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拱桥拱肋钢管混凝土质量的超声波检测 童寿兴,商涛平 (同济大学 混凝土材料研究国家重点实验室,上海 200092) 摘 要:工程检测实例表明钢管混凝土超声法检测是可行的,分析了钢管与混凝土胶结脱空 的原因及防止措施。 关键词:超声检验;钢管混凝土;换能器;桥;胶结质量 中图分类号:TG115.28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2002)1120464202 ULTRASONIC TESTING OF THE QUALITY OF THE STEEL PIPE ARCH FILLED WITH CONCRETE TONG Shou2xing , SHANG Tao2ping (State Key Laboratory of Concrete Materials Research , T ongji University , Shanghai 200092 , China ) Abstract: An engineering testing showed the feasibility of ultrasonic method to evaluate the quality of the steel pipe arch filled with concrete. The cause of disintegration between steel pipe and concrete was analyzed and the preventive measures were al2 so discussed. Keywords:Ultrasonic testing; Steel pipe concrete ; Transducer; Bridge ; Bonding quality 某工程的主桥上部是一个下承式系杆拱桥,跨 径75.0m ,拱高12.5m ,桥宽10.5m。它由主拱圈、 拱 上风撑、 系梁、 端横梁、 中横梁、 桥面板及吊杆组成。 主撑拱肋的拱脚和端横梁是一个整体,通过拱脚预 埋件与拱圈连接为整体组成无铰拱。 主拱肋是钢管混凝土结构,钢管直径 1.0m ,由 16mm厚的Q235钢板分段卷制焊接成形。钢管内 混凝土是C50微膨胀混凝土。 为了解钢管内混凝土的泵注密实性及混凝土与 钢管内壁的胶结质量,采用超声波脉冲法对该工程主 拱肋钢管混凝土的施工质量进行非破损检测鉴定。 1 钢管混凝土检测基本原理 在钢管混凝土超声波检测中,超声波沿钢管壁 传播时,其信号对检测是否有影响是检测人员所关 注的问题,也是能否采用超声脉冲法检测钢管混凝 土质量的关键所在。 当超声波换能器布置为直接对穿法检测时,超 声波在钢管混凝土中径向传播的时间tc与绕钢管 收稿日期:2001208217 壁半周长传播时间tsp的关系根据实验模拟声波传 播的距离及实例结果 1可以归纳如下 tc= 2R Vc (1) tsp= R Vsp (2) 即tsp= Vctc 2Vsp (3) 式中 R 钢管的半径 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 该工程钢管混凝土的设计强度等级为C50 ,采 用525号普通硅酸盐水泥、 中砂、525mm碎石,掺 级低钙灰、 高浓高效泵送剂及U型膨胀剂。钢管 混凝土实测超声声速Vc4. 5kms ,钢管的声速Vsp 5.4kms ,即 tsp= 1.3tc(4) 由式(4)可见,只要钢管混凝土内部是密实的, 且混凝土与钢管内壁胶结良好,则采用对穿法检测 时,接收信号的首波是沿钢管混凝土径向传播的超 464 第24卷第11期 2002年11月 无损检测 NDT Vol. 24No. 11 Nov .2 0 0 2 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 声纵波,而绕钢管壁半周长传播的时间较长,其初至 波叠加于首波之后。因此,应用超声波检测钢管混 凝土的质量是可行有效的。 超声波声通路取决于钢管内混凝土的检测直 径,而超声波穿过的与发、 收换能器接触的两层钢管 壁,其厚度相对于钢管混凝土的直径要小得多,虽然 钢的声速总大于混凝土的声速,但对声时检测的影 响与普通钢筋混凝土检测时垂直于声通路排置钢筋 的影响相当,一般可忽略不计 1 。为计算方便,可取 钢管外径作为超声波检测的实际传播距离。 2 检测方法 超声纵波脉冲对穿法检测选用频率为50kHz、 直径为 4cm的换能器,以黄油作为耦合剂。在钢 管圆周上放置发、 收换能器时,为保证径向传播距离 的对称和不发生倾斜,特制了换能器定位模具作为 基准。该模具为一半圆环,半径略大于钢管半径R, 可正好卡在钢管外壁上,半圆环的两端部距环中点 的垂直高度为R- 2cm。正常检测时,发、 收换能器 直接靠在半圆环模具的两端,不必另行划线布点,快 速方便,且能保证径向传播(图 1) 。 图1 定位模具的应用 超声波检测时换能器布置方式如图2所示,在 同一圆周上布置两对或四对超声测点,可先在水平 方向检测,再在垂直方向检测两对测点,同时测得超 声波声时、 首波幅值和接收频率等声学参量。如发 现混凝土与管壁胶结脱空等可疑测点,再补加测点 扫查,确定缺陷的范围和程度。 图2 超声波检测换能器布置方式 3 检测数据的判别 该工程拱肋钢管混凝土超声波检测中,超声波 首波接收信号好、 接收频率较高、 声时传播正常、 计 算所得的混凝土声速值在4. 3kms以上,即表明混 凝土内部严密充实。混凝土与钢管管壁胶结良好的 测点仅占测点总数的38 % ,其余测点综合声时、 接 收频率和首波幅值,判定混凝土与钢管内壁存在不 同程度的胶结不良或脱空缺陷。为了检测可疑测点 处混凝土与钢管内壁脱空的最大距离,将发射换能 器T固定,接收换能器R左右移动测量(图2) ,根据 换能器移动位置在水平方向的投影距离C,可计算 出理论最大脱空距离h,或预先确定满足工程要求 时的换能器平移最大距离 h=R-R 2 -C 2 (5) 或C=2Rh-h 2 (6) 按工程要求,混凝土与钢管内壁的最大允许脱 空距离h3mm ,根据式 (6) , 当R= 500mm时,计算 得换能器平移距离C= 55mm。若在C55mm处测 得的超声信号正常,则表明h3mm ,满足工程要 求。 4 检测结果与分析 该工程的钢管混凝土检测部位存在较多脱空区 域,一旦混凝土与钢管壁脱离,超声波将沿钢管壁半 周长传播,此时声时偏长,仅采用式(5)计算,有时会 对检测结果产生误判。在超声检测基础上,作者选 择有可疑缺陷、 具代表性的区域,在钢管上钻取 100 时,应采取有效防护措施 3 。施工单 位在混凝土泵注后,为拆除剪力撑,用气焊割除钢管 外壁上的钢板,气焊切割过程违反钢管混凝土施工 规程,对产生高温未采取有效措施,切割时产生的热 效应造成了这些部位钢管内壁与混凝土的脱离。 5 结论 (1)超声波技术能有效检测、 鉴定钢管混凝土 的内部质量,特制的换能器定位模具能确保声波的 径向传播。 (2)微膨胀混凝土膨胀剂的掺量是关键,质量 是保证,混凝土配合比设计膨胀率应满足补偿收缩 的要求。 (3)钢管混凝土结构表面温度不宜 100。 钢管混凝土泵注后,任何未采取有效防护措施的热 影响都可能造成钢管内壁与混凝土的胶结脱离。 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 游宝坤.混凝土膨胀剂应用的若干问题J .施工技术, 2000 ,29(10) :41 - 43. 3CECS 28:1990 ,钢管混凝土结构设计与施工规程S. 664 第24卷第11期 2002年11月 无损检测 NDT Vol. 24No. 11 Nov .2 0 0 2 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m