钢管混凝土超声波检测

1、钢管混凝土超声波检测摘要钢管混凝土的超声波检测是检测钢管混凝土的密实程度和均匀性。本文论述了钢管混凝土超声波检测的基本原理、前提条件、测点布置及信号采集、信号分类及分析。关键词钢管混凝土 超声波检测 同一测距声时幅值频率一、前言随着我国高速公路建设的迅猛发展，公路桥梁的形式也从单一化走向多样化，使我国的高速公路更加多彩多姿，钢管混凝土拱桥便是其中的一种形式。钢管混凝土拱桥改变了以往柱托梁、梁托板的形式，它那巨大的横梁和桥面板是由锚固在钢管拱上的高强度吊杆将其吊起，悬浮在空中。从这种桥梁的结构上可以看出，钢管拱的顶面将受到巨大的压力， 如图1所示。如果钢管拱钢管混凝土桥板钢管混凝土换受压示意图没

2、有足够的抗压能力，将造成拱断、桥塌、人亡的严重后果。为了提高钢管拱的抗压能力， 把高强度的混凝土用高压泵送到钢管中，并使其充满整个钢管，以提高钢管拱的强度，所以钢管混凝土的质量直接影响着钢管拱的抗压能力。如某高速公路K20+ 554.7K20+698.3互通跨线钢管拱桥的钢管混凝土拱经超声波检测，发现该桥A、B两拱钢管内混凝土的密实程度及均匀性很差以及混凝土与钢管内壁接触不良造成钢管顶部严重脱空。经开孔取芯及抗压试验，有50%的碎芯抗压强度满足不了C40的抗压强度设计值，最大脱空70mm。最终判定A、B两钢管混凝土拱不合格。所以钢管拱桥的钢管混凝土拱在使用前要经过超声波的全 面检测，以保证钢管

3、混凝土拱必须满足使用要求。由于钢管混凝土超声波检测开展的时间比较短，还不太被人们所了解， 笔者通过对某高速公路 K20 + 554.7K20+698.3互通跨线钢管 拱桥的5000多对钢管混凝土物理点的检测，对钢管混凝土超声波检测有了一些粗浅的认识，现就自己的检测实践和学习研究的体会对钢管混凝土超声波检测的基本原理，前提条件，测点布置及信号采集、信号分类及分析做以下粗浅论述。二、钢管混凝土超声波检测的基本原理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产生高频振动，经钢管圆心传向钢管外径另一端的接收能器。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

4、量就会在缺陷处被衰减，造成超声波到达接收换能器的声时、幅值、频率的相对变化。超声波检测钢管混凝土就是根据超声波的声时、幅值、频率的相对 变化，对钢管混凝土的质量进行分析判断。三、钢管混凝土超声波检测的前提条件图21.超声波穿过钢管混凝土到达接收换能器的时间 必须小于超声波通过钢管壁到达接收换能器的时间。只 有这样，到达接收换能器的首波才能反映钢管混凝土的 质量。如图2所示，图中ti是超声波经圆心穿过钢管混 凝土到达接收换能器的时间，t2是超声波通过钢管壁到达接收换能器的时间。经对相同规格的空钢管和充满混 凝土的钢管的超声波测试，发现超声波经圆心穿过钢管 混凝土到达换能器的时间 ti小于通过空钢

5、管壁到达接收 换能器白时间t2 （见图3）,且满足下列公式：ti=D/Cpt2=1.57D/0.4Cp芹小手号1Ag.E 时异 _ 跳三一3£, 吉1A A n rvr-j.月与蝌管内充*程夏士时一国户被翌笆管心学过粗管泡覆土养达我改换馨n的时间段波花式中的Cp是混凝土的纵波速度，式中的 Cp是钢的纵波速度，式、中的 D是钢管 外径。如果设混凝土的纵波速度为 4450m/s,钢的纵波速度为 5850m/s,由ti = 220DwS, t2= 670D 科 s。当锅管为空甘时,超产液量过用管壁到这接也捷能叁的时间录波形图32.钢管混凝土超声波检测必须是在相同条件相对比较下进行。只有这样

6、，才能根据声时、 幅值及频率的相对变化来分析判断钢管混凝土的质量，否则，接收到的声时、幅值及频率变化信号没有可比性，无法对钢管混凝土的质量进行分析判断。所以在超声波检测钢管混凝土时，必须做到使用同一台仪器，使用同一对收发换能器，采用钢管外径为同一测距，发射同一电压，选择相同测试参数，保证换能器耦合一致。四、检测点布设及信号采集检测点布设是否合理与检测质量紧密相关，只有检测点布设合理才能对钢管混凝土的质量进行全面评价。布设钢管混凝土测点时， 首先要布设合理的检测截面，然后在每个检测截面上布设合理的检测点。超声波检测混凝土缺陷技术规程CECS21: 90的规定，检测混凝土均匀性时，测点间距为0.2

7、0.5米。总之，检测截面和检测点的布设应使最终检测结果能全 面反映钢管混凝土的质量。要全面真实地反映钢管混凝土的质量，不但测点要布设合理而且采集的信号还要有效。只有采集到有效信号才能对检测点处的钢管混凝土的质量进行有效分析和判断，否则分析判断的结果不能反映测点钢管混凝土的真实质量。所以，在采集信号时必须要保证测距一致，选择测试参数一致，换能器耦合性一致，排除干扰造成的异常信号，采集稳定的有效信号。五、检测信号分类及分析钢管混凝土的质量有好有坏，接收换能器接收到的信号也就随之而变，而常遇到的信号可以大致分为以下几类：1 .声时短、幅值大、频率高这种情况表明超声波穿过的钢管混凝土密实均匀，没有缺陷

8、。2 .声时长、幅值小、频率低这种情况表明钢管混凝土中存在着缺陷，而且缺陷的位置是在有效接收声场的中心轴线上即收发换能器的连线。由于缺陷是在有效接收声场中心轴线上，使得超声波产生绕射改变了传播路径，其能量也在缺陷受到了散射衰减和进一步的吸收衰减，导致超声波到达接收换能的时间变长，幅值变小频率降低。而钢管混凝土的缺陷可分为两大类，一是混凝土自身的缺陷(如离析、蜂窝、裂隙、泥砂夹层、夹泥等)，二是钢管内混凝土与钢管内壁接触不紧密而造成的脱空缺陷。以上二者都可以使超声波到达接收换能器的时间变长、幅值变小、频率降低，但后者的混凝土自身未必有缺陷。有时声时变长、幅值变小、 频率降低是混凝土自身缺陷与脱空

9、缺 陷共同造成的。要具体分析使声时变 长、幅值变小、频率降低是由哪类缺 陷造成的，还应结合敲击、取芯等方 法加以判别。图4、图5中的钢管外 径为750mm,钢管内的混凝土强度 设计值为C40O从图4中可以看出超 声波穿过无缺陷的钢管混凝土的波形 与穿过有缺陷的钢管混凝土的波形相 比在声时、幅值、频率上有很大的变 化。图4中的1表示混凝土自身缺陷， 2表示脱空缺陷，S表示发射换能器， R表示接收换能器。3 .声时短、幅值小、频率低(1)钢管混凝土中的缺陷不在有效接收声场的中心轴线上，而是在有效接收声场覆盖的空 间内，以致声线仍然通过有效接收声场的中心轴线，声时不会改变，然而有效声场空间里的缺陷使得声能受到衰减，导致幅值变小频率下降，如图 5所示。域陷有效接收离场运圉内但不在声场中心轴线的波形(2)钢管混凝土中的缺陷虽然在有铲接收声场的中心轴线上，但是缺陷足够小。在这种情况下虽然声能受到衰减使得幅值变小频率降低，但是超声波在缺陷处产生绕射后路径改变不明显，以致声时变化很小。（ 3）钢管混凝土本身并没有缺陷，但是由于换能器与钢管外壁耦合不良，也会造成幅值变小、 频率下降而声时变化很小的现象。这种现象