基于数理统计理论的超声波法钢管混凝土质量判定研究

王渝清

(广西公路检测有限公司,广西 南宁 530024)

0 引言

我国在1990年建设首座钢管混凝土拱桥后,通过三十余年的发展,已建设钢管混凝土拱桥的总量达到400余座[1],该技术在国内得到了快速的发展和运用[2-3]。国内尤其是广西区内在建钢管混凝土拱桥数量逐年增多,跨径逐年增大。国内建设的相关项目多数采用泵送顶升施工方法,因为常规泵送顶升可能会导致管内出现局部滞留空气,进一步造成脱空、脱粘等问题,这是限制该技术发展的核心因素。钢管混凝土拱桥建造技术经过多年发展,相继发明了管内混凝土真空辅助灌注技术、历程可控复合膨胀技术,以及管内混凝土材料选择、配合比设计、生产、运输、灌注施工及养护全过程的精细化管理技术,并在合江长江一桥、马滩红水河特大桥、平南三桥等工程中成功应用。随着钢管混凝土拱桥建设数量的增加,管内混凝土质量检测得到重视。本文采用超声波法,对沙尾左江特大桥8根拱肋弦杆钢管混凝土灌注混凝土后龄期分别为2 d、7 d、14 d、28 d共4个工况进行试验测试,根据现场实际情况,每根主拱肋布置9个检测区域,每一测区布置6个截面,共布置216个测点,实测有效数据864组,基于数理统计对其测试结果进行评价。结果表明:沙尾左江特大桥在不同龄期下的钢管混凝土均判定为密实性良好,说明超声波法声学参数结合数理统计理论评定混凝土质量是可行的。

1 工程概况

沙尾左江特大桥横跨左江,位于崇左市沙尾村。主桥采取跨径为340 m的中承式提篮拱,桥梁矢跨比为1/4.533,主拱轴线选择悬链线,其中拱轴系数m=1.55。拱肋采取桁架式,在竖直面向内偏斜10°,形成提篮拱。拱铰铰心横桥向中心间距为38 m。本次设计中的单片拱肋选择变高度四管桁式的方案,拱顶截面径向高度为7 m,拱脚截面径向高度为12 m,肋宽为3.2 m。每肋上、下弦都采用φ1 200 mm的弦管,其中壁厚为24～32 mm,管内采用C60自密实补偿收缩混凝土。主拱肋依靠缀管φ720 mm等连接形成矩形截面。主拱弦管采用Q345qC钢材。沙尾左江特大桥全桥主弦管共8根,采用真空辅助“二级接力”的灌注工艺,分8次进行灌注,泵送最高点距江面近100 m。全桥8根主弦管如果衔接到一起,长度可达3 147.792 m,灌注方量共计3 390.2 m3。主桥及拱肋横断面布置详见下页图1、图2。

图1 沙尾左江特大桥主桥平面图(cm)

图2 主桥拱肋横断面布置示意图(cm)

2 数理统计理论

数理统计理论的基本思想是给出置信概率,确定相应的置信范围,并将超出该范围的观测值视为测试对象质量变化导致。在超声波检测中遇到异常值时,需检查被测试混凝土表面是否平整、清洁或存在影响测试结果的其他干扰因素,必要时增加更多测量点或重复测试,以消除外部及人为因素的干扰。通常,正常混凝土的测试结果遵循正态分布,在测试过程中,可以将超过给定置信范围的观测值分类为异常值,且认为该测点的混凝土质量异常。

测试位置各项声学数据的均值以及标准差,则应当依据式(1)、式(2)进行计算[4-5]:

mx=∑Xi/n

(1)

(2)

式中:mx——混凝土声学参数的平均值;

Sx——混凝土声学参数的标准差;

Xi——第i点的声学参数量值;

n——参与统计的测点数。

异常数据可依据下述方法进行判断:对于各类测点的波幅、声速或者是主频值,从大到小,依据顺序开展排列,即X1≥X2≥…≥Xn≥Xn+1…,将位于后部显著偏小的数据看作是可疑,再度将相关可疑数据中最大的一个(设定Xn),与前方数据以及式(1)、式(2)计算获得对应的mx与Sx值,代入式(3)即可计算获得异常状况判断值(X0):

X0=mx-λ1·Sx

(3)

式中:X0——声学参数异常情况的判断值;

mx——混凝土声学参数的平均值;

Sx——混凝土声学参数的标准差;

λ1——统计数参数,按表1取值。

表1 统计数的个数n与对应的λ1值表

对判断值X0和可疑数据的最大值Xn展开对比,在Xn≤X0的情况下,Xn和后部的各类数据都是异常参数,同理,应用X1～Xn-1开展具体的计算以及判别,直至识别不到异常值即可停止;而在Xn>X0的情况下,应当将Xn+1放入其中再度开展计算与判别。见表1。

3 工程实践与数理分析

3.1 测点布置与试验

对沙尾左江特大桥8根拱肋弦杆钢管混凝土灌注混凝土后龄期分别为2 d、7 d、14 d、28 d共4个工况进行混凝土超声波测试。根据现场实际情况,每根主拱肋布置8个测试区域,每一测区布置6个截面(间距15 cm),每一截面布置4个测点(米字型对称布置),共布置192个测点,采集数据共768组,见图3。

图3 单个测区测点分布示意图(cm)

3.2 超声波测试结果

超声波测试的基础理论,即在钢管外径的一侧,运用相应的发射换能器传递振动,通过圆心将超声波传导至另外一侧的接收器。超声波在实际传播环节中,会因为遭遇各类界面缺陷影响,进而转变实际的传播方向与路径,能量在缺陷位置产生衰减,进而使得超声波抵达的声时、声幅与频率等基本数据出现一定的变动。依据传播环节中各类数据的变动,进而对混凝土质量作出相应的判断。

依靠深入调查有关资料与成果,运用超声波开展测试有良好的可行性。超声波沿钢管壁传播路径是发射→直线穿过钢管壁→直线穿过混凝土→直线穿过钢管壁→接收。缺陷传播会造成传播时间有所增长,波幅衰减有一定程度的增长以及波的相位产生转变。不同数据对于不同的缺陷会产生多种敏感性。声时对缺陷有着很高的敏感性,若是其实际的状态为灌注密实,测定得出的声速会相对较大,而若是其中有缺陷则会偏小。声速对于混凝土不同缺陷的敏感程度从大到小排序为:脱层、空洞、麻面,因此可以选择超声波测试中的首波声时法对脱空缺陷进行定量分析。由于篇幅所限,此处仅给出1#主拱肋声速曲线图,如图4所示。

图4 1#主拱肋1#～4#测点不同龄期声速曲线图

3.3 超声波测试结果数理分析

拱肋实管为拱肋钢管灌注混凝土完成后的实心状态,通过计算分析得出各拱肋实管测点钢管混凝土的波速值。由于篇幅所限,此处仅给出1#主拱肋1#测区7 d龄期声速结果表(后页表2)。钢管混凝土的灌注质量综合评判标准按后页表3进行评判。

表2 1#主拱肋1#测区7 d龄期声速测试结果表

表3 超声测试钢管混凝土密实性结果判定表

沙尾左江特大桥钢管混凝土采用超声波法进行质量测试,全桥测试的有效数据数量为864组。测试结果表明:1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#钢管不同龄期的超声波测试声速值均大于判断值X0,沙尾左江特大桥在2 d、7 d、14 d、28 d 4个龄期下的钢管混凝土密实性均判定为良好,钢管混凝土密实性均满足正常使用和设计要求。

4 结语

(1)沙尾左江特大桥钢管混凝土测试结果表明,首波声时法可对钢管混凝土缺陷进行有效测试,测试数据能够判别缺陷的范围及其严重程度。

(2)采用超声波检测法,通过测试点的合理布置,采用数理统计分析方法,可以快速和较准确地检测钢管混凝土质量。

(3)沙尾左江特大桥钢管混凝土采用超声波法进行质量测试,测试结果表明:沙尾左江特大桥在2 d、7 d、14 d、28 d 4个龄期下的钢管混凝土均判定为密实性良好。超声波法声学参数结合数理统计学分析,在钢管混凝土质量判定中运用是可行的。

(4)沙尾左江特大桥钢管混凝土结构建成并投入运营后,建议在后期的桥梁运营过程中,加强对该桥梁的钢管混凝土密实性监测和定期检测,确保该桥梁结构安全可靠、经济耐久。