系杆拱桥钢管混凝土密实性方法及应用

高彦滢，马安财

(1.甘肃省平凉公路局，甘肃 平凉 744000；2.甘肃交通职业技术学院，甘肃 兰州 730070)

1 钢管混凝土结构检测概述

钢管混凝土结构兼有钢结构和混凝土结构的优点，结构受力合理，核心混凝土在三向应力状态下强度得以极大提高，施工时节省模板和支架，核心混凝土施工方便，近年来在桥梁界得到了广泛应用[1,2]。由于钢管内核心混凝土为隐蔽施工，受施工工艺、拱肋截面尺寸等方面的影响，容易出现混凝土和钢管内壁的脱粘、核心混凝土空洞等不易直接观测的缺陷，从而影响结构的质量[3]。

为能较为准确地探明内部缺陷，非金属超声波探测技术被成功应用到钢管混凝土结构的无损检测方面。非金属超声波检测技术是通过对超声波检测仪发射并接收到的在钢管混凝土结构内部传播的声波信号的分析，来判断钢管内混凝土结构内部的密实程度和缺陷分布情况。该方法不会对被测结构造成损伤，操作简便，从而在建筑、桥梁结构的检测中得到了推广和应用。

2 钢管混凝土密实性检测原理

钢管混凝土由钢管和混凝土组合而成，即核心混凝土外包了一层钢管。检测时，利用发射换能器在钢管外壁一侧激发起高频振动超声波信号，超声波信号经钢管和管内核心混凝土传向另一侧管壁的接收换能器。超声波在钢管混凝土中的传播与在单一的钢管或混凝土中的传播方式有所不同，在传播过程中如遇到缺陷，其传播方向和路径都会发生改变，主要有4种路径：密实状态下的透射和绕射、脱粘状态下的折射、空洞状态下的绕射和复杂形态。超声波传播路径的改变会引起发射能量的衰减，引起声时、振幅和频率发生变化。通过对检测记录到的超声波信号进行综合分析可实现对钢管内混凝土密实程度等质量的判断。

3 钢管混凝土拱肋密实性检测

3.1 检测方法

3.1.1 首波声时法

通过接收端换能器的首波最短途径声时可判断声波混凝土密实程度。当混凝土和钢管壁接触密实时，超声波穿过钢管混凝土到达接收换能器的声时为t1；当有脱粘、空洞等缺陷时超声波通过绕射达到接收端换能器，声时为t2，在外径相等的情况下，显然t2>t1。

3.1.2 首波频率法

超声波发射端换能器产生固定频率的脉冲波，在其传播过程中遇到的均匀性差或存在缺陷的混凝土时会发生衰减，衰减越明显说明质量越差；密实的无缺陷的混凝土首波频率衰减少，相对较高，针对“缺陷的混凝土将使高频率声波衰减为较低频的波”这一特点，可根据首波频率判断混凝土的密实性及缺陷。

3.1.3 波形识别法

通过判断脉冲波波形畸变程度来判断钢管混凝土内部是否存在缺陷。超声波仪发射的脉冲正弦或余弦波在传播过程中若遇到施工界面，特别是固-气界面时会发生反射、绕射现象，反射或绕射后的波与原脉冲波叠加后即产生波干扰，使波形发生畸变。

一般实际检测过程中，都是通过对以上3种方法综合运用来实现钢管混凝土内部缺陷检测。

3.2 测线布置及检测过程

对于一般结构的超声检测布置测线时可采用平测法、对测法、斜测法这3种方法组合起来的混合法。而对于钢管混凝土拱桥，考虑到实际拱肋的曲线形状及现场操作难度，平测和斜测法不易实现，因此主要采用沿径向的对测法。沿径向的对测法是将发射和接收换能器耦合在拱肋两侧，使透射路线沿径向垂直穿过钢管拱的轴线。

检测过程为：①先在钢管混凝土同一水平环线上将一对换能器用黄油进行耦合，使发射和接收换能器的连线通过钢管拱截面的轴线；②在同一水平环线上不断变换发射和接收换能器的固定位置，并逐一进行检测；③检测过程中如发现某些测点声时偏长或波幅明显偏低，应检查换能器与钢管耦合接触是否良好，同时采用小锤敲击耦合面处是否有空鼓声，以便排除耦合接触不良对检测结果的的干扰。

3.3 声速及初始声时标定

只有测得准确的声时、声速才能得到准确的检测结果。由于现场环境影响、混凝土强度离散性较大等缘故，混凝土的实际声速离散性也较大，所以现场中需要确定设计的核心混凝土的声速界限，这一工作需通过测试现场提前制作的标准试件得到。通过大量的试验结果表明[4]，对于直径较大的拱肋，现行钢管混凝土的泵送工艺施工而成的钢管混凝土拱脚出现空洞的可能性非常小，所以也可通过拱脚的混凝土进行声速标定。

超声波检测仪的初始声时也称为零声时，是两换能器对在一起测到的声时，对结果影响较大，在实际测试中都需要进行标定，计算时予以消除。

4 钢管混凝土密实性质量综合判定

根据规范及工程中相关同类检测实践总结资料，结合现场检测数据的计算，分析判断钢管混凝土拱肋填充混凝土浇筑质量的测试结果。规范将混凝土的质量分为4个类别[5]。

I类：混凝土密实，与管壁结合良好好，波速>4100 m/s，波形清晰并正常，锤击声沉闷；Ⅱ类：混凝土较密实，与管壁的结合质量较好，波速在3800～4100 m/s，波形并清晰正常，锤击声沉闷；Ⅲ类：混凝土密实较差、，与管壁的结合质量稍差，波速在3500～3800 m/s，波形有细波或不清晰现象，混凝土有轻微的缺陷，锤击有轻微回声；Ⅳ类：混凝土密实性差，与管壁的结合质量较差，波速<3500 m/s，波形有细波或不清晰现象，混凝土有缺陷，锤击有回声。

5 工程实例

5.1 检测概况

吴忠至中卫铁路跨定武高速立交特大桥为48 m+80 m+48 m简支系杆拱，系梁全长176 m。其跨中80 m拱肋采用外径90 cm壁厚δ=16 mm的钢管混凝土空腹哑铃型截面，拱脚段采用C55纤维素混凝土，其余部分采用C55混凝土。分别选取拱肋的拱脚及L/8～7L/8截面作为测试截面，在每片拱肋上布设9个测试截面。每个测试截面布6条换能器对测的测线，在拱肋同一圆周上布置3对超声测点。先通过敲击的方式对拱肋密实性进行了一个初判，然后用康科瑞非金属超声波亦按既定的测点进行了现场检测。

5.2 结果分析

根据现场测试数据，对钢管内混凝土密实性、混凝土与钢管结合性，采用首波声时、波形和首波频率进行综合评判后，通过分析整理得出本次钢管混凝土密实性以及结合性能检测结果，部分检测结果见表1。通过检测和对测试数据的分析得到：

(1)小锤敲击测试截面钢管顶部和两侧部位的敲击声沉闷且哑。

(2)超声波仪接收到的首波信号良好，信号频率普遍较高、声时传播正常、所有检测部位的声速均>3800 m/s，测试波形均清晰正常，波形没有畸变现象。分析表明，钢管内混凝土填充饱满密实、混凝土与钢管胶结良好。

表1 线路左侧钢管混凝土拱肋超声检测部分结果

6 结语

(1)超声波法检测钢管混凝土密实性是一种简单易行的方法，通过合理布设测点，参照拱脚进行声速参数标定，测试精度较高。

(2)该方法既可以检测出钢管混凝土结构是否存在内部缺陷，并能准确找出缺陷的部位及缺陷范围。

(3)吴忠至中卫铁路跨定武高速立交特大桥，钢管内混凝土填充饱满密实、混凝土与钢管胶结良好。