基于超聲波無損技術的公路橋鋼混結構質量檢測

許偉峰

（唐山市交通運輸局公路工程處，河北 唐山 063000）

在當前工程建設中，鋼管混凝土組合結構十分常見，其綜合了鋼管與混凝土各自的性能優勢，通過適當連接達到整體受力的目的[1]。在工程應用中，鋼管與混凝土的連接位置是薄弱點，出現破壞的可能性較大。內部混凝土脫落、空洞等問題對質量影響較大，需要檢測該組合結構的密實性，避免引起事故[2-4]。在目前的工程檢測方法中，常用于檢測鋼管混凝土的方法有超聲波檢測法、鉆孔取芯法和敲擊法。本文采取超聲波CT成像技術，檢測鋼管混凝土缺陷。

一、超聲波傳播形式

鋼管混凝土的缺陷主要表現為混凝土脫落，主要原因是混凝土沒有密實填充結構空腔。在鋼管混凝土中，超聲波一般有4種傳播方式，如圖1所示。

圖1 超聲波在鋼管混凝土中的4種傳播方式

如圖1（a）所示，超聲波在兩點之間以直線段傳播，鋼管與混凝土連接密實、沒有剝落，超聲波從發射處傳達至接收處的衰減極小；如圖1（b）所示，鋼管與混凝土存在局部脫落，超聲波先沿鋼管表面傳播，再通過缺陷邊緣，以直線段形式傳至接收端；如圖1（c）所示，鋼管混凝土內部有疏松缺陷，超聲波發生繞射；如圖1（d）所示，鋼管混凝土內部有傳播路徑上的空洞缺陷，超聲波繞過了該空洞，傳播時間延長。

二、超聲波檢測方法

（一）平面檢測法

平面法檢測一般有兩種方式：徑向對測法、軸向斜測法，如圖2所示。檢測針對鋼管混凝土結構內脫空、孔洞等缺陷尺寸較小或掛壁較薄的情況。檢測用到的儀器主要有：非金屬超聲檢測儀1臺、平面換能器1對。

圖2 超聲波平面檢測法示意圖

1.徑向對測法

徑向對測法如圖2（a）所示，其透射路線垂直于鋼管組合結構的中心軸，在鋼管柱表面兩側均耦合有發射與接收換能器。具體檢測步驟為：

（1）檢測前，在鋼管外壁表面耦合1對收發換能器，耦合材料采用黃油。耦合時需將兩換能器置于同一水平環線內，連線應相交于鋼管截面的圓心處。

（2）不斷更替收發換能器位置，多次檢測保持在同一水平環線內。對于不同直徑大小或部位的鋼管結構，可根據實際情況確定環線間距。

（3）若突然出現測點聲時較長或波幅顯著下降，檢查收發換能器與鋼管壁之間的耦合情況。輕輕敲擊收發換能器耦合位置，確定是否有空鼓聲，從而排除耦合不良或脫空等非正常情況。

2.軸向斜測法

軸向斜測法如圖2（b）所示，其透射路線為斜向，且經過鋼管組合結構的中心軸，并不與鋼管壁相垂直，檢測步驟與徑向對測法相同。

（二）預埋聲測管檢測法

可采取預埋聲測管法檢測鋼管內部混凝土孔洞缺陷，主要包括預埋管中對測法、預埋管中斜測法。檢測用到的儀器主要有：非金屬超聲檢測儀1臺、徑向換能器1對。

1.預埋管中對測法

預埋管中對測法，是將收發換能器提前預埋于聲測管中，并保持在鋼管的同一截面高度處。具體檢測過程為：

（1）將1對收發換能器埋設于聲測管上并以水耦合，啟動儀器后先調整初始參數設置，使檢測儀器保持無擾動狀態。

（2）調整收發換能器使其位于同一高度，采取聲速、頻率、波幅等數據。

（3）將收發換能器由底至頂緩慢同時上升，實施多次截面檢測，收發換能器始終保持同一高度。檢測間距應科學，避免出現不正常狀況。

2.預埋管中斜測法

預埋管中斜測法，是將收發換能器提前埋設于鋼管中的聲測管上，兩個換能器處于不同的高度，保持一定的高差后實施檢測。具體檢測過程與對測法一致。

（三）混合檢測法

混合檢測法即同時使用對測法與斜測法。在鋼管外壁處耦合收發換能器中的其中一個，將另一個埋置于鋼管中的聲測管上，可檢測鋼管壁與聲測管之間的混凝土密實性狀況。對測法檢測時，兩側換能器耦合于同一標高位置；而斜測法檢測時，兩個換能器上下存在適當高差，位于不同高度處。

三、超聲波CT檢測公路橋鋼管混凝土缺陷案例

超聲波CT掃描成像技術具有較大應用優勢。對于鋼管混凝土缺陷檢測而言，基于接收的聲波數據，通過變換達到三維成像，可直接顯示鋼管混凝土中的缺陷，得知具體位置及大小尺寸等信息。基于此，本文將其應用于某公路橋的鋼管混凝土缺陷檢測。

案例工程中的大型鋼管樁直徑達2m～3m，采用C60混凝土，聲測管布設于內部鋼筋籠上。

在澆灌混凝土前，為滿足后期檢測要求，會提前在內部的圓形鋼筋籠上綁扎聲測管，沿鋼筋籠均分設置，數量為3個。按設計要求依次分層澆筑鋼管組合結構，充分振搗。混凝土收縮充分后，使其經過一段時間的徐變，再檢測混凝土的密實性。密實度檢測時，聲測管可直接檢測鋼筋籠內部區域密實性，而對于鋼管與鋼筋籠之間的混凝土密實性，可采取上述混合法檢測。在檢測試驗時，收、發換能器應同步提升，不得一快一慢，并由鋼管底部開始，向上取一定間隔檢測多次。對于埋置在聲測管中的徑向換能器及埋置在鋼管外壁上的平面換能器，其耦合時的材料分別為水、黃油。在該案例中，上下相鄰檢測截面由設計根據樁長而定，間距設定為25cm。

根據檢測所得數據，達成鋼管混凝土組合結構三維成像，實時呈現速度切片圖，再通過對影像的研究與分析，可初步判斷鋼混結構中的缺陷。檢測結果顯示，鋼管混凝土結構內部不同截面區域的速度切片大小存在顯著差異，推測其存在一定的破損與剝落缺陷。具體缺陷位置可通過實際澆筑成形情況得以驗證，由此可證明超聲波檢測技術的可靠性，可用于推斷破損與剝落位置及具體大小尺寸等信息，指導工程加固修復。

四、結語

鋼管混凝土結構截面尺寸大、內部構造復雜，導致施工困難，空洞與脫空缺陷時常發生，在采用高性能膨脹混凝土之后仍無法完全解決，嚴重影響工程質量。因此，新型混凝土質量檢測手段也不斷出現，包括論文所述的超聲波CT掃描成像技術。該技術發射的超聲脈沖波具備相應周期性特征，經由結構內部不同介質傳遞或接收后，通過研究相關的聲學參數獲得成像情況，實現內部混凝土質量判斷。該技術不會對受檢測結構造成局部破壞，屬于無損檢測范疇，應用優勢顯著。