钢管混凝土拱桥超声波检测技术研究

钢管混凝土拱桥超声波检测技术研究

张方俊童寿兴

张方俊童寿兴

（上海同济建设工程质量检测站，上海200092）

[摘要]通过工程实例介绍超声法检测钢管拱桥拱肋内混凝土质量的方法。根据实测数据的验算结果，提出了在钢管内壁与混凝土脱粘的场合，任何直径的钢管拱存在一个测试声速为3.7km/s左右的脱粘特征值，且分析了几种典型的反映钢管混凝土内部质量问题的案例，并给出了对应的检测波形特征示图。

[关键词]超声法；检测；钢管混凝土；质量

1.前言

华东某市有一工程的拱桥拱肋采用哑铃型钢管混凝土结构。钢管外径为900mm，内充C40自流动混凝土，分别由拱桥拱肋二端的拱脚开口处同时往上泵送。在哑铃型下部一条拱肋的施工中，由于混凝土泵送至接近拱顶部位时，拱肋一端混凝土的泵送管在弯头处不慎破裂，造成该端拱脚开口处的混凝土无法正常泵送，拱顶水平段部位的混凝土泵送只能全部改由另一端的拱脚处承担，致使原设计在拱顶部的出浆管口混凝土溢出量极少，因而怀疑拱顶水平段钢管内混凝土填充不实，拟采用超声法检测该条（哑铃型下端）拱的混凝土施工质量。

2.现场检测

2.1检测依据

本工程采用ZBL-U510超声波检测仪、依据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS21：2000）进行检测，即钢管混凝土质量的检测可参照普通混凝土缺陷的原理，按同济大学上世纪80年代提出的“超声声速、首波幅度以及接收信号波形”综合判定钢管内部填充混凝土的质量[1]。

2.2检测方案

2.2.1测点布置

哑铃型钢管拱肋桥的外形结构见图1。选取发生事故的该条哑铃型下端拱桥钢管混凝土拱的拱脚、拱L/4部位及拱L/2部位作为超声波抽检区域。每个检测区域在钢管混凝土拱的正截面上相距200mm平行划出5条环带，并在每条环带径向布置超声测点，通常钢管混凝土检测的测点如图2呈“米”字型布置[2]。根据本工程哑铃型钢管混凝土拱肋上有腹板的特点，超声波钢管径向测点布置参见图3。为了最大限度的检测到钢管拱正截面顶部的混凝土是否充实，非水平的二对测点尽量靠近腹板与钢管连接处。

图1哑铃型钢管拱肋桥

图2普通钢管混凝土布置“米”字型测点图3哑铃型钢管拱肋径向测点布置

2.2.2检测方法

在每个抽检区域，按直径方向测距，采用超声波纵波穿透法检测声时值及接收首波信号的幅度，计算其超声波传播速度，并且参考超声接收信号波形判断拱肋钢管混凝土的内在施工质量。

2.3检测数据的统计结果

ZBL-U510超声仪的传播速度、首波幅度和接收信号等检测数据经自动统计处理的结果见表1。

3.检测结果分析

3.1钢管混凝土的伪声速特征值

本工程二个拱脚部位的声速为3.7km/s，这种声速在以往钢管混凝土拱桥的检测中也经常遇见[3]。众所周知，钢的声速为5.8km/s，普通混凝土的声速为4.0～5.0km/s,砂浆的声速约为3.8km/s。混凝土强度等级C40的声速约为4.5km/s左右，存在缺陷混凝土的声速低于正常混凝土，且与其缺陷的严重程度相关。二拱脚部位3.7km/s的声速虽然很低，但其超声波形如图4所示正常，即首波幅度较高，并非通常缺陷混凝土的特征波形，按照同济大学提出的超声声速、首波幅度以及接收信号波形测缺原理综合判定其是混凝土缺陷的依据不充分。在参考文献[3]的研究中，作者曾把它定义为“脱粘”。钢管混凝土结构设计强度等级高，水泥用量多，因此水化热较大。混凝土水化放热后产生的冷缩和自身的干缩是造成核心混凝土和钢管内壁产生脱粘的主要原因之一。如图5所示的发射与接收两换能器的声通路，半园周长与直径的比值为1.57倍。ZBL-U510智能型超声仪在测试前要求输入测距—钢管直径，自动采样得到声通路间的声时值后即自动计算出传播声速。当钢管内壁与混凝土产生脱粘的场合，发射换能器发出的超声波不能径向传播至接收换能器，而是延钢管外壁传播。即超声波传播声通路不是直径方向，实际是1.57倍的直径距离。这就是每当钢管内核心混凝土与钢管壁“脱粘”的场合，任何直径的钢管拱，超声仪都会自动计算出3.7km/s左右的测试值，是导致钢管混凝土的伪声速的原因，揭秘了图4显示“低声速、正常接收波形”的实质是超声波延钢管外壁传播的内涵。此时，如果将输入的测距改为1.57倍的钢管直径，则超声仪将会自动计算出5.8km/s左右钢的声速测试值。混凝土的声速不可能低于砂浆3.8km/s的声速，在工程检测中，可以把3.7km/s左右的测试值判定为钢管混凝土脱粘的特征值。

图4超声声速为3.7km/s的波形图5发射～接收换能器的不同声通路

3.2钢管混凝土检测波形特征图

判定钢管混凝土质量的主要依据是“声速、波幅、波形”三要素。当钢管内的核心混凝土质量正常，且与钢管壁粘结良好的状态，其声速值与混凝土的强度、粗骨料的品种有关，C40~C50的声速一般为4.4~4.7km/s，但如图6（a）所示，钢管混凝土要比通常的钢筋混凝土检测时显示的波形差一些。

当钢管内核心混凝土与钢管壁脱粘的场合，典型的绕钢管传播的波形如图6（b）或者如图4所示，其声速特征值为3.7km/s左右，其首波幅度较高，因为超声波延钢管壁传播，超声波形，尤其是后续的正弦波形较紧密。工程检测中偶有两换能器放置失误在非环带径向，超声波延钢管壁短测距传播的波形示意图如图6（c）所示。此时声速值大、首波清晰，很容易误以为是正常混凝土的声速，但其首波起始点平缓不陡峭，后续的超声波束较紧密。

当钢管内核心混凝土的质量不良、与钢管壁尚粘结的场合，其声速值一般大于4.0km/s，但远小于正常检测区域内混凝土，且与缺陷的严重程度有关。如图6（d）所示，超声首波可辨，因超声声能的严重衰减、散射，呈波形变宽松散状。如量测第一周波长的声时T，其倒数即频率F值较正常混凝土的接收频率值低。

另外，钢管混凝土超声检测工程中，当工地现场有大噪音的震动机具在同时工作，震动将会在钢管上产生声波共震混响现象形成干扰源。环境噪声在钢管壁共震产生声波干扰源的波形如图6（e）所示，原首波前的一条水平基线变得起伏波动且不会静止。周围噪声对钢管混凝土的超声检测有极大的影响，这种情况应尽量避免。

如上所述，每当钢管内核心混凝土存在缺陷，或者混凝土与钢管壁有脱粘但不完全脱粘，或者工地现场有噪音的场合，都会给检测者带来困惑。此时，为找寻首波信号。时常会将超声仪的“增益”放大。早年普遍使用的模拟型例CTS-25型非金属超声波检测仪的增益采用按钮式，总增益70dB，分别由0.5dB、1~9dB、20~60dB组成，当采用等幅读数时，操作者对每一个超声测点的增益值一目了然。目前的智能型超声仪的增益由+、-二个按钮控制，但其实际的增益量无法明示得知，当在超声波接收信号较差的场合，一味按+钮，直到增益指示条加到最满、信号幅度不能再增加为至，此时往往会将干扰或共振的杂波信号放大误当首波采样。如图6（f）所示，因为增益开得大，波形带有毛刺，首波平矮且波形比较宽。即周波声时的倒数——频率很低。有时这种测点的声速还会特别高，其原因是杂波放大后当成错误首波的声时值被超前判读采样计量所至。

3.3钢管混凝土质量分析

本工程超声波检测信号表明：

1）钢管拱二个拱脚部位检测区域的平均声速为3.72(km/s)，如前所述任何直径的钢管拱，超声仪自动计算出3.7km/s左右的测试值是钢管混凝土的伪声速，且示波呈现首波平缓及后续超声波波形为在钢管壁传播的绕射波波形，表明钢管拱拱脚的拱肋钢管内壁与混凝土之间已经脱粘。超声波可检测混凝土与钢管内壁的胶结紧密程度，一旦混凝土和钢管二种介质脱粘，超声波不能径向传播，检测声时值异常偏长，即超声波速低。

2）钢管拱二个L/4部位检测区域的平均声速为4.514~4.606(km/s)、首波波幅以及超声接收波形正常，平均幅度为75.94~77.35(dB)，表明钢管拱L/4部位的检测区域内混凝土质量良好。

3）钢管拱拱中L/2的检测部位，虽然表1中的声速、幅度的平均值比较高，但声速、幅度的最小值明显偏低，而且这些测点的超声接收波形差，可评定拱中L/2部位的检测区域内混凝土密实性不良。

4结论

（1）采用“超声声速、首波幅度以及接收信号波形”三要素可综合判定钢管混凝土的质量。

（2）钢管的半周长与其直径的关系恒为1.57倍。钢管混凝土“脱粘”的场合，任何直径的钢管拱当超声仪自动计算出3.7km/s左右的测试值是钢管混凝土的伪声速，揭示了3.7km/s左右的测试值可以判定为钢管混凝土脱粘的特征值。

（3）钢管混凝土的检测时，要求工地现场具备安静的环境条件。盲目加大“增益”按钮往往会将杂波信号放大，成为钢管混凝土产生错误检测结果的主要根源。

参考文献

[1]李为杜,童寿兴.钢管混凝土质量和强度超声波检测[J].无损检测，1986，8（7）：189～193.

[2]CECS21:2000,超声法检测混凝土缺陷技术规程[S]P25～P26.

[3]童寿兴.钢管混凝土脱粘的超声波检测与验证[J].无损检测，2007，29（12）：731～732.