1、工程概况
某钢管混凝土拱桥是一个下承式钢架系杆拱桥 ，主跨120 m ，矢高 20 m ，由主拱圈 、拱上风撑 、端横梁 、中横梁 、吊杆 、系杆 及桥面板组成 。 主拱圈通过拱脚预埋件 与拱脚组成一个整体 ，拱轴线为悬链线 ，主拱圈采用等截面钢管混凝土哑铃形截面 ，主跨由相同的两条拱圈组成 ，每条拱圈下连 23根吊杆 ，吊杆下端锚固于横梁底部 ，主拱圈为钢管混凝土结构 ，钢管直径机?1.1 m ，由厚 14 mm材料为 Q 345 D钢板分段卷制焊接而成 ，钢管内部采用 C 50无收缩混凝土填充 ，混凝土与钢管内壁许可脱空量为3mm。 为了了解管内混凝土的泵注质量以及与钢管内壁的胶结质量 ，需要对钢管混凝土相关构件进行非破损检测 。
2 缺陷形成机理
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 ％～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 。 总而言之 ，钢管混凝土缺陷产生的原因较多 ，在实际工程中很难避免产生缺陷，虽然施工中的防止很重要 ，但是 ，施工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 。
3 缺陷检测原理
钢管内部混凝土缺陷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 ，主要声学参数有声时 、波幅 、相位 、频率等 ，当混凝土存在内部缺陷时 ，这些参数会有相应的变化 ， 根据这些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。
1)声时(声速)法。 超声波在钢管混凝土中传播有如下关系式 ：
(1)
其 中 ： Tc为超声波直接透射穿过钢管混凝土的时间 ，Vc为超声波透射穿过钢管混凝土的速 度 ， Ts为超声波沿钢管壁绕射的时间， Vs为超声波沿钢管壁绕射的速度 。从两者 的关系可以看出 ，只要钢管混凝土内部无缺陷 ，钢管壁与混凝土胶结良好 ，当采用超 声波对穿检测时 ，接受信号的首波是沿着钢管混凝 土径向传播的超声纵波 ，绕钢管壁半周 长传播的时间较长 ，起初至波叠加于首波之后 ，因此应用超声波声时 (声速 ) 检测钢管混凝土的内部缺陷是切实可行的。
2 )波形识别法 。 波形系指测试仪上示波屏显示的接收波形 ，
有缺陷的混凝土测试时, 由于声波能量发生变化 ，超声波会发生绕射波和反射波 ，波的传播路径变得比较复杂 ，有直达波 、反射波 、绕射波相继到达接收换能器 ，波的能量有所损失 ，首波幅度有所下降 ，并与原脉冲波叠加 ，使波形发生畸变 ，根据接收波形的畸变
程度可以判断混凝土内部质量和缺陷。
3)首波频率法 。 超声检测中 ，由电脉冲激发出的声脉冲信号是复频超声脉冲波 ，它包含了一系列不同成分的余弦分量 。这种含有各种频率成分的超声波在传播过程中，高频成分首先衰减 。
因此 ，可以将混凝土看成是一种类似高频滤波器的介质 ，超声波越往前传播 ，其所包含的高频分量越少 ，则主频率也慢慢下降 。
正常情况下 ，到达接收换能器的首波频率相对较高 ，而存在缺陷的部位接收到的大都为低频率波 ，见图 1。 图中波形为典型的钢管内部混凝土与钢管壁脱空或空洞缺陷超声脉冲波形 ， 由混凝土传过来的脉冲波很难测读首波 ，或者能够测读 ，但波形畸变大 、衰减大 ，并且首波频率极小 。
4 )钢管壁与管内混凝土胶结脱离的判别法 。 为了定量检测钢管壁与管内混凝土的脱空量 ，可以按下面方法检测 ：测试时 ，根据波形情况确定可疑点 ，然后在可疑点处固定发射换能器 ，移动接收换能器 ，直到波形正常为止 ，此时测量接收换能器移动的距离 ，将此数据与设计允许的数值进行比较 ，设计值按下式计算 ：
（2）
其中：D 为钢管直径，H 为设计要求的钢管壁与管内混凝土的允许脱空量 ，S为设计允许的钢管脱空弦长 ，测试时可用卡尺量得接收换能器移动的距离Sc，若 S c≤ S 时 ，说明脱空缺陷在设计允许的范围之内 ，当Sc > S 时 ，说明实际脱空缺陷超过了设计允许的数值 ，必须做出实施补强，以保证钢管内部混凝土质量。
4 测试方法与分析
测试仪器：泰仕特（北京）检测技术有限公司的非金属超声检测仪TST-NM510（双通道）
首先在现场进行样本检测 ，选取与拱圈混凝土 同期浇筑的标准试块 3 个 ，进 行 12 对 点的声速测试 ，测得超声波平均声速为4635 m ／s，对钢管也布置 12 对测点，测得钢管平均声速为 5655 m ／s，根据关 系式(1) 计 算得出：Ts = 1 .28 Tc。 即Ts > Tc ，据此确定可以采用超声波检测主拱圈内部缺陷。 测试时根据全桥拱圈的具体结构情况布置好86个测区 ，根据拱圈断面结构在每一测区确定沿钢管周向布置 4 对测点 ，用接收换能器和发射换能器实施沿钢管截面轴线对测 ，选用换能器频率小于100 kH z，每对测点间距以 150 m m ～300 rnnl为宜 ，并使每对测点连线穿过钢管混凝土中轴线 。 由波形判断可疑处 ，在可疑测点进行首 波声时 、波形 、首波频率的综合测试评判，以定性或定量地确定钢管混凝土的缺陷。对于钢管内壁与管内混凝土胶结脱离或完全脱空的情况 ，根据关系式(2) 可 以定量地测量其脱空 缺陷的脱空量。 测试时先将发射换能器固定 ，然后移动接收换能器 ，同时观察测试信号是否正常 ，当信号正常时 ，记下接收换能器移动的距离 ，并将此数据与S 进行比较 ，根据该桥梁的设计参数计算出 S = 1 14．8 rnnl，因此只有当测得的 s ≤114 ．8 rnnl时才符合设计要求，否则要采取补强措施。测试结果 显示 ：钢管混凝土内部质量较好 ，没有超出规的缺陷 ，比较明显的是主拱圈部分钢管内壁与管内混凝土有不同程度的胶结不良或完全脱空 ，尤其以拱圈顶处和拱脚处问题较大 ，
在吊杆周围也存在一些间隙较大但面积不大的空隙，这些情况说明脱空缺陷与钢管混凝土构件结构以及施 工艺有关 ，钢管内部混凝土与钢管内壁脱离是钢管混凝土所特有的缺陷，钢管与混凝土是两种性质完全不同的材料 ，两者不可能完全溶合成一体 ，由于混凝土收缩以及施工工艺等原因 ，混凝土也不可能完全理想地充满钢管空腔 ，尤其是主拱圈的顶部容易与混凝土脱离 ，因此必须限度地保证钢管和混凝土的密贴性。 对于脱空缺陷可以根据其大小采用钻孔压浆或压环氧树脂进行补强， 以保证钢管混凝土的内部质量 。
5 结束语
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测试是行之有效的。它可以检测出钢管内部的有关缺陷 ，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时 、波形 、首波频率的综合研判较为理想 ，与一般混凝土缺陷检测类似 ，定量检测的性有待于进一步提高 ，钢管内混凝土的配比以及施工工艺也有待于进一步研究和改进。