钢管混凝土拱桥拱肋混凝土缺陷及检测方法简介

钢管混凝土拱桥拱肋混凝土缺陷及检测方法简介

廖渭扬,黄福伟,周海龙

(重庆交通学院,重庆　400000)

摘　要:本文介绍了钢管混凝土拱桥拱肋混凝土缺陷产生机理和检测方法,并对检测方法的优点和缺点进行了比较与分析。

关键词:钢管混凝土拱桥;拱肋混凝土;缺陷;检测中图分类号:U448.22

钢管混凝土拱桥是我国近年来桥梁建筑发展的新技术,具有自重轻、强度大、抗变形能力强、承载能力大等优点,并且用料省、安装重量轻、施工方便、工期短、养护工作量小,是大跨度拱桥的一种比较理想的结构形式。据统计,近年来我国相继建成的钢管混凝土拱桥达200多座,在钢管混凝土拱桥设计与施工方面有许多成功的经验,但是由于钢管混凝土的施工工艺,是向钢管拱肋内浇筑混凝土,浇筑后的管内混凝土是隐蔽的,肉眼无法直接观察。混凝土的强度、密实性及是否存在蜂窝、麻面、夹渣、结合不良等缺陷都不能直观的反映出来,因此对浇注后的拱肋混凝土进行检测是非常必要的。

2　拱肋混凝土缺陷及其产生机理

钢管混凝土拱肋混凝土缺陷产生的原因较多,在实际工程中很难避免。一般而言,缺陷主要有以下几种情况:

在泵送过程中排气不畅将引起气孔缺陷。对于钢管混凝土拱圈内的混凝土浇筑一般采用泵送顶升法,即用混凝土输送泵将混凝土从低处往高处顶升。当加载程序是从拱脚往拱顶一次浇筑时,从两端拱脚向拱顶泵送,当泵送顶升高度较高时,采用分级泵送,随着混凝土在管内上升,管内空气密度不断增加,若排气孔设计不当或其他原因导致空气来不及从排气孔排尽,在管内极有可能形成气孔缺陷。

混凝土本身的质量也是引起缺陷的主要原因。混凝土在浇筑时要求有一定的流动性,用坍落度来表示,管内混凝土必须要有一定的坍落度,但坍落度不能太大,否则混凝土在运送、灌注过程中易分层离析,破坏混凝土的均匀性,影响灌注质量。另外,为了补偿钢管内部混凝土的收缩,减小混凝土收缩系

数和孔隙率,需掺入膨胀剂,膨胀剂量必须适当,若加入的量过大,会使混凝土膨胀过量,导致钢结构的破坏,强度下降,若加入的量过小,由于混凝土收缩,会使混凝土干缩和水化热冷缩,导致缺陷,使混凝土与钢管壁的胶结脱离,因此,正确使用膨胀剂是非常重要的,一般掺量为10%一15%,有时还掺入粉煤灰,以改善混凝土组份的颗粒分配,增加致密性。

外界温度以及钢管混凝土材料间的温差将对拱肋的质量有很大影响。钢管与混凝土的吸热、散热速度相差很大,而拱肋又是直接暴露在大气中直接承受阳光作用,夏天钢管表面温度高达80℃,内部核心混凝土50℃,受其影响白天钢管吸热迅速膨胀时,管内的混凝土吸热慢,且需要吸收的热量大,管内混凝土不可能跟钢管一起膨胀;到了夜晚,钢管遇冷收缩时,管内的混凝土才慢慢吸热膨胀而阻止钢管的收缩,同时钢管又对混凝土产生了一个紧箍力,加速混凝土的收缩和徐变。在昼夜温差大、气温变化大的季节,这类作用就更加突出了。这样日积月累地反复作用,钢管受残余变形的影响将相对地变大,而管内混凝土因徐变、收缩的影响将相对地变小,钢管与混凝土产生一定的脱离是很难避免的。若混凝土配合比设计不当,混凝土收缩严重或在浇注过程中混凝土并不是很严实,钢管与混凝土的脱空现象将相当明显。比如,在重庆武隆县峡门口乌江二桥的检查中就发现管内顶部填充混凝土与管壁有空隙,空隙区间为跨中25m 范围,空隙深度为0.3～2.0c m 。

对于拱肋混凝土的质量,虽然施工中的控制很重要,但建成后的检测同样也很重要的,它是工程验收的重要依据,也是事后补强处理的重要依据。

第21卷　第10期2005年10月 甘肃科技Gansu Science and Technol ogy

V ol .21　N o .10

O ct .　2005

3　现有检测方法及评价

目前在管内混凝土完整性检测中使用的方法比较多,如人工敲击法、钻芯取样法、超声波法、表面波法以及光纤监测系统等,其中超声波法、人工敲击法、钻芯取样法用得更为普遍。

3.1　人工敲击法

人工敲击法是靠技术人员通过对钢管混凝土拱肋的敲击而后根据经验判断出缺陷位置以及种类的方法。但是敲击法完全凭技术人员的技术及经验,缺乏理论依据和可供存档的资料,是一种比较粗略的检测方法。无论是对于判断缺陷的种类还是判断的精度都是不能得到保证的,因此,人工敲击法的应用既不便于施工技术管理也不适合质量检测技术管理,它只能作为一种辅助检测手段。

3.2　直接钻芯取样法

在众多钢管混凝土拱肋的检测方法中,钻芯法无疑是最为直观最为可靠的方法。它不仅能直观的反映出钢管混凝土的完整性,而且能比较精确的验证混凝土强度是否满足要求。但是钻芯法仍然有其不足之处,该法取样部位有局限性,只能反映钻孔范围内的小部分混凝土质量,存在较大的盲区,容易以点代面造成误判或漏判。另外钻芯法对检查大面积的混凝土疏松、离析、夹泥、孔洞等比较有效,而对局部缺陷和水平裂缝等判断就不一定十分准确。当然钻芯法还存在设备庞大、费工费时、价格昂贵的缺点。

因此,钻芯法不宜用于大批量检测,而只能用于抽样检查,或作为对无损检测结果的验证手段,实际工程检测表明,采用钻芯法与超声波联合检测、综合判定的办法评定钢管混凝土拱肋的质量,是十分有效的。在万县长江公路大桥应用超声波检测钢管混凝土的缺陷实例中,通过对特殊的测点进行钻孔检查不仅利于验证超声波检测的准确性而且还能对这些特殊点的缺陷进行定量检测。

3.3　超声波检测法

钢管内部混凝土的密实程度和均匀性以及钢管壁与混凝土之间的胶结脱离的检测,可以运用超声波技术来检测。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,其能量就会在缺陷处被衰减,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。

超声波检测管内混凝土缺陷主要有首波声时法(波速)、波形识别法和首波频率法,根据声学参数声时、波幅、相位、频率等参数相应的变化,来判断其内部间隙的位置和大小。判别的前提条件是:超声波通过混凝土传播的声时值必须小于直接通过钢管壁绕射的声时值,否则,超声波首波将不穿过混凝土而直接沿钢管壁到达接收探头,就无法判断其内部缺陷。

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。它可以根据合理布设的检测点,对钢管混凝土的密实程度和均匀性进行全面而细致的检测,它可以检测出钢管混凝土是否存在缺陷,找出缺陷位置,圈出缺陷范围,特别是对钢管内壁与内部混凝土之间的胶结脱离或完全脱空可以定量地进行检测,对钢管内混凝土缺陷采用首波声时、波形、首波频率的综合判较为理想。在万县长江公路大桥应用超声波检测钢管混凝土的缺陷实例中,从超声波检测的总体结果分析,除北岸上弦3号管在泵送混凝土中出现爆管回流混凝土,导致局部明显空管,另有少量管道出现混凝土上部与钢管脱粘现象外,整个大桥钢管混凝土质量较好,对于部分超声探测点进行了钻孔检查,其钻孔检查结果与超声检测结果基本一致。从实例中可以看出超声波法能够较好地分析判断管内各种部位混凝土是否存在缺陷,缺陷较多的部位在什么地方。

超声波法也有一定的限制,因其采用逐点径向检测,不仅检测进度慢,而且由于不能连续检测易造成漏检,此外,要具体分清缺陷类型,需要结合敲击和钻芯等手段进行,而定量检测的精确性也有待于进一步提高。

3.4　表面波法

当在介质表面施加一冲击荷载时,会产生4种波:膨胀波、剪切波、表面波和Von Schm idt波。其中表面波的峰值最大,衰减最慢。在钢管混凝土中混凝土和钢管壁之间脱离的情况下,表面波恰恰是在钢管壁和混凝土之间的分界面附近传播的,缝隙对表面波的干涉显著,从而提高了检测的灵敏度。表面波能量较大,且衰减慢,这样可以增大检测的范围,提高检测速度。另外,由表面波理论可知,表面波传播速度仅与介质常数相关,因此在传播过程中,如未遇到缺陷,表面波是不会发生弥散的,这为使用

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