钢管混凝土试件内的法兰盘对超声波检测结果的影响研究

0 引言

钢管混凝土拱桥是在钢管内填充混凝土，借助钢管的径向约束而限制受压混凝土的膨胀，使混凝土处于三向受压状态，从而显著提高混凝土的抗压强度。在钢管混凝土拱桥施工中，管内混凝土的设计及施工难度很大，且管内混凝土施工质量的好坏以及管内混凝土与钢管管壁的粘结好坏情况，直接影响着钢管混凝土拱桥的承载能力和耐久性能[1]。

目前，国内对钢管混凝土质量检测的方法分为有损与无损两类。有损检测方法以钻孔验证法为主，该方法检测时会造成拱肋损伤，且检测区域有限。而无损检测方法以超声波法、光纤传感监测、冲击回波法等[2-8]为主，这些方法也存在着各自的问题。例如超声波法运用到脱空较大处的定量问题和信噪比、耦合剂问题；冲击回波法受构件形状和尺寸影响较大；光纤传感监测方法需要预埋传感器等。对钢管混凝土拱桥拱肋的钢管混凝土质量进行检测主要采用超声波法。截至目前，拱肋节段连接处的法兰盘对超声波检测结果的影响情况的研究比较少。为了研究拱肋节段连接处的法兰盘对超声波检测结果的影响情况，确保检测结果的合理性及准确性，采用超声波检测法研究超声波穿过不同区域的波形变化情况，便于为后期的检测提供分析依据，为下一步工作提供更准确、更直观的数据和经验。为此，通过制作足尺钢管混凝土试验构件来研究拱肋节段连接处的法兰盘对超声波检测结果的影响情况十分重要。

1 检测原理概述

超声波检测钢管混凝土的基本原理是在钢管外径的一端利用发射换能器辐射高频振动，经钢管圆心传向钢管外径另一端的接收换能器。超声波在传播过程中遇到由各种缺陷形成的界面时就会改变传播方向和路径，其能量会在缺陷处被衰减，造成超声波到达接收换能器时的声时、声幅、频率的相对变化。超声波检测钢管混凝土就是根据超声波在传播过程中声时、声幅、频率的相对变化，对钢管混凝土的质量进行分析判断。实践证明，超声波检测技术对钢管混凝土拱桥的钢管混凝土构件进行检测是行之有效的。目前该技术已经在钢管混凝土结构中得到了较为广泛的应用。钢管混凝土超声检测方法如图1所示。

图1 超声波检测示意图

2 试件设计及制作

在柳州至南宁改扩建工程№7标段的项目部工地现场制作钢管混凝土试件。本次钢管混凝土试件采用的钢管管径与来宾马滩红水河特大桥主桥拱肋的管径相同，其管径为1 200 mm，壁厚为22 mm，管长为2 100 mm。管内浇筑与来宾马滩红水河特大桥主桥拱肋混凝土相同标号的C55高性能自密实无收缩混凝土。试件测区测点布置如图2所示。为了避免试件端部对检测结果的影响，测点布置在距两端一定距离的中部，共划分为15个测试断面，等间距布置测点，相邻两侧点的纵向距离为100 mm，每一径向截面布置4对测点(米字型对称布置)。试件在自然环境下浇筑养护，按照试验方案的要求，对试件进行2 d、4 d、6 d、21 d、28 d、66 d共6个不同龄期工况的超声波检测。

图2 试件测区测点分布示意图(mm)

3 试验及结果分析

在检测之前，需要在钢管混凝土试件上布置需要检测的测点，做好编号，保证各个测点检测数据的一致性；将黄油涂抹在测点上，作为检测探头与试件接触面的耦合剂；利用ZBL-U520非金属超声检测仪采集各个测点的超声波检测数据，并将超声波检测数据传入计算机进行数据的整理分析；通过检测数据的差异性研究管内法兰盘对超声波检测结果的影响规律及试件的超声波波速值随试件龄期的变化规律，从而间接分析混凝土强度变化对超声波检测数据的影响规律，最后得出试验结论。

3.1 试件管内法兰盘对超声波检测结果的影响分析

本小节以管内法兰盘为主要研究对象，对比分析试件各个测线的检测数据的变化情况，研究试件管内法兰盘对超声波检测结果的影响规律，其各个测线所对应的肋板长度(法兰盘)和4 d龄期超声波波速值见图3。选取其中的2-2’测线的超声波波速值与该测线的肋板长度为研究对象，并以各个测试断面所对应的肋板长度和4 d龄期超声波波速值为坐标轴，分析两者所构成曲线的变化情况(见图4)。同时，也研究试件的各个测线的超声波波速值随各个测试断面的变化情况。

图3 各个测试断面的肋板长度和超声波波速值曲线图

图4 肋板长度与超声波波速值的关系示意图

从图3可以看出，试件各个测线的各个测试断面的肋板长度对超声波检测结果的影响比较明显，有肋板的测试断面，其超声波波速值明显比没有肋板的测试断面大；而且部分未有肋板的测试断面，因其靠近肋板，所测试的超声波波速值也会受到一定的影响。例如试件各测线的1、2测试断面，即使这两个测试断面的肋板长度均为0 mm，但因为2测试断面比较靠近肋板端部，其超声波波速值明显比1测试断面的超声波波速值大。其中5-5’测线，其仅在9测试断面存在肋板，其它测试断面未存在肋板，但因其两侧的1-1’测线、4-4’测线存在肋板，从而也导致5-5’测线的超声波波速值偏大。

从图3还可以发现，试件底部的声波波速值比管顶对应位置的声波波速值大，这说明混凝土的自重也会影响管内混凝土的密实度。因而，在今后采用超声波法对竖向的钢管混凝土构件进行检测时，亦应分析导致各个检测区域的声波波速值存在差异的原因，力求检测结论客观合理。

从图4可以看出，试件的2-2’测线各个测试断面的肋板长度和4 d龄期超声波波速值呈线性相关，其拟合曲线公式为：y=0.000 5x+4.768 4，相关系数值为R2=0.908 2，这说明两者线性相关程度非常高。这表明：在采用超声波法对钢管混凝土构件进行检测时，需要在检测前了解清楚检测区域的管内加劲肋、肋板等构件的分布情况，以保证后续超声波检测数据的合理性。

3.2 试件龄期对超声波检测结果的影响分析

试件管内浇筑与来宾马滩红水河特大桥主桥拱肋混凝土相同标号的C55高性能自密实无收缩混凝土，该混凝土属于高强混凝土范畴。文献[9]中的研究结果表明：高强混凝土早期强度发展较快，7 d即达到28 d的60%～80%，后期的强度增长速度较小，但高强混凝土的后期强度增加值大于普通强度混凝土。本小节选取试件的2-2’测线的1～6测试断面的2 d、4 d、6 d、21 d、28 d、66 d共6个不同龄期工况的超声波检测为研究对象，检测结果见表1，并以试件龄期和超声波波速值为坐标轴，分析两者所构成曲线的变化情况，如图5所示。

图5 试件龄期与超声波波速值的关系示意图

表1 试件龄期与超声波波速值的关系表

从图5试验数据分析可知，试件早期超声波波速值发展比较快，当试件龄期达到6 d之后，试件的超声波波速值随着试件龄期缓慢发展，这说明试件管内的C55高性能自密实无收缩高强混凝土的早期强度发展较快，当管内混凝土龄期达到6 d之后，试件的混凝土强度随着试件龄期缓慢发展；这印证了文献[9]中的研究成果，即高强混凝土早期强度发展较快，7 d即达到28 d强度的80%，随后其强度随着龄期缓慢发展。

4 结语

本文依托柳州至南宁改扩建工程№7标段的项目部工地现场制作钢管混凝土试件，利用ZBL-U520非金属超声检测仪对钢管混凝土试件进行数据采集，整理分析钢管混凝土试件的超声波检测数据，研究钢管混凝土试件的管内法兰盘对超声波检测结果的影响情况，得到如下结论：

(1)试件各个测线的各个测试断面的肋板长度对超声波检测结果的影响比较明显，有肋板的测试断面，其超声波波速值明显比没有肋板的测试断面大；而且部分未有肋板的测试断面，因其靠近肋板，所测试的超声波波速值也会受到一定的影响。

(2)试件底部的超声波波速值比管顶对应位置的超声波波速值大，这说明混凝土的自重也会影响管内混凝土的密实度。

(3)试件的2-2’测线各个测试断面的肋板长度和4 d龄期超声波波速值呈线性相关，其拟合曲线公式为：y=0.000 5x+4.768 4，相关系数值为R2=0.908 2，这说明两者线性相关程度非常高。因此研究表明：在采用超声波法对钢管混凝土构件进行检测时，需要在检测前了解清楚检测区域的管内加劲肋、肋板等构件的分布情况，以保证后续超声波检测数据的合理性。

(4)试件早期超声波波速值发展比较快，当试件龄期达到6 d之后，试件的超声波波速值随着试件龄期缓慢发展。

本文所取得的研究成果可为后期来宾马滩红水河特大桥主桥拱肋的超声波检测数据进行标定校准，确保检测数据的合理性及可靠性；同时也可为今后的类似工程提供参考。