超声波检测钢管混凝土质量的方法及应用

□郝 放 □崔红娅 □崔振华

（1 河南省水利科学研究院；2 河南科源水利建设工程检测有限公司）

0 前言

钢管混凝土由于其抗压能力大、自重小而被广泛的应用于拱桥中。但由于钢管混凝土在浇注过程中常会存在空洞、脱层、脱空和混凝土强度低等缺陷。而这些缺陷的存在往往会影响桥梁的承载能力。因此，检测钢管混凝土内部混凝土是否存在缺陷十分必要。目前人们常采用局部开孔、人工敲击和无损等方法对钢管混凝土进行评。局部开孔检查由于开孔小、测点少，代表范围小，因此很难说明桥梁的整体浇注质量；人工敲击钢管从声音回响仅能够定性判断钢管壁与混凝土的粘结状况，且与操作人员的经验与主观判断有很大关系；而超声检测避免了上述检测手段的不足，并且由于其无损、简便、快捷，且能大致定量的识别存在的缺陷等优点，被广发的应用于钢管混凝土的质量检测中。

1 超声波检测原理

硬化的钢管混凝土中如果存在缺陷，那么利用超声脉冲波对其进行检测与检测没有缺陷的相比，从波形图中在检测有缺陷的时候首波将会发生畸变，在没有缺陷的混凝土中超声波的声速值偏大，在检测有缺陷的时候超声波的能量衰减大，并且超声波接收信号的频率小，我们在检测试件的时候就是综合这些声学参量，对混凝土的浇注质量进行评定的。

对于钢管混凝土缺陷判断的依据，可作如下解释:

1.1 接收信号能量衰减

由于混凝土内部存在有缺陷，不连续的介质面则构成了固—液、固—气的界面，使投射的声波在遇到这些界面的时候产生不规则的散射，相对于无缺陷密实的混凝土而言，接收信号的首波幅度下降，反映了声能的衰减。对于任何介质的界面，声波垂直入射时，声压或声强的反射率分别为:

或

式中：ρ1c1——第一种介质的声阻抗；ρ2c2——第二种介质的声阻抗。

可见，所谓全透射就是当二种介质的声阻抗相等（ρ1c1=ρ2c）2，即γ 或k 均为0。而当或∞。则γ 或k 等于1，即全反射。

1.2 “声时”或声速变化

当混凝土内部或表层存在缺陷时，在超声波发—收通路上形成了不连续的介质面（缺陷的孔、缝或疏松的空间），当超声波传播通路上遇到这些缺陷时，将绕过缺陷向前继续传播，在探测的距离内，超声纵波在密实的混凝土中直接传播所需要的“声时”要比在复合介质中传播的平均“声时”大，这反映了存在缺陷的混凝土的超声波传播的声速要比在密实混凝土中的声速小。

1.3 信号波形变化

由于超声波在传播过程中遇到缺陷的界面将会发生反射、折射、散射等现象，使得声波传播的相位发生了差异，迭加的结果导致了接收首波波形发生畸变，同质量正常的钢管混凝土比较，信号波形变化具有很强的可比性。因此利用检测的波形图也可以作为判断的钢管混凝土质量的依据之一。

1.4 信号频率变化

由于混凝土内部存在缺陷加上其自身组织结构的非均质性，使探测脉冲在传播的过程中发生反射、折射、散射等现象，高频部分的能量衰减比低频的快，也就是说，在探测的过程中高频部分消失的比较快，因此，在应用超声检测时接收信号的频率要调的很低，因此，通过测定接收信号频率的变化或作频谱分析用来判断混凝土质量情况是个有效的参量。

综上所述，采用诸超声参量综合评定钢管混凝土的浇注质量，无疑比任何单一指标的分析更为精确和有效。以上诸参量，由于受人为、耦合状况以及检测面平整度等随机性的影响，声能衰减和波形变化尚只能作定性和经验性的判别，但其有效性是勿庸置疑的。通过检测的超声声速或声时，接收信号频率变化可以作量化的检测判断。

2 工程实例

为了检测与评价南水北调中线工程焦作2 段一标解放路公路拱桥主拱肋钢管混凝土拱桥浇筑质量，本文运用上述超声波检测方法对其进行了无损检测。

2.1 检测目的

检测钢管混凝土是否存在有空洞、脱层、脱空和混凝土强度低等缺陷。

2.2 测点布设

为了能对浇注的混凝土质量作出准确的评价，根据无损检测的目的与要求，对钢管混凝土的拱肋按照0.50m 一个断面进行布点测试。对于可能产生缺陷的部位，如拱脚和拱顶应适当增加断面的数量，以便于进行统计计算。断面布点如图1所示：

图1 断面测点布置图

2.3 检测结果分析

检测共检测了260 个截面，检测的测点波速都在3500～4200 之间。在检测过程中没有发现有空洞、空管等现象，说明混凝土整体的浇注质量良好。部分检测结果如表1所示：

表1 部分管混凝土浇筑质量检测结果统计表

3 结语

文章以南水北调中线工程焦作2 段一标解放路公路拱桥主拱肋钢管混凝土拱桥浇筑质量的检测为例，介绍了超声波法在钢管拱桥检测中的应用，通过对局部区域的钻孔对比，表明超声波法检测的准确性。通过对此次检测数据的分析发现，钢管混凝土拱桥缺陷部位主要集中在拱顶和1/4 拱顶处，因此在钢管混凝土浇注混凝土的时候应当对易出现缺陷的部位进行特别注意。

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