系桿拱橋鋼管混凝土密實性方法及應用

高彥瀅，馬安財

(1.甘肅省平涼公路局，甘肅 平涼 744000；2.甘肅交通職業技術學院，甘肅 蘭州 730070)

1 鋼管混凝土結構檢測概述

鋼管混凝土結構兼有鋼結構和混凝土結構的優點，結構受力合理，核心混凝土在三向應力狀態下強度得以極大提高，施工時節省模板和支架，核心混凝土施工方便，近年來在橋梁界得到了廣泛應用[1,2]。由于鋼管內核心混凝土為隱蔽施工，受施工工藝、拱肋截面尺寸等方面的影響，容易出現混凝土和鋼管內壁的脫粘、核心混凝土空洞等不易直接觀測的缺陷，從而影響結構的質量[3]。

為能較為準確地探明內部缺陷，非金屬超聲波探測技術被成功應用到鋼管混凝土結構的無損檢測方面。非金屬超聲波檢測技術是通過對超聲波檢測儀發射并接收到的在鋼管混凝土結構內部傳播的聲波信號的分析，來判斷鋼管內混凝土結構內部的密實程度和缺陷分布情況。該方法不會對被測結構造成損傷，操作簡便，從而在建筑、橋梁結構的檢測中得到了推廣和應用。

2 鋼管混凝土密實性檢測原理

鋼管混凝土由鋼管和混凝土組合而成，即核心混凝土外包了一層鋼管。檢測時，利用發射換能器在鋼管外壁一側激發起高頻振動超聲波信號，超聲波信號經鋼管和管內核心混凝土傳向另一側管壁的接收換能器。超聲波在鋼管混凝土中的傳播與在單一的鋼管或混凝土中的傳播方式有所不同，在傳播過程中如遇到缺陷，其傳播方向和路徑都會發生改變，主要有4種路徑：密實狀態下的透射和繞射、脫粘狀態下的折射、空洞狀態下的繞射和復雜形態。超聲波傳播路徑的改變會引起發射能量的衰減，引起聲時、振幅和頻率發生變化。通過對檢測記錄到的超聲波信號進行綜合分析可實現對鋼管內混凝土密實程度等質量的判斷。

3 鋼管混凝土拱肋密實性檢測

3.1 檢測方法

3.1.1 首波聲時法

通過接收端換能器的首波最短途徑聲時可判斷聲波混凝土密實程度。當混凝土和鋼管壁接觸密實時，超聲波穿過鋼管混凝土到達接收換能器的聲時為t1；當有脫粘、空洞等缺陷時超聲波通過繞射達到接收端換能器，聲時為t2，在外徑相等的情況下，顯然t2>t1。

3.1.2 首波頻率法

超聲波發射端換能器產生固定頻率的脈沖波，在其傳播過程中遇到的均勻性差或存在缺陷的混凝土時會發生衰減，衰減越明顯說明質量越差；密實的無缺陷的混凝土首波頻率衰減少，相對較高，針對“缺陷的混凝土將使高頻率聲波衰減為較低頻的波”這一特點，可根據首波頻率判斷混凝土的密實性及缺陷。

3.1.3 波形識別法

通過判斷脈沖波波形畸變程度來判斷鋼管混凝土內部是否存在缺陷。超聲波儀發射的脈沖正弦或余弦波在傳播過程中若遇到施工界面，特別是固-氣界面時會發生反射、繞射現象，反射或繞射后的波與原脈沖波疊加后即產生波干擾，使波形發生畸變。

一般實際檢測過程中，都是通過對以上3種方法綜合運用來實現鋼管混凝土內部缺陷檢測。

3.2 測線布置及檢測過程

對于一般結構的超聲檢測布置測線時可采用平測法、對測法、斜測法這3種方法組合起來的混合法。而對于鋼管混凝土拱橋，考慮到實際拱肋的曲線形狀及現場操作難度，平測和斜測法不易實現，因此主要采用沿徑向的對測法。沿徑向的對測法是將發射和接收換能器耦合在拱肋兩側，使透射路線沿徑向垂直穿過鋼管拱的軸線。

檢測過程為：①先在鋼管混凝土同一水平環線上將一對換能器用黃油進行耦合，使發射和接收換能器的連線通過鋼管拱截面的軸線；②在同一水平環線上不斷變換發射和接收換能器的固定位置，并逐一進行檢測；③檢測過程中如發現某些測點聲時偏長或波幅明顯偏低，應檢查換能器與鋼管耦合接觸是否良好，同時采用小錘敲擊耦合面處是否有空鼓聲，以便排除耦合接觸不良對檢測結果的的干擾。

3.3 聲速及初始聲時標定

只有測得準確的聲時、聲速才能得到準確的檢測結果。由于現場環境影響、混凝土強度離散性較大等緣故，混凝土的實際聲速離散性也較大，所以現場中需要確定設計的核心混凝土的聲速界限，這一工作需通過測試現場提前制作的標準試件得到。通過大量的試驗結果表明[4]，對于直徑較大的拱肋，現行鋼管混凝土的泵送工藝施工而成的鋼管混凝土拱腳出現空洞的可能性非常小，所以也可通過拱腳的混凝土進行聲速標定。

超聲波檢測儀的初始聲時也稱為零聲時，是兩換能器對在一起測到的聲時，對結果影響較大，在實際測試中都需要進行標定，計算時予以消除。

4 鋼管混凝土密實性質量綜合判定

根據規范及工程中相關同類檢測實踐總結資料，結合現場檢測數據的計算，分析判斷鋼管混凝土拱肋填充混凝土澆筑質量的測試結果。規范將混凝土的質量分為4個類別[5]。

I類：混凝土密實，與管壁結合良好好，波速>4100 m/s，波形清晰并正常，錘擊聲沉悶；Ⅱ類：混凝土較密實，與管壁的結合質量較好，波速在3800～4100 m/s，波形并清晰正常，錘擊聲沉悶；Ⅲ類：混凝土密實較差、，與管壁的結合質量稍差，波速在3500～3800 m/s，波形有細波或不清晰現象，混凝土有輕微的缺陷，錘擊有輕微回聲；Ⅳ類：混凝土密實性差，與管壁的結合質量較差，波速<3500 m/s，波形有細波或不清晰現象，混凝土有缺陷，錘擊有回聲。

5 工程實例

5.1 檢測概況

吳忠至中衛鐵路跨定武高速立交特大橋為48 m+80 m+48 m簡支系桿拱，系梁全長176 m。其跨中80 m拱肋采用外徑90 cm壁厚δ=16 mm的鋼管混凝土空腹啞鈴型截面，拱腳段采用C55纖維素混凝土，其余部分采用C55混凝土。分別選取拱肋的拱腳及L/8～7L/8截面作為測試截面，在每片拱肋上布設9個測試截面。每個測試截面布6條換能器對測的測線，在拱肋同一圓周上布置3對超聲測點。先通過敲擊的方式對拱肋密實性進行了一個初判，然后用康科瑞非金屬超聲波亦按既定的測點進行了現場檢測。

5.2 結果分析

根據現場測試數據，對鋼管內混凝土密實性、混凝土與鋼管結合性，采用首波聲時、波形和首波頻率進行綜合評判后，通過分析整理得出本次鋼管混凝土密實性以及結合性能檢測結果，部分檢測結果見表1。通過檢測和對測試數據的分析得到：

(1)小錘敲擊測試截面鋼管頂部和兩側部位的敲擊聲沉悶且啞。

(2)超聲波儀接收到的首波信號良好，信號頻率普遍較高、聲時傳播正常、所有檢測部位的聲速均>3800 m/s，測試波形均清晰正常，波形沒有畸變現象。分析表明，鋼管內混凝土填充飽滿密實、混凝土與鋼管膠結良好。

表1 線路左側鋼管混凝土拱肋超聲檢測部分結果

6 結語

(1)超聲波法檢測鋼管混凝土密實性是一種簡單易行的方法，通過合理布設測點，參照拱腳進行聲速參數標定，測試精度較高。

(2)該方法既可以檢測出鋼管混凝土結構是否存在內部缺陷，并能準確找出缺陷的部位及缺陷范圍。

(3)吳忠至中衛鐵路跨定武高速立交特大橋，鋼管內混凝土填充飽滿密實、混凝土與鋼管膠結良好。