1、工程概況
某鋼管混凝土拱橋是一個下承式鋼架系桿拱橋 ，主跨120 m ，矢高 20 m ，由主拱圈 、拱上風撐 、端橫梁 、中橫梁 、吊桿 、系桿 及橋面板組成 。 主拱圈通過拱腳預埋件 與拱腳組成一個整體 ，拱軸線為懸鏈線 ，主拱圈采用等截面鋼管混凝土啞鈴形截面 ，主跨由相同的兩條拱圈組成 ，每條拱圈下連 23根吊桿 ，吊桿下端錨固于橫梁底部 ，主拱圈為鋼管混凝土結構 ，鋼管直徑機∅1.1 m ，由厚 14 mm材料為 Q 345 D鋼板分段卷制焊接而成 ，鋼管內(nèi)部采用 C 50無收縮混凝土填充 ，混凝土與鋼管內(nèi)壁大許可脫空量為3mm。 為了了解管內(nèi)混凝土的泵注質量以及與鋼管內(nèi)壁的膠結質量 ，需要對鋼管混凝土相關構件進行非破損檢測 。
2 缺陷形成機理
對于鋼管混凝土拱圈內(nèi)的混凝土澆筑一般采用泵送頂升法 ，即用混凝土輸送泵將混凝土從低處往高處頂升 ，當加載程序是從拱腳往拱頂一次澆筑時 ，從兩端拱腳向拱頂泵送 ，當泵送頂升高度較高時 ，采用分級泵送 ，隨著混凝土在管內(nèi)上升 ，管內(nèi)空氣密度不斷增加 ，若排氣孔設計不當或其他原因導致空氣來不及從排氣孔排盡 ，在管內(nèi)極有可能形成氣孔缺陷。 混凝土在澆筑時要求有一定的流動性，用坍落度來表示，管內(nèi)混凝土必須要有一定的坍落度 ，但坍落度不能太大，否則混凝土在運送 、灌注過程中易分層離析，破壞混凝土的均勻性 ，影響灌注質量 。 另外 ，為了補償鋼管內(nèi)部混凝土的收縮，減小混凝土收縮系數(shù)和孔隙率，需摻入膨脹劑 ，膨脹劑量必須適當，若加入的量過大，會使混凝土膨脹過量，導致鋼結構的破壞 ，強度下降 ，若加入的量過小 ，由于混凝土收縮 ，會使混凝土干縮和水化熱冷縮，導致缺陷，使混凝土與鋼管壁的膠結脫離 ， 因此 ，正確使用膨脹劑是非常重要的 ，一般摻量為10 ％～15 ％，有時還摻入粉煤灰 ， 以改善混凝土組份的顆粒分配 ，增加致密性 。 總而言之 ，鋼管混凝土缺陷產(chǎn)生的原因較多 ，在實際工程中很難避免產(chǎn)生缺陷，雖然施工中的防止很重要 ，但是 ，施工后的檢測同樣也很重要的 ，它是工程驗收的重要依據(jù) ，也是事后補強處理的重要依據(jù) 。
3 缺陷檢測原理
鋼管內(nèi)部混凝土缺陷以及鋼管壁與混凝土之間的膠結脫離的檢測 ，可以運用超聲波技術來 檢測 ，超聲波檢測管內(nèi)混凝土缺陷主要有首波聲時法 (波速 ) 、波形識別法和首波頻率 法 ，主要聲學參數(shù)有聲時 、波幅 、相位 、頻率等 ，當混凝土存在內(nèi)部缺陷時 ，這些參數(shù)會有相應的變化 ， 根據(jù)這些變化來判斷其內(nèi)部間隙的位置和大小 。判別的前提條件是 ：超聲波通過混凝土傳播的聲時值必須小于直接通過鋼管壁繞射的聲時值 ，否則 ，超聲波首波將不穿過混凝土而直接沿鋼管壁到達接收探頭 ，就無法判斷其內(nèi)部缺陷。
1)聲時(聲速)法。 超聲波在鋼管混凝土中傳播有如下關系式 ：
                                               （1）

其 中 ： Tc為超聲波直接透射穿過鋼管混凝土的時間 ，Vc為超聲波透射穿過鋼管混凝土的速 度 ， Ts為超聲波沿鋼管壁繞射的時間， Vs為超聲波沿鋼管壁繞射的速度 。從兩者 的關系可以看出 ，只要鋼管混凝土內(nèi)部無缺陷 ，鋼管壁與混凝土膠結良好 ，當采用超 聲波對穿檢測時 ，接受信號的首波是沿著鋼管混凝 土徑向傳播的超聲縱波 ，繞鋼管壁半周 長傳播的時間較長 ，起初至波疊加于首波之后 ，因此應用超聲波聲時 (聲速 ) 檢測鋼管混凝土的內(nèi)部缺陷是切實可行的。
2 )波形識別法 。 波形系指測試儀上示波屏顯示的接收波形 ，
有缺陷的混凝土測試時, 由于聲波能量發(fā)生變化 ，超聲波會發(fā)生繞射波和反射波 ，波的傳播路徑變得比較復雜 ，有直達波 、反射波 、繞射波相繼到達接收換能器 ，波的能量有所損失 ，首波幅度有所下降 ，并與原脈沖波疊加 ，使波形發(fā)生畸變 ，根據(jù)接收波形的畸變
程度可以判斷混凝土內(nèi)部質量和缺陷。
3)首波頻率法 。 超聲檢測中 ，由電脈沖激發(fā)出的聲脈沖信號是復頻超聲脈沖波 ，它包含了一系列不同成分的余弦分量 。這種含有各種頻率成分的超聲波在傳播過程中，高頻成分首先衰減 。
因此 ，可以將混凝土看成是一種類似高頻濾波器的介質 ，超聲波越往前傳播 ，其所包含的高頻分量越少 ，則主頻率也慢慢下降 。
正常情況下 ，到達接收換能器的首波頻率相對較高 ，而存在缺陷的部位接收到的大都為低頻率波 ，見圖 1。 圖中波形為典型的鋼管內(nèi)部混凝土與鋼管壁脫空或空洞缺陷超聲脈沖波形 ， 由混凝土傳過來的脈沖波很難測讀首波 ，或者能夠測讀 ，但波形畸變大 、衰減大 ，并且首波頻率極小 。

4 )鋼管壁與管內(nèi)混凝土膠結脫離的判別法 。 為了定量檢測鋼管壁與管內(nèi)混凝土的脫空量 ，可以按下面方法檢測 ：測試時 ，根據(jù)波形情況確定可疑點 ，然后在可疑點處固定發(fā)射換能器 ，移動接收換能器 ，直到波形正常為止 ，此時測量接收換能器移動的距離 ，將此數(shù)據(jù)與設計允許的數(shù)值進行比較 ，設計值按下式計算 ：
                              （2）

其中：D 為鋼管直徑，H 為設計要求的鋼管壁與管內(nèi)混凝土的允許大脫空量 ，S為設計允許的大鋼管脫空弦長 ，測試時可用卡尺量得接收換能器移動的大距離Sc，若 S c≤ S 時 ，說明脫空缺陷在設計允許的范圍之內(nèi) ，當Sc > S 時 ，說明實際脫空缺陷超過了設計允許的數(shù)值 ，必須做出報告實施補強，以保證鋼管內(nèi)部混凝土質量。
4 測試方法與分析

測試儀器：泰仕特（北京）檢測技術有限公司的非金屬超聲檢測儀TST-NM510（雙通道）

首先在現(xiàn)場進行樣本檢測 ，選取與拱圈混凝土 同期澆筑的標準試塊 3 個 ，進 行 12 對 點的聲速測試 ，測得超聲波平均聲速為4 635 m ／s，對鋼管也布置 12 對測點，測得鋼管平均聲速為 5 655 m ／s，根據(jù)關 系式(1) 計 算得出：Ts = 1 .28 Tc。 即Ts > Tc ，據(jù)此確定可以采用超聲波檢測主拱圈內(nèi)部缺陷。 測試時根據(jù)全橋拱圈的具體結構情況布置好86個測區(qū) ，根據(jù)拱圈斷面結構在每一測區(qū)確定沿鋼管周向布置 4 對測點 ，用接收換能器和發(fā)射換能器實施沿鋼管截面軸線對測 ，選用換能器頻率小于100 kH z，每對測點間距以 150 m m ～300 rnnl為宜 ，并使每對測點連線穿過鋼管混凝土中軸線 。 由波形判斷可疑處 ，在可疑測點進行首 波聲時 、波形 、首波頻率的綜合測試評判，以定性或定量地確定鋼管混凝土的缺陷。對于鋼管內(nèi)壁與管內(nèi)混凝土膠結脫離或*脫空的情況 ，根據(jù)關系式(2) 可 以定量地測量其脫空 缺陷的脫空量。 測試時先將發(fā)射換能器固定 ，然后移動接收換能器 ，同時觀察測試信號是否正常 ，當信號正常時 ，記下接收換能器移動的大距離 ，并將此數(shù)據(jù)與S 進行比較 ，根據(jù)該橋梁的設計參數(shù)計算出 S = 1 14．8 rnnl，因此只有當測得的 s ≤114 ．8 rnnl時才符合設計要求，否則要采取補強措施。測試結果 顯示 ：鋼管混凝土內(nèi)部質量較好 ，沒有超出規(guī)的缺陷 ，比較明顯的是主拱圈部分鋼管內(nèi)壁與管內(nèi)混凝土有不同程度的膠結不良或*脫空 ，尤其以拱圈頂處和拱腳處問題較大 ，
在吊桿周圍也存在一些間隙較大但面積不大的空隙，這些情況說明脫空缺陷與鋼管混凝土構件結構以及施 工藝有關 ，鋼管內(nèi)部混凝土與鋼管內(nèi)壁脫離是鋼管混凝土所*的缺陷，鋼管與混凝土是兩種性質*不同的材料 ，兩者不可能*溶合成一體 ，由于混凝土收縮以及施工工藝等原因 ，混凝土也不可能*理想地充滿鋼管空腔 ，尤其是主拱圈的頂部容易與混凝土脫離 ，因此必須大限度地保證鋼管和混凝土的密貼性。 對于脫空缺陷可以根據(jù)其大小采用鉆孔壓漿或壓環(huán)氧樹脂進行補強， 以保證鋼管混凝土的內(nèi)部質量 。
5 結語
超聲波檢測技術對鋼管混凝土拱橋的鋼管混凝土構件進行測試是行之有效的。它可以檢測出鋼管內(nèi)部的有關缺陷 ，對鋼管內(nèi)壁與內(nèi)部混凝土之間的膠結脫離或*脫空可以定量地進行檢測 ，對鋼管內(nèi)混凝土缺陷采用首波時 、波形 、首波頻率的綜合研判較為理想 ，與一般混凝土缺陷檢測類似 ，定量檢測的性有待于進一步提高 ，鋼管內(nèi)混凝土的配比以及施工工藝也有待于進一步研究和改進。