超聲波透射法在橋梁鋼管混凝土拱肋密實性檢測中的應用

戴許海　馬安財

摘要 文章介紹了超聲波透射法檢測鋼管混凝土系桿拱橋拱肋核心混凝土密實性的檢測原理、檢測方法、檢測過程、聲速標定方法、數據處理方法以及質量綜合判定，并結合具體工程實例，通過現場檢測對橋梁鋼管混凝土拱的施工質量進行了綜合判定，可為同類橋梁的拱肋密實性檢測提供參考。

關鍵詞 系桿拱橋；鋼管混凝土拱肋；密實性；超聲波檢測技術

中圖分類號 TU398.9文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0096-03

0 引言

鋼管混凝土拱橋具有跨越能力強、施工技術成熟、造型美觀等特點，在我國得到了廣泛應用[1-2]。鋼管內的核心混凝土為隱蔽施工，受拱肋截面尺寸、施工工藝和鋼管節段連接板等影響較大，容易出現混凝土空洞、混凝土和鋼管壁的脫黏等隱蔽缺陷，會對橋梁整體結構的質量產生影響[3-4]。為了能準確地檢測出鋼管混凝土拱肋的內部隱蔽缺陷，可采用超聲波透射法對拱肋截面進行檢測。

1 檢測原理及方法

超聲波透射檢測技術的原理：在通過鋼管混凝土軸線的一條測線上，一端布設發射換能器，另一端布設接收換能器。發射換能器發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會產生反射和繞射。繞過缺陷的超聲波會被接收換能器接收，所用聲時會有所延長，相應聲速會降低。檢測時根據接收到的超聲波聲學參數平均值和標準差的統計計算及異常值判別，結合檢測波形曲線的首波、波幅頻率，再參考小錘敲擊的結果對缺陷進行判定[5]。

由于鋼管混凝土拱肋的外部鋼管及內部混凝土屬不同介質，會影響到超聲波傳播的路徑。鋼管混凝土結構中常見的超聲波傳播路徑如圖1所示。

2 檢測過程及聲速標定方法

鋼管混凝土密實性現場檢測時主要采用沿徑向的對測法，對測法是在穿過鋼管拱軸線的拱肋同一測線的兩端測點上分別布設發射換能器和接收換能器進行的檢測，換能器和管壁之間采用凡士林進行耦合。檢測步驟如下：①首先用凡士林將換能器耦合在拱肋同一測線的兩端，確保發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好的測線逐一進行數據的采集；③數據采集過程中，如果出現了某些測點的聲時值過長或波幅明顯偏低等現象，應及時檢查換能器與管壁的耦合是否良好，同時用小錘在耦合面上以敲擊的方式檢查管內是否有空鼓聲，從而排除換能器耦合不良的影響。

由于，混凝土強度離散性較大和現場檢測環境等的影響，使得混凝土結構實際的聲速也較離散，因此，設計標號的核心混凝土聲速界限值需要現場標定。混凝土聲速的標定，一般要通過對事先制作并達到相應齡期要求的標準試件的測試來確定。而對于直徑較大的鋼管混凝土拱肋，由于施工工藝的緣故，拱腳一般都是密實的，因此可通過對拱腳混凝土的測試來進行聲速的標定。

3 檢測數據處理

波速明顯小于常值的測點可視為可疑測點，對可疑測點需要重復測試，直到檢測結果穩定。將測區中每個測點的波速值從大到小排列，明顯靠后的數據為可疑數據。將可疑數據最大值與先前數據放到一起計算均值mx和標準差Sx，用公式（1）代替計算異常值X0的判斷值。

X₀=m_x?λ₁·S_xσ （1）

式中，λ₁——99.75%可靠度對應的保證率系數，按照3σ原則確定，λ₁取為3。

將X₀與可疑數據最大值X_n進行比較，X_n小于或等于X₀時，X_n及排列于其后的數據均為異常值；X_n大于X₀時，再次放入X_n+1進行統計。當不再出現異常值時，將最小測試值與X₀進行比較，當最小測試值大于X₀時認為混凝土的密實性和強度滿足要求[4]。

4 鋼管混凝土質量綜合評定

通過對現場檢測數據的分析和處理，根據規范可判定鋼管混凝土拱肋核心混凝土的澆筑質量。鋼管內核心混凝土的澆筑質量可分為4個類別，具體見表1[5]。

5 工程實例

緯七路K5+159大橋為蘭州新區二號湖范圍內的跨湖橋，橋梁全長為120.82 m，上部結構采用1～5 m裝配式后張法預應力混凝土簡支箱梁+1～60 m系桿拱+1～25 m簡支箱梁。其中，主跨橋梁結構為鋼管混凝土系桿拱結構，拱肋計算跨徑60 m，梁長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構，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構，鋼管直徑900 mm，壁厚16 mm；腹桿為空鋼管結構，鋼管直徑400 mm，壁厚16 mm。全橋拱肋設11對吊桿，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均泵送C55微膨脹混凝土。分別選取橋梁兩側拱肋的拱腳、l/8、l/4、l/2等截面作為超聲波檢測截面，在每片拱肋上分別布設9個檢測截面，截面編號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，測試截面布置如圖2所示。每個測試截面布置6個測點作為換能器布置位置。每個截面換能器布置位置見圖3，在同一拱肋截面上布置3條超聲波檢測測線，現場檢測時，先在水平測線上檢測，然后在2對斜向測線檢測，同時測出超聲波的聲時、首波波幅、頻率等聲學參量。一旦發現混凝土與管壁膠結出現了脫空等可疑測點，再補充測線進行掃測，以確定缺陷的范圍以及缺陷程度。

根據現場測試數據，采用首波聲時、波形和首波頻率對鋼管內混凝土密實性、混凝土與鋼管結合性進行綜合評判后，通過分析整理，得出了該橋鋼管混凝土密實性和結合性能的檢測結果，部分檢測結果列于表2～3。通過對表2～3的分析可知：

（1）鋼管拱肋頂部敲擊聲沉悶。

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

檢測表明，拱肋核心混凝土填充飽滿密實、與鋼管膠結良好，混凝土強度能夠達到設計要求。

6 結語

（1）超聲波法檢測鋼管混凝土密實度是一種簡便易行的檢測方法，聲速參數標定參照拱腳和波速得到，測試精度較高。

（2）該方法不僅能檢測鋼管混凝土結構內部缺陷，而且能夠準確找出缺陷的部位和范圍。

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

參考文獻

[1]周水興， 王鵬， 宋功譚， 等. 廣義李特公式在700m鋼管混凝土拱橋試設計中的應用[J]. 重慶交通大學學報（自然科學版）， 2023（4）： 21-26.

[2]陳寶春. 鋼管混凝土拱橋（第三版）[M]. 北京：人民交通出版社， 2016．

[3]高彥瀅， 馬安財. 系桿拱橋鋼管混凝土密實性方法及應用[J]. 綠色科技， 2020（18）： 206-207.

[4]張寧鋒， 馬安財. 鋼管混凝土柱超聲波檢測技術實踐應用[J]. 中國建材科技， 2019（4）： 6-7+13.

[5]陜西省建筑科學研究設計院， 同濟大學. 超聲法檢測混凝土缺陷技術規程： CECS21—2000[S]. 北京：中國工程建設標準化協會， 2000.