钢管混凝土拱桥超声检测技术研究

　　钢管混凝土拱桥是近年发展起来的一种新型桥梁结构。在钢管中浇灌核心混凝土,可较好地避免钢管受荷载时局部失稳的问题;同时,由于钢管对管内混凝土的约束作用限制混凝土受压后的横向变形,使三向受压,提高了抗压能力^[1]。该复合材料能综合钢材和混凝土的各自优势,较其它材料形式更适合大型拱桥工程,故备受桥梁工程师青睐。

　　对于钢管拱结构而言,核心混凝土的脱空将影响其承载力。一旦钢管混凝土内有脱空存在,钢管不能套箍核心混凝土,钢管混凝土复合材料就没有形成、直接影响钢管拱的承载力,将可能导致危害桥梁安全的严重质量问题,故对钢管混凝土的质量检测显得尤为重要。目前,钢管混凝土主要采用超声技术进行检测,相关标准见CECS 28—1990^[2]。

　　1　钢管混凝土拱桥超声检测的基本原理

　　超声脉冲在传播过程中遇到由各种缺陷形成的界面时会改变传播方向,在缺陷处发生能量衰减、声时、振幅、频率等声学参数变化。综合分析这些变化,可实现对钢管混凝土质量的检测。

　　超声波换能器布置为直接对穿法检测,对于无缺陷钢管混凝土(图1a),超声波沿钢管混凝土径向传播,其首波声时最短,速度最快,透射波在混凝土中的衰减最小,频率损失最小,波形畸变最小,径向声时tc与沿钢管半周长的传播声时tsp的关系为^[3]

　　式中　vc———超声波在钢管混凝土中的传播速度

　　vsp———超声波绕钢管壁的传播速度

　　如果存在缺陷,超声仪发射的正弦波在传播过程中遇到界面(特别是固2气界面)就会发生反射、绕射现象,其在钢管混凝土内的传播路径见图1b~d。所以,超声波首波声时tc变长(即速度变慢),超声波在混凝土中的衰减也变大,频率损失增加,反射或绕射后的波与原脉冲叠加后即产生波干扰,使波形产生畸变。图2为超声检测的典型波形,图2a为无缺陷正常波形,图2b为有缺陷畸变波形。

　　为了定量检测钢管壁与管内混凝土的脱空量,可在测试时,根据波形情况确定可疑点,然后在可疑点处固定发射换能器,移动接收换能器,直到波形正常为止,此时接收换能器移动的距离就反映了脱空开度的大小^[4]。

　　2　工程应用实例

　　2.1　工程背景

　　巫峡长江大桥位于巫山县城下游2 km处长江巫峡入口,为中承式钢管混凝土拱桥,主跨组合跨径492 m、净跨径460 m,在同类桥中有世界第一跨之称。拱顶截面径向高7 m,拱脚截面径向高14 m;主拱圈钢管混凝土桁架为双肋拱,每肋四根主弦钢管1 220 mm×22(25) mm。钢管内灌注60号砼,灌注时采用泵送顶升灌注法,用混凝土输送泵将混凝土从低处往高处顶升。由于弦管高度较高,采用三级泵送(其中1号管用了四级)。拱肋混凝土灌注完成后,该桥采用超声波进行探伤,以了解混凝土灌注质量。