波形钢腹板PC桥剪力键部位密实度分析

尹永胜，姜竹昌

(山东高速建设管理集团有限公司，济南 250101)

在实际工程中，混凝土构件内部会出现蜂窝、孔洞、离析、低强度等问题[1-4]。无损检测法[5]能够及时发现工程中的质量问题，常用的无损检测法有冲击回波法、声发射法、超声脉冲法等[6]。其中冲击回波法是一种基于弹性应力波的测试方法，而弹性应力波的波长较大，为识别结构缺陷，测试方法的波长一般不能超过结构缺陷的8倍，因此冲击回波法无法有效识别钢混组合梁结合部位的初始混凝土浇筑缺陷。声发射法可以定量描述裂缝的发展机制及损伤发展过程，门进杰等[7]认为声发射法可用于钢筋混凝土损伤扩展的长期监测，但对于钢混组合梁结合部位的初始缺陷无法有效检测。超声脉冲法不易进行定量判断，须对数据进行处理和统计，对检测人员有较高专业要求。常用的超声波检测技术[8-10]分为平测法和对测法，均为单点发射、单点接收的测试方式，得到的测试评估结果存在分辨率低且测试误差大等缺点。

超声CT技术采用多点发射、多点接收方式，测试数据丰富，可有效揭示缺陷部位及范围。檀永杰等[11]采用超声CT测试了钢管混凝土的界面脱空，取得较好的识别效果，钢管混凝土的界面脱空缝隙相对较小，研究表明超声CT测试技术具有技术有效性。

波形钢腹板预应力混凝土箱形梁桥又被称为波形钢腹板PC桥[12-14]，剪力键与底板混凝土结合位置的施工质量对于桥梁结构稳定至关重要。腹板和底板的剪力键部位易发生不密实现象，分析其原因有：①该部位的剪力键通常存在翼缘，翼缘的存在导致该部位混凝土无法有效振捣，进而出现混凝土浇筑不密实现象。②剪力键部位的钢筋配筋密集，同时剪力键构造本身较为复杂，存在部分纵肋或横肋，导致混凝土难以浇筑密实。

因此须针对施工过程中顶板混凝土剪力键布置区域开展相应的混凝土密实性评估[15-18]，保证该区域内混凝土质量达到设计要求。针对波形钢腹板和顶底板结合部位，目前还未有采用超声CT测试技术检测混凝土密实性的相关研究成果。

1 工程背景

高广高速公路小清河3号桥为3跨(90 m+150 m+90 m)预应力波形钢腹板连续箱梁桥，单幅主梁采用单箱单室直腹板变截面形式，箱梁顶板宽度为12.75 m，底板宽度为6.75 m，跨中位置梁高为4.2 m，支座位置梁高为9.2 m，按1.8次抛物线过渡，波形钢腹板厚度为16～30 mm，桥梁总体布置如图1所示。

小清河3号桥波形钢腹板与底板采用角钢+闭合箍筋剪力键连接，波形钢腹板底板连接部位示意如图2所示，角钢与闭合箍筋剪力键局部构造示意如图3所示。

剪力键的钢板厚度为18 mm，共设置2个贯通孔。贯通孔的直径为55 mm，间距为200 mm，贯穿钢筋的直径为7 mm，角钢尺寸如图4所示。其中，钢箱与角钢之间采用四面连续角焊缝连接。角钢+闭合箍筋连接件与混凝土整体尺寸如图5所示。

2 测试原理

2.1 反演法

断层截面与投影的几何布置如图6所示，对截面进行离散化处理，将网格叠加在图像f(x，y)上。小网格中的像素值f(x，y)为常量，因此第M个单元的常量值用xM表示。对于迭代法，射线的定义略有不同，具体而言此时通过x、y平面的射线具有一定的宽度τ，图中用阴影加重了第i根射线加以说明，在大多数情况下，射线的宽度近似等于图像的像素单元宽度。

根据现场精度要求和测试条件，以V(x，y)为二维模型的速度分布函数，在成像截面共测量了N条射线。根据射线CT的理论成像公式，首先将成像区域划分为M个单元，成像方法可以归纳为求解式(1)。

(1)

式中，lNM为第N条射线在第M个单元内的路径长度；SM=1/VM，为第M个单元的平均慢度值；TN为第N条射线的实测走时值。

2.2 迭代重构算法

通过快速射线追踪技术和SIRT算法求解式(1)可以实现CT成像，具体步骤如下。

(2) 各单元内的长度lij和射线走时Tc利用射线追踪技术进行计算。

(2)

若测量区域内的波速变化范围已知，则可以将Smin

3 现场检测

3.1 检测方案

在小清河大桥开展超声CT的主要检测区域为桥梁左幅和右幅跨中位置的17号块底板剪力键部位，共4处位置。左腹板检测区域为1号，右腹板检测区域为2号，每个测区选取A1～A10共10个发射测点以及B1～B10共10个接收测点，测点间距为2 cm，全桥纵向检测区域示意如图7所示、17号块截面检测示意如图8所示。

3.2 测试结果

根据实测数据的每条路径长度和声时，计算实际测区每条路径的声速，再根据等效映射测区的长度，测区转化如图9所示，通过式(3)反算出等效映射测区每条路径的声时。

(3)

式中，Sij为转化测区i号发射测点到j号接收测点的长度；tij为实测数据中i号发射测点到j号接收测点声时；sij为实际测区中i号发射测点到j号接收测点的长度。

对测量数据进行延时校核，其基本原理为：用测点间距S作为横坐标，测点声时T作为纵坐标作图，其时距曲线应过坐标原点，当测试数据中存在离散很大的样点时，应对其进行校正；若拟合直线不通过坐标原点，其截距T0为延时，须对测点声时进行校核(即T-T0)， 超声CT数据延时校核如图10所示。

左幅小里程测试结果如图11所示，左幅大里程测试结果如图12所示，右幅小里程测试结果如图13所示，右幅大里程测试结果如图14所示，实测部位低速区如图15所示。图像中的纵坐标为测点距离与总厚度的比值，横坐标为测点距离与宽度的比值。

由图11～图15可知：

(1) 左幅小里程测区波速分布较均匀，未出现明显低速区，剪力键部位混凝土密实度良好，无明显不密实现象。

(2) 左幅大里程测区平均波速均稳定在5 000 m/s 左右，其中1号测区波束分布较平均，无不密实现象，2号测区下方出现低速区，分析原因可能是此处贯穿钢筋作用，导致超声波经过此区域时发生变化，该区域占总体区域面积不足5%，其余位置波速分布均匀，对整体的影响可忽略不计，整体密实性良好。

(3) 右幅小里程1号测区波速分布均匀，无明显低速区，混凝土密实性良好，2号测区左上方出现小区域的低速区，出现位置位于底板顶面混凝土与钢板连接处，但该区域占总体区域面积不足5%，对总体的影响可忽略不计，总体密实性良好。

(4) 右幅大里程1号测区左上方存在低速区，但其占比较小，而且出现位置位于底板混凝土边缘，其余位置波速分布均匀，不影响总体密实性，2号测区波速分布均匀，未出现低速区，剪力键部位混凝土密实性良好。

(5) 同时应注意混凝土是由砂浆、骨料及界面组成的三向复合材料，其内部密实性存在较强的随机性，即使在结构对称并且施工工艺接近的情况下，各个测区的显示结果也有所差异。

4 结语

超声CT测试技术能够图形化显示测区的混凝土波速场，可直观判别测区混凝土缺陷的分布范围。采用A1～A10共10个发射测点和B1～B10共10个接收测点，单个测区测得100组数据的超声CT测试方案，能有效反演测区的混凝土波速场，即能有效识别混凝土材质的不均匀性。

4个测区的测试结果表明所测桥梁的相应部位混凝土浇筑较为密实，无混凝土浇筑不密实现象。