基于數理統計理論的超聲波法鋼管混凝土質量判定研究

王渝清

(廣西公路檢測有限公司,廣西 南寧 530024)

0 引言

我國在1990年建設首座鋼管混凝土拱橋后,通過三十余年的發展,已建設鋼管混凝土拱橋的總量達到400余座[1],該技術在國內得到了快速的發展和運用[2-3]。國內尤其是廣西區內在建鋼管混凝土拱橋數量逐年增多,跨徑逐年增大。國內建設的相關項目多數采用泵送頂升施工方法,因為常規泵送頂升可能會導致管內出現局部滯留空氣,進一步造成脫空、脫粘等問題,這是限制該技術發展的核心因素。鋼管混凝土拱橋建造技術經過多年發展,相繼發明了管內混凝土真空輔助灌注技術、歷程可控復合膨脹技術,以及管內混凝土材料選擇、配合比設計、生產、運輸、灌注施工及養護全過程的精細化管理技術,并在合江長江一橋、馬灘紅水河特大橋、平南三橋等工程中成功應用。隨著鋼管混凝土拱橋建設數量的增加,管內混凝土質量檢測得到重視。本文采用超聲波法,對沙尾左江特大橋8根拱肋弦桿鋼管混凝土灌注混凝土后齡期分別為2 d、7 d、14 d、28 d共4個工況進行試驗測試,根據現場實際情況,每根主拱肋布置9個檢測區域,每一測區布置6個截面,共布置216個測點,實測有效數據864組,基于數理統計對其測試結果進行評價。結果表明:沙尾左江特大橋在不同齡期下的鋼管混凝土均判定為密實性良好,說明超聲波法聲學參數結合數理統計理論評定混凝土質量是可行的。

1 工程概況

沙尾左江特大橋橫跨左江,位于崇左市沙尾村。主橋采取跨徑為340 m的中承式提籃拱,橋梁矢跨比為1/4.533,主拱軸線選擇懸鏈線,其中拱軸系數m=1.55。拱肋采取桁架式,在豎直面向內偏斜10°,形成提籃拱。拱鉸鉸心橫橋向中心間距為38 m。本次設計中的單片拱肋選擇變高度四管桁式的方案,拱頂截面徑向高度為7 m,拱腳截面徑向高度為12 m,肋寬為3.2 m。每肋上、下弦都采用φ1 200 mm的弦管,其中壁厚為24～32 mm,管內采用C60自密實補償收縮混凝土。主拱肋依靠綴管φ720 mm等連接形成矩形截面。主拱弦管采用Q345qC鋼材。沙尾左江特大橋全橋主弦管共8根,采用真空輔助“二級接力”的灌注工藝,分8次進行灌注,泵送最高點距江面近100 m。全橋8根主弦管如果銜接到一起,長度可達3 147.792 m,灌注方量共計3 390.2 m3。主橋及拱肋橫斷面布置詳見下頁圖1、圖2。

圖1 沙尾左江特大橋主橋平面圖(cm)

圖2 主橋拱肋橫斷面布置示意圖(cm)

2 數理統計理論

數理統計理論的基本思想是給出置信概率,確定相應的置信范圍,并將超出該范圍的觀測值視為測試對象質量變化導致。在超聲波檢測中遇到異常值時,需檢查被測試混凝土表面是否平整、清潔或存在影響測試結果的其他干擾因素,必要時增加更多測量點或重復測試,以消除外部及人為因素的干擾。通常,正常混凝土的測試結果遵循正態分布,在測試過程中,可以將超過給定置信范圍的觀測值分類為異常值,且認為該測點的混凝土質量異常。

測試位置各項聲學數據的均值以及標準差,則應當依據式(1)、式(2)進行計算[4-5]:

mx=∑Xi/n

(1)

(2)

式中:mx——混凝土聲學參數的平均值;

Sx——混凝土聲學參數的標準差;

Xi——第i點的聲學參數量值;

n——參與統計的測點數。

異常數據可依據下述方法進行判斷:對于各類測點的波幅、聲速或者是主頻值,從大到小,依據順序開展排列,即X1≥X2≥…≥Xn≥Xn+1…,將位于后部顯著偏小的數據看作是可疑,再度將相關可疑數據中最大的一個(設定Xn),與前方數據以及式(1)、式(2)計算獲得對應的mx與Sx值,代入式(3)即可計算獲得異常狀況判斷值(X0):

X0=mx-λ1·Sx

(3)

式中:X0——聲學參數異常情況的判斷值;

mx——混凝土聲學參數的平均值;

Sx——混凝土聲學參數的標準差;

λ1——統計數參數,按表1取值。

表1 統計數的個數n與對應的λ1值表

對判斷值X0和可疑數據的最大值Xn展開對比,在Xn≤X0的情況下,Xn和后部的各類數據都是異常參數,同理,應用X1～Xn-1開展具體的計算以及判別,直至識別不到異常值即可停止;而在Xn>X0的情況下,應當將Xn+1放入其中再度開展計算與判別。見表1。

3 工程實踐與數理分析

3.1 測點布置與試驗

對沙尾左江特大橋8根拱肋弦桿鋼管混凝土灌注混凝土后齡期分別為2 d、7 d、14 d、28 d共4個工況進行混凝土超聲波測試。根據現場實際情況,每根主拱肋布置8個測試區域,每一測區布置6個截面(間距15 cm),每一截面布置4個測點(米字型對稱布置),共布置192個測點,采集數據共768組,見圖3。

圖3 單個測區測點分布示意圖(cm)

3.2 超聲波測試結果

超聲波測試的基礎理論,即在鋼管外徑的一側,運用相應的發射換能器傳遞振動,通過圓心將超聲波傳導至另外一側的接收器。超聲波在實際傳播環節中,會因為遭遇各類界面缺陷影響,進而轉變實際的傳播方向與路徑,能量在缺陷位置產生衰減,進而使得超聲波抵達的聲時、聲幅與頻率等基本數據出現一定的變動。依據傳播環節中各類數據的變動,進而對混凝土質量作出相應的判斷。

依靠深入調查有關資料與成果,運用超聲波開展測試有良好的可行性。超聲波沿鋼管壁傳播路徑是發射→直線穿過鋼管壁→直線穿過混凝土→直線穿過鋼管壁→接收。缺陷傳播會造成傳播時間有所增長,波幅衰減有一定程度的增長以及波的相位產生轉變。不同數據對于不同的缺陷會產生多種敏感性。聲時對缺陷有著很高的敏感性,若是其實際的狀態為灌注密實,測定得出的聲速會相對較大,而若是其中有缺陷則會偏小。聲速對于混凝土不同缺陷的敏感程度從大到小排序為:脫層、空洞、麻面,因此可以選擇超聲波測試中的首波聲時法對脫空缺陷進行定量分析。由于篇幅所限,此處僅給出1#主拱肋聲速曲線圖,如圖4所示。

圖4 1#主拱肋1#～4#測點不同齡期聲速曲線圖

3.3 超聲波測試結果數理分析

拱肋實管為拱肋鋼管灌注混凝土完成后的實心狀態,通過計算分析得出各拱肋實管測點鋼管混凝土的波速值。由于篇幅所限,此處僅給出1#主拱肋1#測區7 d齡期聲速結果表(后頁表2)。鋼管混凝土的灌注質量綜合評判標準按后頁表3進行評判。

表2 1#主拱肋1#測區7 d齡期聲速測試結果表

表3 超聲測試鋼管混凝土密實性結果判定表

沙尾左江特大橋鋼管混凝土采用超聲波法進行質量測試,全橋測試的有效數據數量為864組。測試結果表明:1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#鋼管不同齡期的超聲波測試聲速值均大于判斷值X0,沙尾左江特大橋在2 d、7 d、14 d、28 d 4個齡期下的鋼管混凝土密實性均判定為良好,鋼管混凝土密實性均滿足正常使用和設計要求。

4 結語

(1)沙尾左江特大橋鋼管混凝土測試結果表明,首波聲時法可對鋼管混凝土缺陷進行有效測試,測試數據能夠判別缺陷的范圍及其嚴重程度。

(2)采用超聲波檢測法,通過測試點的合理布置,采用數理統計分析方法,可以快速和較準確地檢測鋼管混凝土質量。

(3)沙尾左江特大橋鋼管混凝土采用超聲波法進行質量測試,測試結果表明:沙尾左江特大橋在2 d、7 d、14 d、28 d 4個齡期下的鋼管混凝土均判定為密實性良好。超聲波法聲學參數結合數理統計學分析,在鋼管混凝土質量判定中運用是可行的。

(4)沙尾左江特大橋鋼管混凝土結構建成并投入運營后,建議在后期的橋梁運營過程中,加強對該橋梁的鋼管混凝土密實性監測和定期檢測,確保該橋梁結構安全可靠、經濟耐久。