鋼管混凝土試件內的法蘭盤對超聲波檢測結果的影響研究

班貴生，王建軍，楊占峰，韋仕學

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

鋼管混凝土拱橋是在鋼管內填充混凝土，借助鋼管的徑向約束而限制受壓混凝土的膨脹，使混凝土處于三向受壓狀態，從而顯著提高混凝土的抗壓強度。在鋼管混凝土拱橋施工中，管內混凝土的設計及施工難度很大，且管內混凝土施工質量的好壞以及管內混凝土與鋼管管壁的粘結好壞情況，直接影響著鋼管混凝土拱橋的承載能力和耐久性能[1]。

目前，國內對鋼管混凝土質量檢測的方法分為有損與無損兩類。有損檢測方法以鉆孔驗證法為主，該方法檢測時會造成拱肋損傷，且檢測區域有限。而無損檢測方法以超聲波法、光纖傳感監測、沖擊回波法等[2-8]為主，這些方法也存在著各自的問題。例如超聲波法運用到脫空較大處的定量問題和信噪比、耦合劑問題；沖擊回波法受構件形狀和尺寸影響較大；光纖傳感監測方法需要預埋傳感器等。對鋼管混凝土拱橋拱肋的鋼管混凝土質量進行檢測主要采用超聲波法。截至目前，拱肋節段連接處的法蘭盤對超聲波檢測結果的影響情況的研究比較少。為了研究拱肋節段連接處的法蘭盤對超聲波檢測結果的影響情況，確保檢測結果的合理性及準確性，采用超聲波檢測法研究超聲波穿過不同區域的波形變化情況，便于為后期的檢測提供分析依據，為下一步工作提供更準確、更直觀的數據和經驗。為此，通過制作足尺鋼管混凝土試驗構件來研究拱肋節段連接處的法蘭盤對超聲波檢測結果的影響情況十分重要。

1 檢測原理概述

超聲波檢測鋼管混凝土的基本原理是在鋼管外徑的一端利用發射換能器輻射高頻振動，經鋼管圓心傳向鋼管外徑另一端的接收換能器。超聲波在傳播過程中遇到由各種缺陷形成的界面時就會改變傳播方向和路徑，其能量會在缺陷處被衰減，造成超聲波到達接收換能器時的聲時、聲幅、頻率的相對變化。超聲波檢測鋼管混凝土就是根據超聲波在傳播過程中聲時、聲幅、頻率的相對變化，對鋼管混凝土的質量進行分析判斷。實踐證明，超聲波檢測技術對鋼管混凝土拱橋的鋼管混凝土構件進行檢測是行之有效的。目前該技術已經在鋼管混凝土結構中得到了較為廣泛的應用。鋼管混凝土超聲檢測方法如圖1所示。

圖1 超聲波檢測示意圖

2 試件設計及制作

在柳州至南寧改擴建工程№7標段的項目部工地現場制作鋼管混凝土試件。本次鋼管混凝土試件采用的鋼管管徑與來賓馬灘紅水河特大橋主橋拱肋的管徑相同，其管徑為1 200 mm，壁厚為22 mm，管長為2 100 mm。管內澆筑與來賓馬灘紅水河特大橋主橋拱肋混凝土相同標號的C55高性能自密實無收縮混凝土。試件測區測點布置如圖2所示。為了避免試件端部對檢測結果的影響，測點布置在距兩端一定距離的中部，共劃分為15個測試斷面，等間距布置測點，相鄰兩側點的縱向距離為100 mm，每一徑向截面布置4對測點(米字型對稱布置)。試件在自然環境下澆筑養護，按照試驗方案的要求，對試件進行2 d、4 d、6 d、21 d、28 d、66 d共6個不同齡期工況的超聲波檢測。

圖2 試件測區測點分布示意圖(mm)

3 試驗及結果分析

在檢測之前，需要在鋼管混凝土試件上布置需要檢測的測點，做好編號，保證各個測點檢測數據的一致性；將黃油涂抹在測點上，作為檢測探頭與試件接觸面的耦合劑；利用ZBL-U520非金屬超聲檢測儀采集各個測點的超聲波檢測數據，并將超聲波檢測數據傳入計算機進行數據的整理分析；通過檢測數據的差異性研究管內法蘭盤對超聲波檢測結果的影響規律及試件的超聲波波速值隨試件齡期的變化規律，從而間接分析混凝土強度變化對超聲波檢測數據的影響規律，最后得出試驗結論。

3.1 試件管內法蘭盤對超聲波檢測結果的影響分析

本小節以管內法蘭盤為主要研究對象，對比分析試件各個測線的檢測數據的變化情況，研究試件管內法蘭盤對超聲波檢測結果的影響規律，其各個測線所對應的肋板長度(法蘭盤)和4 d齡期超聲波波速值見圖3。選取其中的2-2’測線的超聲波波速值與該測線的肋板長度為研究對象，并以各個測試斷面所對應的肋板長度和4 d齡期超聲波波速值為坐標軸，分析兩者所構成曲線的變化情況(見圖4)。同時，也研究試件的各個測線的超聲波波速值隨各個測試斷面的變化情況。

圖3 各個測試斷面的肋板長度和超聲波波速值曲線圖

圖4 肋板長度與超聲波波速值的關系示意圖

從圖3可以看出，試件各個測線的各個測試斷面的肋板長度對超聲波檢測結果的影響比較明顯，有肋板的測試斷面，其超聲波波速值明顯比沒有肋板的測試斷面大；而且部分未有肋板的測試斷面，因其靠近肋板，所測試的超聲波波速值也會受到一定的影響。例如試件各測線的1、2測試斷面，即使這兩個測試斷面的肋板長度均為0 mm，但因為2測試斷面比較靠近肋板端部，其超聲波波速值明顯比1測試斷面的超聲波波速值大。其中5-5’測線，其僅在9測試斷面存在肋板，其它測試斷面未存在肋板，但因其兩側的1-1’測線、4-4’測線存在肋板，從而也導致5-5’測線的超聲波波速值偏大。

從圖3還可以發現，試件底部的聲波波速值比管頂對應位置的聲波波速值大，這說明混凝土的自重也會影響管內混凝土的密實度。因而，在今后采用超聲波法對豎向的鋼管混凝土構件進行檢測時，亦應分析導致各個檢測區域的聲波波速值存在差異的原因，力求檢測結論客觀合理。

從圖4可以看出，試件的2-2’測線各個測試斷面的肋板長度和4 d齡期超聲波波速值呈線性相關，其擬合曲線公式為：y=0.000 5x+4.768 4，相關系數值為R2=0.908 2，這說明兩者線性相關程度非常高。這表明：在采用超聲波法對鋼管混凝土構件進行檢測時，需要在檢測前了解清楚檢測區域的管內加勁肋、肋板等構件的分布情況，以保證后續超聲波檢測數據的合理性。

3.2 試件齡期對超聲波檢測結果的影響分析

試件管內澆筑與來賓馬灘紅水河特大橋主橋拱肋混凝土相同標號的C55高性能自密實無收縮混凝土，該混凝土屬于高強混凝土范疇。文獻[9]中的研究結果表明：高強混凝土早期強度發展較快，7 d即達到28 d的60%～80%，后期的強度增長速度較小，但高強混凝土的后期強度增加值大于普通強度混凝土。本小節選取試件的2-2’測線的1～6測試斷面的2 d、4 d、6 d、21 d、28 d、66 d共6個不同齡期工況的超聲波檢測為研究對象，檢測結果見表1，并以試件齡期和超聲波波速值為坐標軸，分析兩者所構成曲線的變化情況，如圖5所示。

圖5 試件齡期與超聲波波速值的關系示意圖

表1 試件齡期與超聲波波速值的關系表

從圖5試驗數據分析可知，試件早期超聲波波速值發展比較快，當試件齡期達到6 d之后，試件的超聲波波速值隨著試件齡期緩慢發展，這說明試件管內的C55高性能自密實無收縮高強混凝土的早期強度發展較快，當管內混凝土齡期達到6 d之后，試件的混凝土強度隨著試件齡期緩慢發展；這印證了文獻[9]中的研究成果，即高強混凝土早期強度發展較快，7 d即達到28 d強度的80%，隨后其強度隨著齡期緩慢發展。

4 結語

本文依托柳州至南寧改擴建工程№7標段的項目部工地現場制作鋼管混凝土試件，利用ZBL-U520非金屬超聲檢測儀對鋼管混凝土試件進行數據采集，整理分析鋼管混凝土試件的超聲波檢測數據，研究鋼管混凝土試件的管內法蘭盤對超聲波檢測結果的影響情況，得到如下結論：

(1)試件各個測線的各個測試斷面的肋板長度對超聲波檢測結果的影響比較明顯，有肋板的測試斷面，其超聲波波速值明顯比沒有肋板的測試斷面大；而且部分未有肋板的測試斷面，因其靠近肋板，所測試的超聲波波速值也會受到一定的影響。

(2)試件底部的超聲波波速值比管頂對應位置的超聲波波速值大，這說明混凝土的自重也會影響管內混凝土的密實度。

(3)試件的2-2’測線各個測試斷面的肋板長度和4 d齡期超聲波波速值呈線性相關，其擬合曲線公式為：y=0.000 5x+4.768 4，相關系數值為R2=0.908 2，這說明兩者線性相關程度非常高。因此研究表明：在采用超聲波法對鋼管混凝土構件進行檢測時，需要在檢測前了解清楚檢測區域的管內加勁肋、肋板等構件的分布情況，以保證后續超聲波檢測數據的合理性。

(4)試件早期超聲波波速值發展比較快，當試件齡期達到6 d之后，試件的超聲波波速值隨著試件齡期緩慢發展。

本文所取得的研究成果可為后期來賓馬灘紅水河特大橋主橋拱肋的超聲波檢測數據進行標定校準，確保檢測數據的合理性及可靠性；同時也可為今后的類似工程提供參考。