1、工程概況
某鋼管混凝土拱橋是一個(gè)下承式鋼架系桿拱橋 ，主跨120 m ，矢高 20 m ，由主拱圈 、拱上風(fēng)撐 、端橫梁 、中橫梁 、吊桿 、系桿 及橋面板組成 。 主拱圈通過(guò)拱腳預(yù)埋件 與拱腳組成一個(gè)整體 ，拱軸線(xiàn)為懸鏈線(xiàn) ，主拱圈采用等截面鋼管混凝土啞鈴形截面 ，主跨由相同的兩條拱圈組成 ，每條拱圈下連 23根吊桿 ，吊桿下端錨固于橫梁底部 ，主拱圈為鋼管混凝土結(jié)構(gòu) ，鋼管直徑機(jī)∅1.1 m ，由厚 14 mm材料為 Q 345 D鋼板分段卷制焊接而成 ，鋼管內(nèi)部采用 C 50無(wú)收縮混凝土填充 ，混凝土與鋼管內(nèi)壁大許可脫空量為3mm。 為了了解管內(nèi)混凝土的泵注質(zhì)量以及與鋼管內(nèi)壁的膠結(jié)質(zhì)量 ，需要對(duì)鋼管混凝土相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行非破損檢測(cè) 。
2 缺陷形成機(jī)理
對(duì)于鋼管混凝土拱圈內(nèi)的混凝土澆筑一般采用泵送頂升法 ，即用混凝土輸送泵將混凝土從低處往高處頂升 ，當(dāng)加載程序是從拱腳往拱頂一次澆筑時(shí) ，從兩端拱腳向拱頂泵送 ，當(dāng)泵送頂升高度較高時(shí) ，采用分級(jí)泵送 ，隨著混凝土在管內(nèi)上升 ，管內(nèi)空氣密度不斷增加 ，若排氣孔設(shè)計(jì)不當(dāng)或其他原因?qū)е驴諝鈦?lái)不及從排氣孔排盡 ，在管內(nèi)極有可能形成氣孔缺陷。 混凝土在澆筑時(shí)要求有一定的流動(dòng)性，用坍落度來(lái)表示，管內(nèi)混凝土必須要有一定的坍落度 ，但坍落度不能太大，否則混凝土在運(yùn)送 、灌注過(guò)程中易分層離析，破壞混凝土的均勻性 ，影響灌注質(zhì)量 。 另外 ，為了補(bǔ)償鋼管內(nèi)部混凝土的收縮，減小混凝土收縮系數(shù)和孔隙率，需摻入膨脹劑 ，膨脹劑量必須適當(dāng)，若加入的量過(guò)大，會(huì)使混凝土膨脹過(guò)量，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的破壞 ，強(qiáng)度下降 ，若加入的量過(guò)小 ，由于混凝土收縮 ，會(huì)使混凝土干縮和水化熱冷縮，導(dǎo)致缺陷，使混凝土與鋼管壁的膠結(jié)脫離 ， 因此 ，正確使用膨脹劑是非常重要的 ，一般摻量為10 ％～15 ％，有時(shí)還摻入粉煤灰 ， 以改善混凝土組份的顆粒分配 ，增加致密性 。 總而言之 ，鋼管混凝土缺陷產(chǎn)生的原因較多 ，在實(shí)際工程中很難避免產(chǎn)生缺陷，雖然施工中的防止很重要 ，但是 ，施工后的檢測(cè)同樣也很重要的 ，它是工程驗(yàn)收的重要依據(jù) ，也是事后補(bǔ)強(qiáng)處理的重要依據(jù) 。
3 缺陷檢測(cè)原理
鋼管內(nèi)部混凝土缺陷以及鋼管壁與混凝土之間的膠結(jié)脫離的檢測(cè) ，可以運(yùn)用超聲波技術(shù)來(lái) 檢測(cè) ，超聲波檢測(cè)管內(nèi)混凝土缺陷主要有首波聲時(shí)法 (波速 ) 、波形識(shí)別法和首波頻率 法 ，主要聲學(xué)參數(shù)有聲時(shí) 、波幅 、相位 、頻率等 ，當(dāng)混凝土存在內(nèi)部缺陷時(shí) ，這些參數(shù)會(huì)有相應(yīng)的變化 ， 根據(jù)這些變化來(lái)判斷其內(nèi)部間隙的位置和大小 。判別的前提條件是 ：超聲波通過(guò)混凝土傳播的聲時(shí)值必須小于直接通過(guò)鋼管壁繞射的聲時(shí)值 ，否則 ，超聲波首波將不穿過(guò)混凝土而直接沿鋼管壁到達(dá)接收探頭 ，就無(wú)法判斷其內(nèi)部缺陷。
1)聲時(shí)(聲速)法。 超聲波在鋼管混凝土中傳播有如下關(guān)系式 ：
                                               （1）

其 中 ： Tc為超聲波直接透射穿過(guò)鋼管混凝土的時(shí)間 ，Vc為超聲波透射穿過(guò)鋼管混凝土的速 度 ， Ts為超聲波沿鋼管壁繞射的時(shí)間， Vs為超聲波沿鋼管壁繞射的速度 。從兩者 的關(guān)系可以看出 ，只要鋼管混凝土內(nèi)部無(wú)缺陷 ，鋼管壁與混凝土膠結(jié)良好 ，當(dāng)采用超 聲波對(duì)穿檢測(cè)時(shí) ，接受信號(hào)的首波是沿著鋼管混凝 土徑向傳播的超聲縱波 ，繞鋼管壁半周 長(zhǎng)傳播的時(shí)間較長(zhǎng) ，起初至波疊加于首波之后 ，因此應(yīng)用超聲波聲時(shí) (聲速 ) 檢測(cè)鋼管混凝土的內(nèi)部缺陷是切實(shí)可行的。
2 )波形識(shí)別法 。 波形系指測(cè)試儀上示波屏顯示的接收波形 ，
有缺陷的混凝土測(cè)試時(shí), 由于聲波能量發(fā)生變化 ，超聲波會(huì)發(fā)生繞射波和反射波 ，波的傳播路徑變得比較復(fù)雜 ，有直達(dá)波 、反射波 、繞射波相繼到達(dá)接收換能器 ，波的能量有所損失 ，首波幅度有所下降 ，并與原脈沖波疊加 ，使波形發(fā)生畸變 ，根據(jù)接收波形的畸變
程度可以判斷混凝土內(nèi)部質(zhì)量和缺陷。
3)首波頻率法 。 超聲檢測(cè)中 ，由電脈沖激發(fā)出的聲脈沖信號(hào)是復(fù)頻超聲脈沖波 ，它包含了一系列不同成分的余弦分量 。這種含有各種頻率成分的超聲波在傳播過(guò)程中，高頻成分首先衰減 。
因此 ，可以將混凝土看成是一種類(lèi)似高頻濾波器的介質(zhì) ，超聲波越往前傳播 ，其所包含的高頻分量越少 ，則主頻率也慢慢下降 。
正常情況下 ，到達(dá)接收換能器的首波頻率相對(duì)較高 ，而存在缺陷的部位接收到的大都為低頻率波 ，見(jiàn)圖 1。 圖中波形為典型的鋼管內(nèi)部混凝土與鋼管壁脫空或空洞缺陷超聲脈沖波形 ， 由混凝土傳過(guò)來(lái)的脈沖波很難測(cè)讀首波 ，或者能夠測(cè)讀 ，但波形畸變大 、衰減大 ，并且首波頻率極小 。

4 )鋼管壁與管內(nèi)混凝土膠結(jié)脫離的判別法 。 為了定量檢測(cè)鋼管壁與管內(nèi)混凝土的脫空量 ，可以按下面方法檢測(cè) ：測(cè)試時(shí) ，根據(jù)波形情況確定可疑點(diǎn) ，然后在可疑點(diǎn)處固定發(fā)射換能器 ，移動(dòng)接收換能器 ，直到波形正常為止 ，此時(shí)測(cè)量接收換能器移動(dòng)的距離 ，將此數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)允許的數(shù)值進(jìn)行比較 ，設(shè)計(jì)值按下式計(jì)算 ：
                              （2）

其中：D 為鋼管直徑，H 為設(shè)計(jì)要求的鋼管壁與管內(nèi)混凝土的允許大脫空量 ，S為設(shè)計(jì)允許的大鋼管脫空弦長(zhǎng) ，測(cè)試時(shí)可用卡尺量得接收換能器移動(dòng)的大距離Sc，若 S c≤ S 時(shí) ，說(shuō)明脫空缺陷在設(shè)計(jì)允許的范圍之內(nèi) ，當(dāng)Sc > S 時(shí) ，說(shuō)明實(shí)際脫空缺陷超過(guò)了設(shè)計(jì)允許的數(shù)值 ，必須做出報(bào)告實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)，以保證鋼管內(nèi)部混凝土質(zhì)量。
4 測(cè)試方法與分析

測(cè)試儀器：泰仕特（北京）檢測(cè)技術(shù)有限公司的非金屬超聲檢測(cè)儀TST-NM510（雙通道）

首先在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行樣本檢測(cè) ，選取與拱圈混凝土 同期澆筑的標(biāo)準(zhǔn)試塊 3 個(gè) ，進(jìn) 行 12 對(duì) 點(diǎn)的聲速測(cè)試 ，測(cè)得超聲波平均聲速為4 635 m ／s，對(duì)鋼管也布置 12 對(duì)測(cè)點(diǎn)，測(cè)得鋼管平均聲速為 5 655 m ／s，根據(jù)關(guān) 系式(1) 計(jì) 算得出：Ts = 1 .28 Tc。 即Ts > Tc ，據(jù)此確定可以采用超聲波檢測(cè)主拱圈內(nèi)部缺陷。 測(cè)試時(shí)根據(jù)全橋拱圈的具體結(jié)構(gòu)情況布置好86個(gè)測(cè)區(qū) ，根據(jù)拱圈斷面結(jié)構(gòu)在每一測(cè)區(qū)確定沿鋼管周向布置 4 對(duì)測(cè)點(diǎn) ，用接收換能器和發(fā)射換能器實(shí)施沿鋼管截面軸線(xiàn)對(duì)測(cè) ，選用換能器頻率小于100 kH z，每對(duì)測(cè)點(diǎn)間距以 150 m m ～300 rnnl為宜 ，并使每對(duì)測(cè)點(diǎn)連線(xiàn)穿過(guò)鋼管混凝土中軸線(xiàn) 。 由波形判斷可疑處 ，在可疑測(cè)點(diǎn)進(jìn)行首 波聲時(shí) 、波形 、首波頻率的綜合測(cè)試評(píng)判，以定性或定量地確定鋼管混凝土的缺陷。對(duì)于鋼管內(nèi)壁與管內(nèi)混凝土膠結(jié)脫離或*脫空的情況 ，根據(jù)關(guān)系式(2) 可 以定量地測(cè)量其脫空 缺陷的脫空量。 測(cè)試時(shí)先將發(fā)射換能器固定 ，然后移動(dòng)接收換能器 ，同時(shí)觀察測(cè)試信號(hào)是否正常 ，當(dāng)信號(hào)正常時(shí) ，記下接收換能器移動(dòng)的大距離 ，并將此數(shù)據(jù)與S 進(jìn)行比較 ，根據(jù)該橋梁的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算出 S = 1 14．8 rnnl，因此只有當(dāng)測(cè)得的 s ≤114 ．8 rnnl時(shí)才符合設(shè)計(jì)要求，否則要采取補(bǔ)強(qiáng)措施。測(cè)試結(jié)果 顯示 ：鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量較好 ，沒(méi)有超出規(guī)的缺陷 ，比較明顯的是主拱圈部分鋼管內(nèi)壁與管內(nèi)混凝土有不同程度的膠結(jié)不良或*脫空 ，尤其以拱圈頂處和拱腳處問(wèn)題較大 ，
在吊桿周?chē)泊嬖谝恍╅g隙較大但面積不大的空隙，這些情況說(shuō)明脫空缺陷與鋼管混凝土構(gòu)件結(jié)構(gòu)以及施 工藝有關(guān) ，鋼管內(nèi)部混凝土與鋼管內(nèi)壁脫離是鋼管混凝土所*的缺陷，鋼管與混凝土是兩種性質(zhì)*不同的材料 ，兩者不可能*溶合成一體 ，由于混凝土收縮以及施工工藝等原因 ，混凝土也不可能*理想地充滿(mǎn)鋼管空腔 ，尤其是主拱圈的頂部容易與混凝土脫離 ，因此必須大限度地保證鋼管和混凝土的密貼性。 對(duì)于脫空缺陷可以根據(jù)其大小采用鉆孔壓漿或壓環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)， 以保證鋼管混凝土的內(nèi)部質(zhì)量 。
5 結(jié)語(yǔ)
超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)鋼管混凝土拱橋的鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行測(cè)試是行之有效的。它可以檢測(cè)出鋼管內(nèi)部的有關(guān)缺陷 ，對(duì)鋼管內(nèi)壁與內(nèi)部混凝土之間的膠結(jié)脫離或*脫空可以定量地進(jìn)行檢測(cè) ，對(duì)鋼管內(nèi)混凝土缺陷采用首波時(shí) 、波形 、首波頻率的綜合研判較為理想 ，與一般混凝土缺陷檢測(cè)類(lèi)似 ，定量檢測(cè)的性有待于進(jìn)一步提高 ，鋼管內(nèi)混凝土的配比以及施工工藝也有待于進(jìn)一步研究和改進(jìn)。