超聲波透射法在橋梁鋼管混凝土拱肋密實(shí)性檢測(cè)中的應(yīng)用

戴許海　馬安財(cái)

摘要 文章介紹了超聲波透射法檢測(cè)鋼管混凝土系桿拱橋拱肋核心混凝土密實(shí)性的檢測(cè)原理、檢測(cè)方法、檢測(cè)過程、聲速標(biāo)定方法、數(shù)據(jù)處理方法以及質(zhì)量綜合判定，并結(jié)合具體工程實(shí)例，通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)對(duì)橋梁鋼管混凝土拱的施工質(zhì)量進(jìn)行了綜合判定，可為同類橋梁的拱肋密實(shí)性檢測(cè)提供參考。

關(guān)鍵詞 系桿拱橋；鋼管混凝土拱肋；密實(shí)性；超聲波檢測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào) TU398.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）16-0096-03

0 引言

鋼管混凝土拱橋具有跨越能力強(qiáng)、施工技術(shù)成熟、造型美觀等特點(diǎn)，在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。鋼管內(nèi)的核心混凝土為隱蔽施工，受拱肋截面尺寸、施工工藝和鋼管節(jié)段連接板等影響較大，容易出現(xiàn)混凝土空洞、混凝土和鋼管壁的脫黏等隱蔽缺陷，會(huì)對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量產(chǎn)生影響[3-4]。為了能準(zhǔn)確地檢測(cè)出鋼管混凝土拱肋的內(nèi)部隱蔽缺陷，可采用超聲波透射法對(duì)拱肋截面進(jìn)行檢測(cè)。

1 檢測(cè)原理及方法

超聲波透射檢測(cè)技術(shù)的原理：在通過鋼管混凝土軸線的一條測(cè)線上，一端布設(shè)發(fā)射換能器，另一端布設(shè)接收換能器。發(fā)射換能器發(fā)射出的超聲波在透過鋼管混凝土后被接收端換能器接收。超聲波在傳播過程中遇到缺陷時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射和繞射。繞過缺陷的超聲波會(huì)被接收換能器接收，所用聲時(shí)會(huì)有所延長(zhǎng)，相應(yīng)聲速會(huì)降低。檢測(cè)時(shí)根據(jù)接收到的超聲波聲學(xué)參數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)計(jì)算及異常值判別，結(jié)合檢測(cè)波形曲線的首波、波幅頻率，再參考小錘敲擊的結(jié)果對(duì)缺陷進(jìn)行判定[5]。

由于鋼管混凝土拱肋的外部鋼管及內(nèi)部混凝土屬不同介質(zhì)，會(huì)影響到超聲波傳播的路徑。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中常見的超聲波傳播路徑如圖1所示。

2 檢測(cè)過程及聲速標(biāo)定方法

鋼管混凝土密實(shí)性現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)主要采用沿徑向的對(duì)測(cè)法，對(duì)測(cè)法是在穿過鋼管拱軸線的拱肋同一測(cè)線的兩端測(cè)點(diǎn)上分別布設(shè)發(fā)射換能器和接收換能器進(jìn)行的檢測(cè)，換能器和管壁之間采用凡士林進(jìn)行耦合。檢測(cè)步驟如下：①首先用凡士林將換能器耦合在拱肋同一測(cè)線的兩端，確保發(fā)射換能器和接收換能器的連線通過拱肋軸心；② 在同一拱肋截面上按照事先布設(shè)好的測(cè)線逐一進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集；③數(shù)據(jù)采集過程中，如果出現(xiàn)了某些測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)值過長(zhǎng)或波幅明顯偏低等現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)檢查換能器與管壁的耦合是否良好，同時(shí)用小錘在耦合面上以敲擊的方式檢查管內(nèi)是否有空鼓聲，從而排除換能器耦合不良的影響。

由于，混凝土強(qiáng)度離散性較大和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境等的影響，使得混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際的聲速也較離散，因此，設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)的核心混凝土聲速界限值需要現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。混凝土聲速的標(biāo)定，一般要通過對(duì)事先制作并達(dá)到相應(yīng)齡期要求的標(biāo)準(zhǔn)試件的測(cè)試來確定。而對(duì)于直徑較大的鋼管混凝土拱肋，由于施工工藝的緣故，拱腳一般都是密實(shí)的，因此可通過對(duì)拱腳混凝土的測(cè)試來進(jìn)行聲速的標(biāo)定。

3 檢測(cè)數(shù)據(jù)處理

波速明顯小于常值的測(cè)點(diǎn)可視為可疑測(cè)點(diǎn)，對(duì)可疑測(cè)點(diǎn)需要重復(fù)測(cè)試，直到檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定。將測(cè)區(qū)中每個(gè)測(cè)點(diǎn)的波速值從大到小排列，明顯靠后的數(shù)據(jù)為可疑數(shù)據(jù)。將可疑數(shù)據(jù)最大值與先前數(shù)據(jù)放到一起計(jì)算均值mx和標(biāo)準(zhǔn)差Sx，用公式（1）代替計(jì)算異常值X0的判斷值。

X₀=m_x?λ₁·S_xσ （1）

式中，λ₁——99.75%可靠度對(duì)應(yīng)的保證率系數(shù)，按照3σ原則確定，λ₁取為3。

將X₀與可疑數(shù)據(jù)最大值X_n進(jìn)行比較，X_n小于或等于X₀時(shí)，X_n及排列于其后的數(shù)據(jù)均為異常值；X_n大于X₀時(shí)，再次放入X_n+1進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。當(dāng)不再出現(xiàn)異常值時(shí)，將最小測(cè)試值與X₀進(jìn)行比較，當(dāng)最小測(cè)試值大于X₀時(shí)認(rèn)為混凝土的密實(shí)性和強(qiáng)度滿足要求[4]。

4 鋼管混凝土質(zhì)量綜合評(píng)定

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析和處理，根據(jù)規(guī)范可判定鋼管混凝土拱肋核心混凝土的澆筑質(zhì)量。鋼管內(nèi)核心混凝土的澆筑質(zhì)量可分為4個(gè)類別，具體見表1[5]。

5 工程實(shí)例

緯七路K5+159大橋?yàn)樘m州新區(qū)二號(hào)湖范圍內(nèi)的跨湖橋，橋梁全長(zhǎng)為120.82 m，上部結(jié)構(gòu)采用1～5 m裝配式后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁+1～60 m系桿拱+1～25 m簡(jiǎn)支箱梁。其中，主跨橋梁結(jié)構(gòu)為鋼管混凝土系桿拱結(jié)構(gòu)，拱肋計(jì)算跨徑60 m，梁長(zhǎng)63.1 m，主梁采用單箱多室箱型截面，拱肋采用外徑為120 cm、壁厚為22 cm的單管圓形斷面鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，上、下弦管肋間連接鋼管由16 mm厚的Q345qE鋼板卷制而成，拱肋間設(shè)置5道橫撐，橫撐均為一字平面桁架撐。桁架橫撐由上下弦桿及腹桿組成，上下弦桿均為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管直徑900 mm，壁厚16 mm；腹桿為空鋼管結(jié)構(gòu)，鋼管直徑400 mm，壁厚16 mm。全橋拱肋設(shè)11對(duì)吊桿，除拱腳至第一根吊桿間距為7.5 m外，其余吊桿中心間距均為4.5 m。拱肋、橫撐上下弦管的鋼管內(nèi)均泵送C55微膨脹混凝土。分別選取橋梁兩側(cè)拱肋的拱腳、l/8、l/4、l/2等截面作為超聲波檢測(cè)截面，在每片拱肋上分別布設(shè)9個(gè)檢測(cè)截面，截面編號(hào)順序依次沿里程增大方向從拱腳至拱頂再由拱頂至拱腳編號(hào)，測(cè)試截面布置如圖2所示。每個(gè)測(cè)試截面布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)作為換能器布置位置。每個(gè)截面換能器布置位置見圖3，在同一拱肋截面上布置3條超聲波檢測(cè)測(cè)線，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，先在水平測(cè)線上檢測(cè)，然后在2對(duì)斜向測(cè)線檢測(cè)，同時(shí)測(cè)出超聲波的聲時(shí)、首波波幅、頻率等聲學(xué)參量。一旦發(fā)現(xiàn)混凝土與管壁膠結(jié)出現(xiàn)了脫空等可疑測(cè)點(diǎn)，再補(bǔ)充測(cè)線進(jìn)行掃測(cè)，以確定缺陷的范圍以及缺陷程度。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，采用首波聲時(shí)、波形和首波頻率對(duì)鋼管內(nèi)混凝土密實(shí)性、混凝土與鋼管結(jié)合性進(jìn)行綜合評(píng)判后，通過分析整理，得出了該橋鋼管混凝土密實(shí)性和結(jié)合性能的檢測(cè)結(jié)果，部分檢測(cè)結(jié)果列于表2～3。通過對(duì)表2～3的分析可知：

（1）鋼管拱肋頂部敲擊聲沉悶。

（2）超聲波首波信號(hào)良好，接受頻率較高，聲時(shí)正常、聲速均在3 800 m/s以上，波形均清晰、正常，沒有畸變現(xiàn)象。

檢測(cè)表明，拱肋核心混凝土填充飽滿密實(shí)、與鋼管膠結(jié)良好，混凝土強(qiáng)度能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

（1）超聲波法檢測(cè)鋼管混凝土密實(shí)度是一種簡(jiǎn)便易行的檢測(cè)方法，聲速參數(shù)標(biāo)定參照拱腳和波速得到，測(cè)試精度較高。

（2）該方法不僅能檢測(cè)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷，而且能夠準(zhǔn)確找出缺陷的部位和范圍。

（3）蘭州新區(qū)緯七路K5+159大橋，鋼管內(nèi)混凝土填充飽滿密實(shí)、混凝土與鋼管膠結(jié)良好。

參考文獻(xiàn)

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