超声波透射法在桥梁钢管混凝土拱肋密实性检测中的应用

戴许海　马安财

摘要 文章介绍了超声波透射法检测钢管混凝土系杆拱桥拱肋核心混凝土密实性的检测原理、检测方法、检测过程、声速标定方法、数据处理方法以及质量综合判定，并结合具体工程实例，通过现场检测对桥梁钢管混凝土拱的施工质量进行了综合判定，可为同类桥梁的拱肋密实性检测提供参考。

关键词 系杆拱桥；钢管混凝土拱肋；密实性；超声波检测技术

中图分类号 TU398.9文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）16-0096-03

0 引言

钢管混凝土拱桥具有跨越能力强、施工技术成熟、造型美观等特点，在我国得到了广泛应用[1-2]。钢管内的核心混凝土为隐蔽施工，受拱肋截面尺寸、施工工艺和钢管节段连接板等影响较大，容易出现混凝土空洞、混凝土和钢管壁的脱黏等隐蔽缺陷，会对桥梁整体结构的质量产生影响[3-4]。为了能准确地检测出钢管混凝土拱肋的内部隐蔽缺陷，可采用超声波透射法对拱肋截面进行检测。

1 检测原理及方法

超声波透射检测技术的原理：在通过钢管混凝土轴线的一条测线上，一端布设发射换能器，另一端布设接收换能器。发射换能器发射出的超声波在透过钢管混凝土后被接收端换能器接收。超声波在传播过程中遇到缺陷时会产生反射和绕射。绕过缺陷的超声波会被接收换能器接收，所用声时会有所延长，相应声速会降低。检测时根据接收到的超声波声学参数平均值和标准差的统计计算及异常值判别，结合检测波形曲线的首波、波幅频率，再参考小锤敲击的结果对缺陷进行判定[5]。

由于钢管混凝土拱肋的外部钢管及内部混凝土属不同介质，会影响到超声波传播的路径。钢管混凝土结构中常见的超声波传播路径如图1所示。

2 检测过程及声速标定方法

钢管混凝土密实性现场检测时主要采用沿径向的对测法，对测法是在穿过钢管拱轴线的拱肋同一测线的两端测点上分别布设发射换能器和接收换能器进行的检测，换能器和管壁之间采用凡士林进行耦合。检测步骤如下：①首先用凡士林将换能器耦合在拱肋同一测线的两端，确保发射换能器和接收换能器的连线通过拱肋轴心；② 在同一拱肋截面上按照事先布设好的测线逐一进行数据的采集；③数据采集过程中，如果出现了某些测点的声时值过长或波幅明显偏低等现象，应及时检查换能器与管壁的耦合是否良好，同时用小锤在耦合面上以敲击的方式检查管内是否有空鼓声，从而排除换能器耦合不良的影响。

由于，混凝土强度离散性较大和现场检测环境等的影响，使得混凝土结构实际的声速也较离散，因此，设计标号的核心混凝土声速界限值需要现场标定。混凝土声速的标定，一般要通过对事先制作并达到相应龄期要求的标准试件的测试来确定。而对于直径较大的钢管混凝土拱肋，由于施工工艺的缘故，拱脚一般都是密实的，因此可通过对拱脚混凝土的测试来进行声速的标定。

3 检测数据处理

波速明显小于常值的测点可视为可疑测点，对可疑测点需要重复测试，直到检测结果稳定。将测区中每个测点的波速值从大到小排列，明显靠后的数据为可疑数据。将可疑数据最大值与先前数据放到一起计算均值mx和标准差Sx，用公式（1）代替计算异常值X0的判断值。

X₀=m_x?λ₁·S_xσ （1）

式中，λ₁——99.75%可靠度对应的保证率系数，按照3σ原则确定，λ₁取为3。

将X₀与可疑数据最大值X_n进行比较，X_n小于或等于X₀时，X_n及排列于其后的数据均为异常值；X_n大于X₀时，再次放入X_n+1进行统计。当不再出现异常值时，将最小测试值与X₀进行比较，当最小测试值大于X₀时认为混凝土的密实性和强度满足要求[4]。

4 钢管混凝土质量综合评定

通过对现场检测数据的分析和处理，根据规范可判定钢管混凝土拱肋核心混凝土的浇筑质量。钢管内核心混凝土的浇筑质量可分为4个类别，具体见表1[5]。

5 工程实例

纬七路K5+159大桥为兰州新区二号湖范围内的跨湖桥，桥梁全长为120.82 m，上部结构采用1～5 m装配式后张法预应力混凝土简支箱梁+1～60 m系杆拱+1～25 m简支箱梁。其中，主跨桥梁结构为钢管混凝土系杆拱结构，拱肋计算跨径60 m，梁长63.1 m，主梁采用单箱多室箱型截面，拱肋采用外径为120 cm、壁厚为22 cm的单管圆形断面钢管混凝土结构，上、下弦管肋间连接钢管由16 mm厚的Q345qE钢板卷制而成，拱肋间设置5道横撑，横撑均为一字平面桁架撑。桁架横撑由上下弦杆及腹杆组成，上下弦杆均为钢管混凝土结构，钢管直径900 mm，壁厚16 mm；腹杆为空钢管结构，钢管直径400 mm，壁厚16 mm。全桥拱肋设11对吊杆，除拱脚至第一根吊杆间距为7.5 m外，其余吊杆中心间距均为4.5 m。拱肋、横撑上下弦管的钢管内均泵送C55微膨胀混凝土。分别选取桥梁两侧拱肋的拱脚、l/8、l/4、l/2等截面作為超声波检测截面，在每片拱肋上分别布设9个检测截面，截面编号顺序依次沿里程增大方向从拱脚至拱顶再由拱顶至拱脚编号，测试截面布置如图2所示。每个测试截面布置6个测点作为换能器布置位置。每个截面换能器布置位置见图3，在同一拱肋截面上布置3条超声波检测测线，现场检测时，先在水平测线上检测，然后在2对斜向测线检测，同时测出超声波的声时、首波波幅、频率等声学参量。一旦发现混凝土与管壁胶结出现了脱空等可疑测点，再补充测线进行扫测，以确定缺陷的范围以及缺陷程度。

根据现场测试数据，采用首波声时、波形和首波频率对钢管内混凝土密实性、混凝土与钢管结合性进行综合评判后，通过分析整理，得出了该桥钢管混凝土密实性和结合性能的检测结果，部分检测结果列于表2～3。通过对表2～3的分析可知：

（1）钢管拱肋顶部敲击声沉闷。

（2）超声波首波信号良好，接受频率较高，声时正常、声速均在3 800 m/s以上，波形均清晰、正常，没有畸变现象。

检测表明，拱肋核心混凝土填充饱满密实、与钢管胶结良好，混凝土强度能够达到设计要求。

6 结语

（1）超声波法检测钢管混凝土密实度是一种简便易行的检测方法，声速参数标定参照拱脚和波速得到，测试精度较高。

（2）该方法不仅能检测钢管混凝土结构内部缺陷，而且能够准确找出缺陷的部位和范围。

（3）兰州新区纬七路K5+159大桥，钢管内混凝土填充饱满密实、混凝土与钢管胶结良好。

参考文献

[1]周水兴， 王鹏， 宋功谭， 等. 广义李特公式在700m钢管混凝土拱桥试设计中的应用[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）， 2023（4）： 21-26.

[2]陈宝春. 钢管混凝土拱桥（第三版）[M]. 北京：人民交通出版社， 2016．

[3]高彦滢， 马安财. 系杆拱桥钢管混凝土密实性方法及应用[J]. 绿色科技， 2020（18）： 206-207.

[4]张宁锋， 马安财. 钢管混凝土柱超声波检测技术实践应用[J]. 中国建材科技， 2019（4）： 6-7+13.

[5]陕西省建筑科学研究设计院， 同济大学. 超声法检测混凝土缺陷技术规程： CECS21—2000[S]. 北京：中国工程建设标准化协会， 2000.