王渝清

(廣西公路檢測有限公司,廣西 南寧 530024)

0 引言

我國在1990年建設(shè)首座鋼管混凝土拱橋后,通過三十余年的發(fā)展,已建設(shè)鋼管混凝土拱橋的總量達(dá)到400余座[1],該技術(shù)在國內(nèi)得到了快速的發(fā)展和運(yùn)用[2-3]。國內(nèi)尤其是廣西區(qū)內(nèi)在建鋼管混凝土拱橋數(shù)量逐年增多,跨徑逐年增大。國內(nèi)建設(shè)的相關(guān)項(xiàng)目多數(shù)采用泵送頂升施工方法,因?yàn)槌Ｒ?guī)泵送頂升可能會導(dǎo)致管內(nèi)出現(xiàn)局部滯留空氣,進(jìn)一步造成脫空、脫粘等問題,這是限制該技術(shù)發(fā)展的核心因素。鋼管混凝土拱橋建造技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展,相繼發(fā)明了管內(nèi)混凝土真空輔助灌注技術(shù)、歷程可控復(fù)合膨脹技術(shù),以及管內(nèi)混凝土材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、灌注施工及養(yǎng)護(hù)全過程的精細(xì)化管理技術(shù),并在合江長江一橋、馬灘紅水河特大橋、平南三橋等工程中成功應(yīng)用。隨著鋼管混凝土拱橋建設(shè)數(shù)量的增加,管內(nèi)混凝土質(zhì)量檢測得到重視。本文采用超聲波法,對沙尾左江特大橋8根拱肋弦桿鋼管混凝土灌注混凝土后齡期分別為2 d、7 d、14 d、28 d共4個工況進(jìn)行試驗(yàn)測試,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,每根主拱肋布置9個檢測區(qū)域,每一測區(qū)布置6個截面,共布置216個測點(diǎn),實(shí)測有效數(shù)據(jù)864組,基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)對其測試結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明:沙尾左江特大橋在不同齡期下的鋼管混凝土均判定為密實(shí)性良好,說明超聲波法聲學(xué)參數(shù)結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論評定混凝土質(zhì)量是可行的。

1 工程概況

沙尾左江特大橋橫跨左江,位于崇左市沙尾村。主橋采取跨徑為340 m的中承式提籃拱,橋梁矢跨比為1/4.533,主拱軸線選擇懸鏈線,其中拱軸系數(shù)m=1.55。拱肋采取桁架式,在豎直面向內(nèi)偏斜10°,形成提籃拱。拱鉸鉸心橫橋向中心間距為38 m。本次設(shè)計(jì)中的單片拱肋選擇變高度四管桁式的方案,拱頂截面徑向高度為7 m,拱腳截面徑向高度為12 m,肋寬為3.2 m。每肋上、下弦都采用φ1 200 mm的弦管,其中壁厚為24～32 mm,管內(nèi)采用C60自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土。主拱肋依靠綴管φ720 mm等連接形成矩形截面。主拱弦管采用Q345qC鋼材。沙尾左江特大橋全橋主弦管共8根,采用真空輔助“二級接力”的灌注工藝,分8次進(jìn)行灌注,泵送最高點(diǎn)距江面近100 m。全橋8根主弦管如果銜接到一起,長度可達(dá)3 147.792 m,灌注方量共計(jì)3 390.2 m3。主橋及拱肋橫斷面布置詳見下頁圖1、圖2。

圖1 沙尾左江特大橋主橋平面圖(cm)

圖2 主橋拱肋橫斷面布置示意圖(cm)

2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論

數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論的基本思想是給出置信概率,確定相應(yīng)的置信范圍,并將超出該范圍的觀測值視為測試對象質(zhì)量變化導(dǎo)致。在超聲波檢測中遇到異常值時(shí),需檢查被測試混凝土表面是否平整、清潔或存在影響測試結(jié)果的其他干擾因素,必要時(shí)增加更多測量點(diǎn)或重復(fù)測試,以消除外部及人為因素的干擾。通常,正常混凝土的測試結(jié)果遵循正態(tài)分布,在測試過程中,可以將超過給定置信范圍的觀測值分類為異常值,且認(rèn)為該測點(diǎn)的混凝土質(zhì)量異常。

測試位置各項(xiàng)聲學(xué)數(shù)據(jù)的均值以及標(biāo)準(zhǔn)差,則應(yīng)當(dāng)依據(jù)式(1)、式(2)進(jìn)行計(jì)算[4-5]:

mx=∑Xi/n

(1)

(2)

式中:mx——混凝土聲學(xué)參數(shù)的平均值;

Sx——混凝土聲學(xué)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差;

Xi——第i點(diǎn)的聲學(xué)參數(shù)量值;

n——參與統(tǒng)計(jì)的測點(diǎn)數(shù)。

異常數(shù)據(jù)可依據(jù)下述方法進(jìn)行判斷:對于各類測點(diǎn)的波幅、聲速或者是主頻值,從大到小,依據(jù)順序開展排列,即X1≥X2≥…≥Xn≥Xn+1…,將位于后部顯著偏小的數(shù)據(jù)看作是可疑,再度將相關(guān)可疑數(shù)據(jù)中最大的一個(設(shè)定Xn),與前方數(shù)據(jù)以及式(1)、式(2)計(jì)算獲得對應(yīng)的mx與Sx值,代入式(3)即可計(jì)算獲得異常狀況判斷值(X0):

X0=mx-λ1·Sx

(3)

式中:X0——聲學(xué)參數(shù)異常情況的判斷值;

mx——混凝土聲學(xué)參數(shù)的平均值;

Sx——混凝土聲學(xué)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差;

λ1——統(tǒng)計(jì)數(shù)參數(shù),按表1取值。

表1 統(tǒng)計(jì)數(shù)的個數(shù)n與對應(yīng)的λ1值表

對判斷值X0和可疑數(shù)據(jù)的最大值Xn展開對比,在Xn≤X0的情況下,Xn和后部的各類數(shù)據(jù)都是異常參數(shù),同理,應(yīng)用X1～Xn-1開展具體的計(jì)算以及判別,直至識別不到異常值即可停止;而在Xn>X0的情況下,應(yīng)當(dāng)將Xn+1放入其中再度開展計(jì)算與判別。見表1。

3 工程實(shí)踐與數(shù)理分析

3.1 測點(diǎn)布置與試驗(yàn)

對沙尾左江特大橋8根拱肋弦桿鋼管混凝土灌注混凝土后齡期分別為2 d、7 d、14 d、28 d共4個工況進(jìn)行混凝土超聲波測試。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,每根主拱肋布置8個測試區(qū)域,每一測區(qū)布置6個截面(間距15 cm),每一截面布置4個測點(diǎn)(米字型對稱布置),共布置192個測點(diǎn),采集數(shù)據(jù)共768組,見圖3。

圖3 單個測區(qū)測點(diǎn)分布示意圖(cm)

3.2 超聲波測試結(jié)果

超聲波測試的基礎(chǔ)理論,即在鋼管外徑的一側(cè),運(yùn)用相應(yīng)的發(fā)射換能器傳遞振動,通過圓心將超聲波傳導(dǎo)至另外一側(cè)的接收器。超聲波在實(shí)際傳播環(huán)節(jié)中,會因?yàn)樵庥龈黝惤缑嫒毕萦绊?進(jìn)而轉(zhuǎn)變實(shí)際的傳播方向與路徑,能量在缺陷位置產(chǎn)生衰減,進(jìn)而使得超聲波抵達(dá)的聲時(shí)、聲幅與頻率等基本數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定的變動。依據(jù)傳播環(huán)節(jié)中各類數(shù)據(jù)的變動,進(jìn)而對混凝土質(zhì)量作出相應(yīng)的判斷。

依靠深入調(diào)查有關(guān)資料與成果,運(yùn)用超聲波開展測試有良好的可行性。超聲波沿鋼管壁傳播路徑是發(fā)射→直線穿過鋼管壁→直線穿過混凝土→直線穿過鋼管壁→接收。缺陷傳播會造成傳播時(shí)間有所增長,波幅衰減有一定程度的增長以及波的相位產(chǎn)生轉(zhuǎn)變。不同數(shù)據(jù)對于不同的缺陷會產(chǎn)生多種敏感性。聲時(shí)對缺陷有著很高的敏感性,若是其實(shí)際的狀態(tài)為灌注密實(shí),測定得出的聲速會相對較大,而若是其中有缺陷則會偏小。聲速對于混凝土不同缺陷的敏感程度從大到小排序?yàn)?脫層、空洞、麻面,因此可以選擇超聲波測試中的首波聲時(shí)法對脫空缺陷進(jìn)行定量分析。由于篇幅所限,此處僅給出1#主拱肋聲速曲線圖,如圖4所示。

圖4 1#主拱肋1#～4#測點(diǎn)不同齡期聲速曲線圖

3.3 超聲波測試結(jié)果數(shù)理分析

拱肋實(shí)管為拱肋鋼管灌注混凝土完成后的實(shí)心狀態(tài),通過計(jì)算分析得出各拱肋實(shí)管測點(diǎn)鋼管混凝土的波速值。由于篇幅所限,此處僅給出1#主拱肋1#測區(qū)7 d齡期聲速結(jié)果表(后頁表2)。鋼管混凝土的灌注質(zhì)量綜合評判標(biāo)準(zhǔn)按后頁表3進(jìn)行評判。

表2 1#主拱肋1#測區(qū)7 d齡期聲速測試結(jié)果表

表3 超聲測試鋼管混凝土密實(shí)性結(jié)果判定表

沙尾左江特大橋鋼管混凝土采用超聲波法進(jìn)行質(zhì)量測試,全橋測試的有效數(shù)據(jù)數(shù)量為864組。測試結(jié)果表明:1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#鋼管不同齡期的超聲波測試聲速值均大于判斷值X0,沙尾左江特大橋在2 d、7 d、14 d、28 d 4個齡期下的鋼管混凝土密實(shí)性均判定為良好,鋼管混凝土密實(shí)性均滿足正常使用和設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

(1)沙尾左江特大橋鋼管混凝土測試結(jié)果表明,首波聲時(shí)法可對鋼管混凝土缺陷進(jìn)行有效測試,測試數(shù)據(jù)能夠判別缺陷的范圍及其嚴(yán)重程度。

(2)采用超聲波檢測法,通過測試點(diǎn)的合理布置,采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法,可以快速和較準(zhǔn)確地檢測鋼管混凝土質(zhì)量。

(3)沙尾左江特大橋鋼管混凝土采用超聲波法進(jìn)行質(zhì)量測試,測試結(jié)果表明:沙尾左江特大橋在2 d、7 d、14 d、28 d 4個齡期下的鋼管混凝土均判定為密實(shí)性良好。超聲波法聲學(xué)參數(shù)結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,在鋼管混凝土質(zhì)量判定中運(yùn)用是可行的。

(4)沙尾左江特大橋鋼管混凝土結(jié)構(gòu)建成并投入運(yùn)營后,建議在后期的橋梁運(yùn)營過程中,加強(qiáng)對該橋梁的鋼管混凝土密實(shí)性監(jiān)測和定期檢測,確保該橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟(jì)耐久。