基于超聲波無(wú)損技術(shù)的公路橋鋼混結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)

許偉峰

（唐山市交通運(yùn)輸局公路工程處，河北 唐山 063000）

在當(dāng)前工程建設(shè)中，鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)十分常見(jiàn)，其綜合了鋼管與混凝土各自的性能優(yōu)勢(shì)，通過(guò)適當(dāng)連接達(dá)到整體受力的目的[1]。在工程應(yīng)用中，鋼管與混凝土的連接位置是薄弱點(diǎn)，出現(xiàn)破壞的可能性較大。內(nèi)部混凝土脫落、空洞等問(wèn)題對(duì)質(zhì)量影響較大，需要檢測(cè)該組合結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，避免引起事故[2-4]。在目前的工程檢測(cè)方法中，常用于檢測(cè)鋼管混凝土的方法有超聲波檢測(cè)法、鉆孔取芯法和敲擊法。本文采取超聲波CT成像技術(shù)，檢測(cè)鋼管混凝土缺陷。

一、超聲波傳播形式

鋼管混凝土的缺陷主要表現(xiàn)為混凝土脫落，主要原因是混凝土沒(méi)有密實(shí)填充結(jié)構(gòu)空腔。在鋼管混凝土中，超聲波一般有4種傳播方式，如圖1所示。

圖1 超聲波在鋼管混凝土中的4種傳播方式

如圖1（a）所示，超聲波在兩點(diǎn)之間以直線段傳播，鋼管與混凝土連接密實(shí)、沒(méi)有剝落，超聲波從發(fā)射處傳達(dá)至接收處的衰減極小；如圖1（b）所示，鋼管與混凝土存在局部脫落，超聲波先沿鋼管表面?zhèn)鞑?，再通過(guò)缺陷邊緣，以直線段形式傳至接收端；如圖1（c）所示，鋼管混凝土內(nèi)部有疏松缺陷，超聲波發(fā)生繞射；如圖1（d）所示，鋼管混凝土內(nèi)部有傳播路徑上的空洞缺陷，超聲波繞過(guò)了該空洞，傳播時(shí)間延長(zhǎng)。

二、超聲波檢測(cè)方法

（一）平面檢測(cè)法

平面法檢測(cè)一般有兩種方式：徑向?qū)y(cè)法、軸向斜測(cè)法，如圖2所示。檢測(cè)針對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)脫空、孔洞等缺陷尺寸較小或掛壁較薄的情況。檢測(cè)用到的儀器主要有：非金屬超聲檢測(cè)儀1臺(tái)、平面換能器1對(duì)。

圖2 超聲波平面檢測(cè)法示意圖

1.徑向?qū)y(cè)法

徑向?qū)y(cè)法如圖2（a）所示，其透射路線垂直于鋼管組合結(jié)構(gòu)的中心軸，在鋼管柱表面兩側(cè)均耦合有發(fā)射與接收換能器。具體檢測(cè)步驟為：

（1）檢測(cè)前，在鋼管外壁表面耦合1對(duì)收發(fā)換能器，耦合材料采用黃油。耦合時(shí)需將兩換能器置于同一水平環(huán)線內(nèi)，連線應(yīng)相交于鋼管截面的圓心處。

（2）不斷更替收發(fā)換能器位置，多次檢測(cè)保持在同一水平環(huán)線內(nèi)。對(duì)于不同直徑大小或部位的鋼管結(jié)構(gòu)，可根據(jù)實(shí)際情況確定環(huán)線間距。

（3）若突然出現(xiàn)測(cè)點(diǎn)聲時(shí)較長(zhǎng)或波幅顯著下降，檢查收發(fā)換能器與鋼管壁之間的耦合情況。輕輕敲擊收發(fā)換能器耦合位置，確定是否有空鼓聲，從而排除耦合不良或脫空等非正常情況。

2.軸向斜測(cè)法

軸向斜測(cè)法如圖2（b）所示，其透射路線為斜向，且經(jīng)過(guò)鋼管組合結(jié)構(gòu)的中心軸，并不與鋼管壁相垂直，檢測(cè)步驟與徑向?qū)y(cè)法相同。

（二）預(yù)埋聲測(cè)管檢測(cè)法

可采取預(yù)埋聲測(cè)管法檢測(cè)鋼管內(nèi)部混凝土孔洞缺陷，主要包括預(yù)埋管中對(duì)測(cè)法、預(yù)埋管中斜測(cè)法。檢測(cè)用到的儀器主要有：非金屬超聲檢測(cè)儀1臺(tái)、徑向換能器1對(duì)。

1.預(yù)埋管中對(duì)測(cè)法

預(yù)埋管中對(duì)測(cè)法，是將收發(fā)換能器提前預(yù)埋于聲測(cè)管中，并保持在鋼管的同一截面高度處。具體檢測(cè)過(guò)程為：

（1）將1對(duì)收發(fā)換能器埋設(shè)于聲測(cè)管上并以水耦合，啟動(dòng)儀器后先調(diào)整初始參數(shù)設(shè)置，使檢測(cè)儀器保持無(wú)擾動(dòng)狀態(tài)。

（2）調(diào)整收發(fā)換能器使其位于同一高度，采取聲速、頻率、波幅等數(shù)據(jù)。

（3）將收發(fā)換能器由底至頂緩慢同時(shí)上升，實(shí)施多次截面檢測(cè)，收發(fā)換能器始終保持同一高度。檢測(cè)間距應(yīng)科學(xué)，避免出現(xiàn)不正常狀況。

2.預(yù)埋管中斜測(cè)法

預(yù)埋管中斜測(cè)法，是將收發(fā)換能器提前埋設(shè)于鋼管中的聲測(cè)管上，兩個(gè)換能器處于不同的高度，保持一定的高差后實(shí)施檢測(cè)。具體檢測(cè)過(guò)程與對(duì)測(cè)法一致。

（三）混合檢測(cè)法

混合檢測(cè)法即同時(shí)使用對(duì)測(cè)法與斜測(cè)法。在鋼管外壁處耦合收發(fā)換能器中的其中一個(gè)，將另一個(gè)埋置于鋼管中的聲測(cè)管上，可檢測(cè)鋼管壁與聲測(cè)管之間的混凝土密實(shí)性狀況。對(duì)測(cè)法檢測(cè)時(shí)，兩側(cè)換能器耦合于同一標(biāo)高位置；而斜測(cè)法檢測(cè)時(shí)，兩個(gè)換能器上下存在適當(dāng)高差，位于不同高度處。

三、超聲波CT檢測(cè)公路橋鋼管混凝土缺陷案例

超聲波CT掃描成像技術(shù)具有較大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。對(duì)于鋼管混凝土缺陷檢測(cè)而言，基于接收的聲波數(shù)據(jù)，通過(guò)變換達(dá)到三維成像，可直接顯示鋼管混凝土中的缺陷，得知具體位置及大小尺寸等信息。基于此，本文將其應(yīng)用于某公路橋的鋼管混凝土缺陷檢測(cè)。

案例工程中的大型鋼管樁直徑達(dá)2m～3m，采用C60混凝土，聲測(cè)管布設(shè)于內(nèi)部鋼筋籠上。

在澆灌混凝土前，為滿足后期檢測(cè)要求，會(huì)提前在內(nèi)部的圓形鋼筋籠上綁扎聲測(cè)管，沿鋼筋籠均分設(shè)置，數(shù)量為3個(gè)。按設(shè)計(jì)要求依次分層澆筑鋼管組合結(jié)構(gòu)，充分振搗?；炷潦湛s充分后，使其經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的徐變，再檢測(cè)混凝土的密實(shí)性。密實(shí)度檢測(cè)時(shí)，聲測(cè)管可直接檢測(cè)鋼筋籠內(nèi)部區(qū)域密實(shí)性，而對(duì)于鋼管與鋼筋籠之間的混凝土密實(shí)性，可采取上述混合法檢測(cè)。在檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，收、發(fā)換能器應(yīng)同步提升，不得一快一慢，并由鋼管底部開(kāi)始，向上取一定間隔檢測(cè)多次。對(duì)于埋置在聲測(cè)管中的徑向換能器及埋置在鋼管外壁上的平面換能器，其耦合時(shí)的材料分別為水、黃油。在該案例中，上下相鄰檢測(cè)截面由設(shè)計(jì)根據(jù)樁長(zhǎng)而定，間距設(shè)定為25cm。

根據(jù)檢測(cè)所得數(shù)據(jù)，達(dá)成鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)三維成像，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)速度切片圖，再通過(guò)對(duì)影像的研究與分析，可初步判斷鋼混結(jié)構(gòu)中的缺陷。檢測(cè)結(jié)果顯示，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同截面區(qū)域的速度切片大小存在顯著差異，推測(cè)其存在一定的破損與剝落缺陷。具體缺陷位置可通過(guò)實(shí)際澆筑成形情況得以驗(yàn)證，由此可證明超聲波檢測(cè)技術(shù)的可靠性，可用于推斷破損與剝落位置及具體大小尺寸等信息，指導(dǎo)工程加固修復(fù)。

四、結(jié)語(yǔ)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)截面尺寸大、內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，導(dǎo)致施工困難，空洞與脫空缺陷時(shí)常發(fā)生，在采用高性能膨脹混凝土之后仍無(wú)法完全解決，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量。因此，新型混凝土質(zhì)量檢測(cè)手段也不斷出現(xiàn)，包括論文所述的超聲波CT掃描成像技術(shù)。該技術(shù)發(fā)射的超聲脈沖波具備相應(yīng)周期性特征，經(jīng)由結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同介質(zhì)傳遞或接收后，通過(guò)研究相關(guān)的聲學(xué)參數(shù)獲得成像情況，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部混凝土質(zhì)量判斷。該技術(shù)不會(huì)對(duì)受檢測(cè)結(jié)構(gòu)造成局部破壞，屬于無(wú)損檢測(cè)范疇，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著。