. 7 201. 7 3 852 － 0. 2 c--d 50 59. 4 166. 1 3 576 － 7. 4 140. 2 153. 2 3 877 0. 4 前后 W = 30 cm d--c 50 59. 3 172 3 448 － 10. 7 139. 7 152. 7 3 883 0. 6 e--b 70 77. 6 232 3 345 － 13. 4 190. 7 203. 7 3 810 － 1. 3 f--a 90 96. 2 277. 7 3 464 － 10. 3 237. 2 250. 2 3 845 － 0. 4 平均 3 487 － 9. 7 3 858 － 0. 1 a--f 90 100 296 3 378 － 12. 0 248. 2 261. 2 3 828 － 0. 3 b--e 70 82. 4 242. 6 3 397 － 11. 5 200. 2 213. 2 3 865 0. 7 c--d 50 65. 5 200. 6 3 265 － 14. 9 156. 2 169. 2 3 871 0. 8 上下 W = 40 cm d--c 50 65. 1 190. 7 3 414 － 11. 1 154. 7 167. 7 3 882 1. 1 e--b 70 82. 3 247. 3 3 328 － 13. 3 199. 2 212. 2 3 878 1. 0 f--a 90 99. 8 294. 2 3 392 － 11. 6 247. 2 260. 2 3 836 － 0. 1 平均 3 362 － 12. 4 3 860 0. 5 注: C' p = 3 846 m·s － 1，a = 5 cm，故 tp = Δtp + a /C' p = Δtp + 13. 0 μs． ·1232·

第10期 吴志兴等：超音波法与敲击回音法检测钢筋混凝土梁柱接头 ·1233· 3.3现有实体梁柱接头之量测结果与讨论 打及敲击回音斜向对打做量测，其结果与超音 梁柱接头试体量测为混凝土试体非钢筋混 波直接对打平均波速值作比较.其量测结果列 凝土，本文则另采取现有实体钢筋混凝土梁柱 于表4所示.超音波斜向对打量测压力波波速 接头做量测，以验证此法之可行性.先以超音 之相对误差为-34.2%，但敲击回音斜向对打 波直接对打量取前后侧之压力波速值，该平均 仅0.4%，故可更确定须以敲击回音斜向对打来 波速值为3640m·s1,再分别以超音波斜向对 量测较为可行 表4实体梁柱接头之波速量测结果 Table 4 Wave velocity test results measured on the beam-column joint 接收器 波传 超音波法 敲击回音法 侧别 路径 偏距， 距离/ 波传时 波速， 相对 △n/ 总波传时 波速， 相对 △HIcm cm 间，tp/μsC。/(msl) 误差/% s 间，tnμsC。(ms)误差/% a 100 104 496.8 2093 -42.5 268.8 282.5 3681 1.1 b-e 80 84.9 376.1 2257 -38.0 218.8 232.5 3652 0.3 c-d 60 66.4 235 2826 -22.4 167.3 181 3669 0.8 前后W=30cm d-c 60 66.4 232.8 2852 -21.6 169.3 183 3628 -0.3 e-b 80 84.9 374 2270 -37.6 217.3 231 3675 1.0 f-a 100 104 502 2072 -43.1 273.4 287.1 3622 -0.5 平均 2395 -34.2 3655 0.4 注：C=3640msl,a=5cm,故。=。+a/C=△p+13.74s. 4结论与建议 土结构安全良莠无法正确判断.敲击回音法则可量 测出较稳定之波速值，不因接收器偏距的产生而导 本文探讨以斜向对打量测梁柱接头波速值，藉 致波速值下降，且其波速相对误差仅在±1.3%以 以评估混凝土质量之可行性，其中用敲击回音法和 内，因此敲击回音斜向对打可用于混凝土梁柱接头 超音波法做斜向对打，并与超音波直接对打之C,值 试体量测. 作比较，以评估二法量之准确性。本文量测三种形 (3)现有实体梁柱接头之量测结论：敲击回音 式之混凝土试体，试验结论分述如下. 斜向对打与超音波直接对打波速平均相对误差约 (1)现有实体柱之量测结论：于柱体尺寸 0.4%,但超音波斜向对打平均相对误差高达 40cm×40cm×325cm量测结果得知，超音波法于 -34.2%,因此更可确定敲击回音斜向对打运用现 接收器偏距大于40cm其波速量测值明显下降.敲 地结构物之梁柱接头量测之可行性. 击回音法量测时分别以直径3、6和9mm之钢球和 参：考文献 铁锤为敲击源.直径3mm之钢球于接收器偏距大 于70cm其波速量测值则明显下降；直径6mm之 [1]Wu C H.Structural Nondestructive Test.Pingtung:Rui Yu Press 2008 钢球于接收器偏距大于100cm其被速量测值亦明 (吴志兴.结构非破坏检测实习.屏东：容煜出版社，2008) 显下降；直径9mm之钢球及铁锤量测正确之压力 [2]Wu C H,Ho Y F,Guo F Y.Dynamic elastic module of concrete 波速值时，其接收器偏距可达300cm以上，其波速 measured by an ultrasonic-pulse wave method.I Unir Sci Technol 相对误差皆仅在±3%以内.因此后续之斜向对打 Beijing,2008,30 (Suppl 1):74 (吴志兴，何宜峰，郭甫育.超音波法量测混凝土动态弹性模 量测最好以敲击回音法且敲击源为直径≥9mm之 数.北京科技大学学报，2008,30（增刊1）：74) 钢球或是铁锤来施行量测为佳，以确保量测之稳 B] Wu C H,Zheng M H,Hong W T.Measurement on the strength of 定性 steel in reinforced concrete structure using the improved pulse- (2)仿真梁柱接头之十字形试体量测结论：前 wave method /2009USTB-NPUST Conference.Pingtung,2009 59 后侧厚度30cm和上下侧厚度40cm之量测结果得 (吴志兴，郑民鸿，洪伟庭.改良式超音波法检测钢筋混凝土 知，超音波试验法斜向对打量测波速值，因接收器的 结构之钢筋强度//屏东科技大学一北京科技大学学术研讨会 偏距而导致波速值的下降，其波速相对误差约在 屏东，2009：59) -15%~-7%,呈现出不稳定之波速值，以致混凝 [4]He Y F.Study on the Dynamic Modulus of Elasticity of Concrete

第 10 期 吴志兴等: 超音波法与敲击回音法检测钢筋混凝土梁柱接头 3. 3 现有实体梁柱接头之量测结果与讨论 梁柱接头试体量测为混凝土试体非钢筋混 凝 土，本文则另采取现有实体钢筋混凝土梁柱 接头做 量 测，以验证此法之可行性． 先 以 超 音 波直接对打量取前后侧之压力波速值，该 平 均 波速值 为3 640 m·s － 1 ，再分别以超音波斜向对 打及敲击回音斜向对打做量测，其 结 果 与 超 音 波直接对打平均波速值作比较． 其 量 测 结 果 列 于表 4 所示． 超音波斜向对打量测压力波波速 之相对误 差 为 － 34. 2 % ，但敲击回音斜向对打 仅 0. 4 % ，故可更确定须以敲击回音斜向对打来 量测较为可行． 表 4 实体梁柱接头之波速量测结果 Table 4 Wave velocity test results measured on the beam-column joint 侧别 路径 接收器 偏距， ΔH/cm 波传 距离/ cm 超音波法 敲击回音法 波传时 间，tp /μs 波速， Cp /( m·s － 1 ) 相对 误差/% Δtp / μs 总波传时 间，tp /μs 波速， Cp /( m·s － 1 ) 相对 误差/% a--f 100 104 496. 8 2 093 － 42. 5 268. 8 282. 5 3 681 1. 1 b--e 80 84. 9 376. 1 2 257 － 38. 0 218. 8 232. 5 3 652 0. 3 c--d 60 66. 4 235 2 826 － 22. 4 167. 3 181 3 669 0. 8 前后 W = 30 cm d--c 60 66. 4 232. 8 2 852 － 21. 6 169. 3 183 3 628 － 0. 3 e--b 80 84. 9 374 2 270 － 37. 6 217. 3 231 3 675 1. 0 f--a 100 104 502 2 072 － 43. 1 273. 4 287. 1 3 622 － 0. 5 平均 2 395 － 34. 2 3 655 0. 4 注: C' p = 3 640 m·s － 1，a = 5 cm，故 tp = Δtp + a /C' p = Δtp + 13. 7 μs． 4 结论与建议 本文探讨以斜向对打量测梁柱接头波速值，藉 以评估混凝土质量之可行性，其中用敲击回音法和 超音波法做斜向对打，并与超音波直接对打之 Cp值 作比较，以评估二法量之准确性． 本文量测三种形 式之混凝土试体，试验结论分述如下． ( 1) 现有实体柱之量测结论: 于 柱 体 尺 寸 40 cm × 40 cm × 325 cm 量测结果得知，超音波法于 接收器偏距大于 40 cm 其波速量测值明显下降． 敲 击回音法量测时分别以直径 3、6 和 9 mm 之钢球和 铁锤为敲击源． 直径 3 mm 之钢球于接收器偏距大 于 70 cm 其波速量测值则明显下降; 直径 6 mm 之 钢球于接收器偏距大于 100 cm 其波速量测值亦明 显下降; 直径 9 mm 之钢球及铁锤量测正确之压力 波速值时，其接收器偏距可达 300 cm 以上，其波速 相对误差皆仅在 ± 3% 以内． 因此后续之斜向对打 量测最好以敲击回音法且敲击源为直径≥9 mm 之 钢球或是铁锤来施行量测为佳，以确保量测之稳 定性． ( 2) 仿真梁柱接头之十字形试体量测结论: 前 后侧厚度 30 cm 和上下侧厚度 40 cm 之量测结果得 知，超音波试验法斜向对打量测波速值，因接收器的 偏距而导致波速值的下降，其波速相对误差约在 － 15% ～ － 7% ，呈现出不稳定之波速值，以致混凝 土结构安全良莠无法正确判断． 敲击回音法则可量 测出较稳定之波速值，不因接收器偏距的产生而导 致波速值下降，且其波速相对误差仅在 ± 1. 3% 以 内，因此敲击回音斜向对打可用于混凝土梁柱接头 试体量测． ( 3) 现有实体梁柱接头之量测结论: 敲击回音 斜向对打与超音波直接对打波速平均相对误差约 0. 4% ，但超音波斜向对打 平均相对误差高达 － 34. 2% ，因此更可确定敲击回音斜向对打运用现 地结构物之梁柱接头量测之可行性． 参 考 文 献 ［1］ Wu C H． Structural Nondestructive Test． Pingtung: Rui Yu Press， 2008 ( 吴志兴． 结构非破坏检测实习． 屏东: 睿煜出版社，2008) ［2］ Wu C H，Ho Y F，Guo F Y． Dynamic elastic module of concrete measured by an ultrasonic-pulse wave method． J Univ Sci Technol Beijing，2008，30( Suppl 1) : 74 ( 吴志兴，何宜峰，郭甫育． 超音波法量测混凝土动态弹性模 数． 北京科技大学学报，2008，30( 增刊 1) : 74) ［3］ Wu C H，Zheng M H，Hong W T． Measurement on the strength of steel in reinforced concrete structure using the improved pulse￾wave method / / 2009USTB-NPUST Conference． Pingtung，2009: 59 ( 吴志兴，郑民鸿，洪伟庭． 改良式超音波法检测钢筋混凝土 结构之钢筋强度/ /屏东科技大学--北京科技大学学术研讨会． 屏东，2009: 59) ［4］ He Y F． Study on the Dynamic Modulus of Elasticity of Concrete ·1233·

·1234· 北京科技大学学报 第34卷 Measured Using the UltrasonicPulse Ware Method and on the Rela- (黄兆龙.混凝土性质与行为.台北：詹氏书局，2002) tionships betieen them and Compressive Strength of Concrete [Dis- [8]Wang Y Z.Practical Ciril Engineering Construction.Taipei: sertation].Pingtung:Pingtung University of Science and Technol- Greater China Press,1999 gy,2004:1 (汪赞之.实用土木工程施工学，台北：大中国图书公司， (何宜峰.超音波法量测混凝土动态弹性模数与抗压强度关 1999) 系之探讨[学位论文].屏东：屏东科技大学，2004：1) ]Chen YZ.Comparison of Concrete Dynamic Modulus of Elasticity 5]Wang JY.Behariors of Wave Propagation in Concrete with Cracks Measured by the Fundamental Resonant Frequency Methods and the Using Ultrasonic-Pulse Method [Dissertation].Pingtung:Pingtung Ultrasonic-Pulse Ware Method [Dissertation].Pingtung:Pinglung University of Science and Technology,2000:3 University of Science and Technology,2004:8 (王俊元，超音波量测混凝土表面裂缝之波动传递行为研究 (陈勇智.基本频率试验法及超音波量测混凝土动态弹性模 [学位论文].屏东：屏东科技大学，2000：3) 数之比较[学位论文].屏东：屏东科技大学，2004：8) [6]Huang Z L.Quality Control Tests of Concrete.Taipei:Chan's [10]Liu M X.Study on Engineering Properties of Concrete by Nonde- Arch-Publishing Co.Ltd.,2001 structire Methods [Dissertation].Taipei:Taiwan University of (黄兆龙.混凝土材料质量控制试验.台北：詹氏书局，2001) Science and Technology,2000:5 Huang Z L Properties And Beharior of Concrete.Taipei:Chan's (刘明鑫.非破坏检测混凝土工程性质之研究[学位论文]. Arch-Publishing Co.Ltd.2002 台北：台湾科技大学，2000：5)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 Measured Using the Ultrasonic-Pulse Wave Method and on the Rela￾tionships between them and Compressive Strength of Concrete ［Dis￾sertation］． Pingtung: Pingtung University of Science and Technol￾ogy，2004: 1 ( 何宜峰． 超音波法量测混凝土动态弹性模数与抗压强度关 系之探讨［学位论文］． 屏东: 屏东科技大学，2004: 1) ［5］ Wang J Y． Behaviors of Wave Propagation in Concrete with Cracks Using Ultrasonic-Pulse Method［Dissertation］． Pingtung: Pingtung University of Science and Technology，2000: 3 ( 王俊元，超音波量测混凝土表面裂缝之波动传递行为研究 ［学位论文］． 屏东: 屏东科技大学，2000: 3) ［6］ Huang Z L． Quality Control Tests of Concrete． Taipei: Chan's Arch-Publishing Co． Ltd． ，2001 ( 黄兆龙． 混凝土材料质量控制试验． 台北: 詹氏书局，2001) ［7］ Huang Z L． Properties And Behavior of Concrete． Taipei: Chan's Arch-Publishing Co． Ltd． ，2002 ( 黄兆龙． 混凝土性质与行为． 台北: 詹氏书局，2002) ［8］ Wang Y Z． Practical Civil Engineering Construction． Taipei: Greater China Press，1999 ( 汪爕之． 实用土木工程施 工 学． 台 北: 大中国图书公司， 1999) ［9］ Chen Y Z． Comparison of Concrete Dynamic Modulus of Elasticity Measured by the Fundamental Resonant Frequency Methods and the Ultrasonic-Pulse Wave Method ［Dissertation］． Pingtung: Pingtung University of Science and Technology，2004: 8 ( 陈勇智． 基本频率试验法及超音波量测混凝土动态弹性模 数之比较［学位论文］． 屏东: 屏东科技大学，2004: 8) ［10］ Liu M X． Study on Engineering Properties of Concrete by Nonde￾structive Methods ［Dissertation］． Taipei: Taiwan University of Science and Technology，2000: 5 ( 刘明鑫． 非破坏检测混凝土工程性质之研究［学位论文］． 台北: 台湾科技大学，2000: 5) ·1234·