含缺陷鋼管混凝土超聲波特性試驗(yàn)研究

汪 旭，鄒中權(quán)，王志美

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

0 引言

鋼管混凝土是一種鋼管中充滿混凝土的復(fù)合型材料。由于其核心混凝土受到了外圍鋼管的約束，強(qiáng)度大大提升，抗壓能力及抗震性能優(yōu)越，因而近年來在拱橋建造中得到了廣泛的應(yīng)用。

鋼管混凝土拱橋的拱肋為主要受壓構(gòu)件，其截面會(huì)產(chǎn)生極大的正應(yīng)力。所以鋼管混凝土的質(zhì)量對(duì)整個(gè)拱橋結(jié)構(gòu)的安全性能至關(guān)重要，而鋼管混凝土的力學(xué)性能與填充的混凝土質(zhì)量息息相關(guān)。另外，實(shí)際施工過程中，往往會(huì)因?yàn)殇摴芑炷临|(zhì)量的缺陷給整個(gè)施工周期帶來巨大阻礙。因此，開拓一種快速準(zhǔn)確的鋼管混凝土無損檢測(cè)方法迫在眉睫。

超聲波檢測(cè)作為普遍應(yīng)用的無損檢測(cè)手段之一，被認(rèn)為是一種檢測(cè)鋼管混凝土質(zhì)量中很有前景的技術(shù)。然而，目前利用超聲波檢測(cè)判斷鋼管混凝土中所產(chǎn)生缺陷類型的依據(jù)仍不夠完善，有待深入研究。因此，本研究中，擬先通過在實(shí)驗(yàn)室對(duì)缺陷類型進(jìn)行模擬，得到試驗(yàn)結(jié)果；然后，應(yīng)用超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)一座鋼管混凝土拱橋進(jìn)行缺陷檢測(cè)，并通過抽樣鉆孔對(duì)得到的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以判別檢測(cè)結(jié)果以及試驗(yàn)研究的正確性，為日后判別超聲波檢測(cè)中的鋼管混凝土缺陷類型提供依據(jù)。

1 超聲波檢測(cè)的基本原理以及缺陷判別方法

1.1 超聲波檢測(cè)的基本原理

超聲波的波長(zhǎng)比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、厚度測(cè)量、距離測(cè)量、遙控和超聲成像技術(shù)等中。本研究采用超聲波對(duì)鋼管混凝土進(jìn)行缺陷檢測(cè)，其基本原理即基于超聲波傳導(dǎo)的這一特性。

在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，將超聲波探傷儀的換能器（分為發(fā)射器和接收器）放置在檢測(cè)截面的兩對(duì)側(cè)，超聲波由其發(fā)射器傳導(dǎo)到接受器，期間經(jīng)過鋼管混凝土截面。如果截面上存在缺陷，譬如存在內(nèi)部空洞、鋼管和混凝土之間脫空等，則超聲波的波速、波形、幅值以及頻率都會(huì)發(fā)生改變。因此，可以通過分析所得數(shù)據(jù)來判別鋼管混凝土中是否存在缺陷，以及產(chǎn)生的缺陷種類。

1.2 缺陷的判別方法

目前，用于檢測(cè)和判別鋼管混凝土中缺陷的方法主要有首波聲時(shí)法、波形識(shí)別法和首波頻率法3種。

1.2.1 首波聲時(shí)法

利用超聲波檢測(cè)鋼管混凝土?xí)r，聲波可能的傳播途徑如圖1所示[1-2]。

圖1 超聲波傳播路徑示意圖Fig.1 The ultrasonic transmission path

利用首波聲時(shí)法判定鋼管混凝土是否完好，是以超聲波在各種傳導(dǎo)路徑下的時(shí)差來作為依據(jù)的。如圖1中的圖a所示，其為完好的鋼管混凝土截面，在這種情況下，超聲波的傳導(dǎo)方向分為直射和繞射2種。超聲波在鋼管混凝土中直射（徑向傳播）的時(shí)間tc與繞射（繞鋼管壁半周長(zhǎng)）傳播時(shí)間tsp的關(guān)系為

其中，tc=2R/Vc，tsp=( ×R)/Vsp。

以上各式中：R為鋼管混凝土的半徑；Vc為超聲波在鋼管混凝土中的傳播速度；Vsp為超聲波繞鋼管壁的傳播速度。

一般情況下，超聲波在混凝土中的傳播速度為3800～4900m/s[3]，在鋼材中的傳播速度為5700m/s。因此tc/tsp為0.7409～0.9549。由此可得：在一個(gè)良好的鋼管截面上，直射的首波肯定優(yōu)先于繞射的首波到達(dá)接收器，從而可以避免繞射波對(duì)于直射波的干擾。

而當(dāng)鋼管混凝土內(nèi)存在缺陷時(shí)，直射的首波會(huì)受到缺陷的影響，導(dǎo)致其傳導(dǎo)方向發(fā)生改變，如圖b所示脫離狀態(tài)下的折射、圖c所示空洞狀態(tài)下的繞射等。傳導(dǎo)方向的改變，必定會(huì)影響其傳導(dǎo)時(shí)間，因此，可以通過首波聲時(shí)來判斷鋼管混凝土截面上是否存在缺陷。

1.2.2 波形識(shí)別法

鋼管混凝土內(nèi)部的缺陷也可以通過超聲波的波形改變來進(jìn)行檢測(cè)。超聲波探傷儀的發(fā)射器所發(fā)射的聲波若在傳播過程中遇到分界面，特別是在固體與氣體的分界面處，會(huì)發(fā)生反射、繞射現(xiàn)象。當(dāng)產(chǎn)生的反射波或繞射波與原脈沖波疊加后，會(huì)產(chǎn)生波干擾，使波形畸變。因此，可通過分析聲波的波形畸變程度來判斷鋼管混凝土內(nèi)部是否存在缺陷。

1.2.3 首波頻率法

超聲波在鋼管混凝土內(nèi)的傳播過程中，若混凝土的均勻性差或存在含缺陷的混凝土，則超聲波探傷儀的發(fā)射器產(chǎn)生的高頻率波會(huì)出現(xiàn)衰減，到達(dá)接收探頭的波大多數(shù)為較低頻率的波；而通過密實(shí)的無缺陷的混凝土?xí)r，高頻率波不會(huì)出現(xiàn)衰減，到達(dá)接收探頭的首波頻率相對(duì)較高。根據(jù)這一現(xiàn)象，可以確定，存在缺陷的混凝土將使高頻率聲波衰減為較低頻率的聲波。因此，可根據(jù)首波頻率判斷混凝土的密實(shí)性及是否存在缺陷。

2 相關(guān)缺陷信號(hào)判別

為了能較好地模擬鋼管混凝土中“脫空”與“內(nèi)部空洞”2種常見質(zhì)量缺陷，本課題組在實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)中采用如下具體操作：

1） 在倒置好混凝土以后，用抹好油的鐵皮將混凝土和鋼管隔開，待混凝土形成一定的強(qiáng)度后抽離鐵皮，以此來模擬“脫空”缺陷；

2） 對(duì)于鋼管混凝土中的“內(nèi)部空洞”缺陷，采取在鋼管混凝土內(nèi)部預(yù)放一個(gè)塑料空管的方式來進(jìn)行模擬。

通過對(duì)模擬缺陷的鋼管混凝土進(jìn)行超聲波檢測(cè)，并綜合實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，得到了幾類典型的波形，如圖2所示。

圖2 幾類典型的波形Fig.2 Several typical waveforms

圖2中的圖a為正常波形，表明鋼管混凝土質(zhì)量良好；圖b為首波畸變波形，將其與圖a相比，可以看出其波形稍差，這是因?yàn)殇摴芘c混凝土膠結(jié)不緊密，出現(xiàn)了脫空現(xiàn)象；圖c為首波波幅降低波形，相較于圖a，可發(fā)現(xiàn)其首波波幅降低，頻率降低，波形畸變較嚴(yán)重，這表明試驗(yàn)對(duì)象存在鋼管與混凝土膠結(jié)性差或內(nèi)部空洞等缺陷；圖d為首波聲時(shí)增長(zhǎng)波形，相較于圖a，可看出其首波聲時(shí)增長(zhǎng)，波幅降低，波形畸變，這表明鋼管與混凝土膠結(jié)不緊密，存在脫空缺陷。

3 鋼管混凝土拱橋的超聲波檢測(cè)

某市一大橋改造工程位于市區(qū)內(nèi)，是連接兩埠的重要通道。改造后的大橋采用下承式鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)，橋全長(zhǎng)328m，主橋橋面寬31.5m，引橋橋面寬30.5m，雙向六車道行駛，通航孔凈空高5m。

我國對(duì)于鋼管混凝土柱管內(nèi)混凝土的施工方法分為人工澆灌和振搗、高位拋落不振搗和泵送頂升法3種[4]。在本改造橋拱肋的施工中，主要采用泵送頂升法進(jìn)行鋼管混凝土柱管內(nèi)混凝土施工。為了解鋼管內(nèi)混凝土的泵注質(zhì)量，以及混凝土與鋼管內(nèi)壁的膠結(jié)質(zhì)量，在管內(nèi)混凝土養(yǎng)生期滿后，對(duì)其進(jìn)行超聲波無損檢測(cè)。由于鋼的聲速遠(yuǎn)快于混凝土的聲速，如果測(cè)點(diǎn)布置不合理或鋼管內(nèi)混凝土聲速較低，則儀器接收到的首波信號(hào)很可能是沿鋼管璧傳播的，此時(shí)便不能反映鋼管內(nèi)混凝土的質(zhì)量情況[5-6]，因此，測(cè)點(diǎn)的布置較為重要。

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，一個(gè)測(cè)區(qū)的測(cè)點(diǎn)一般按圖3所示進(jìn)行布置，分別采用左右對(duì)測(cè)、上下對(duì)測(cè)以及斜測(cè)方式進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)為了更加精確地找出缺陷所在時(shí)，就需要增加測(cè)點(diǎn)數(shù)量，此時(shí)應(yīng)按圖4所示進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置。測(cè)區(qū)選在每拱吊桿附近50cm或100cm處，如圖5所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置1Fig.3 Test points arrangement 1

圖4 測(cè)點(diǎn)布置2Fig.4 Test points arrangement 2

圖5 測(cè)區(qū)布置Fig.5 Test area arrangement

實(shí)際操作時(shí)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)測(cè)點(diǎn)和測(cè)區(qū)作適當(dāng)調(diào)整。每根吊桿布置3個(gè)測(cè)區(qū)（各測(cè)區(qū)間距15cm），每個(gè)測(cè)區(qū)布置4個(gè)或4個(gè)以上的測(cè)點(diǎn)。檢測(cè)部位4反映下管、上管混凝土的密實(shí)度；檢測(cè)部位3,1分別反映下管頂部、上管底部混凝土的密實(shí)度；檢測(cè)部位2反映腹板中部混凝土的密實(shí)度：4個(gè)檢測(cè)部位反映了鋼管和腹板腔內(nèi)混凝土的綜合密實(shí)度。

4 結(jié)果論證及處理措施

將超聲波檢測(cè)的實(shí)際測(cè)試結(jié)果與缺陷信號(hào)中的波形進(jìn)行對(duì)比，然后針對(duì)有類似缺陷的部位進(jìn)行抽樣鉆孔核驗(yàn)，以驗(yàn)證超聲波檢測(cè)的有效性。

在該鋼管混凝土拱橋的超聲波缺陷檢測(cè)中，共設(shè)有108個(gè)測(cè)區(qū)，其中96個(gè)測(cè)區(qū)鋼管混凝土質(zhì)量良好，其余測(cè)區(qū)存在部分缺陷。經(jīng)過鉆孔檢驗(yàn)，缺陷部位中，8個(gè)測(cè)區(qū)有輕微脫空，另外4個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)部存在缺陷，且缺陷類型與波形變化大體一致。檢測(cè)結(jié)果證明，樣品顯示出來的缺陷與超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)相符，從而論證了超聲波檢測(cè)的準(zhǔn)確性以及實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)所得結(jié)果的正確性。

依據(jù)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)缺陷較大的部位去除原有混凝土，采取重新灌入高強(qiáng)度混凝土的措施進(jìn)行處理；對(duì)于缺陷較小的部位則采取壓入環(huán)氧樹脂的措施進(jìn)行補(bǔ)漿處理，壓漿后再將開孔補(bǔ)焊牢固。最后，對(duì)于經(jīng)過處理后的部位再次進(jìn)行超聲波檢測(cè)，所得波形均為正常波形。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)實(shí)際工程中的鋼管混凝土進(jìn)行超聲波缺陷檢測(cè)，驗(yàn)證了超聲波檢測(cè)技術(shù)在鋼管混凝土缺陷檢測(cè)中的可行性與適用性。同時(shí)，針對(duì)不同的內(nèi)部缺陷，提出所應(yīng)采取的相應(yīng)措施。

而對(duì)于鋼管混凝土內(nèi)部缺陷（如不密實(shí)、漏振疏松、分層離析、“施工縫”等）產(chǎn)生的具體原因，尚需要做更多的對(duì)比分析才能確定。另外，混凝土的齡期和強(qiáng)度等級(jí)對(duì)超聲波檢測(cè)也有一定的影響，這需要進(jìn)一步的試驗(yàn)確定。

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