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文 |李大嘴说
编辑 |李大嘴说
前言
钢管混凝土拱桥是以钢管混凝土为主要材料的拱式桥梁，得益于其优良的力学性能、施工性能以及经济性优势，已在全国得到广泛应用，且跨径逐渐向超大跨径。
然而，由于施工灌注质量、温度和管内混凝土收缩等问题影响，导致钢管混凝土易产生脱粘、脱空等管内混凝土不密实现象印。因此，准确、全面地分析钢管混凝土的密实性状态，对于钢管混凝土灌注工艺提升、配合比优化等降本增效战略布局具有重要意义。
数据来源
1.现场检测数据
钢管混凝土拱桥在灌注施工过程中，由于受材料及灌注工艺等因素影响，往往会出现脱粘、脱空等管内混凝土不密实现象，直接影响桥梁的结构承载力和安全性，存在不可忽视的安全隐患。
鉴于此，为保障桥梁施工安全，利用超声波法对灌注后的钢管混凝土结构进行密实性评估。以多座钢管混凝土拱桥为背景工程，利用RSM-SY8非金属超声检测仪对管内混凝土密实性进行检测。
分析表明，超声波在钢管混凝土结构的传播路径分别为发射、直线穿过钢管壁、直线穿过混凝土、直线穿过钢管壁和接收。
因此，为保证超声脉冲波沿着发射器和接收器的方向传播，采用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进行检测。
此外，为减小换能器与钢管之间的声阻抗差以及界面反射造成的超声脉冲波能量损失，将黄油作为耦合剂涂抹于换能器和钢管表面之间。
然后基于施工工艺特点以及拱肋节段数量将全桥分成多个测区，每个测区布置6个间隔为20cm的截面。每个截面按“米字形”对称布置4个测点。
2.试验检测数据
为进一步深入研究混凝土抗压强度、检测龄期、钢管直径等特征参数对超声波检测结果的影响，本次试验共制作7个钢管混凝土试件。
钢管混凝土试件均采用常规方法进行分层浇筑振捣，且严格控制整个试件的制备过程。待混凝土浇筑完成后，采用RSM-SY8非金属超声检测仪分别对1，4，7，14，18，22d和28d期的钢管混凝土试件进行超声波检测。
为保证测试结果的准确性，在测试前通过整平测点表面保证换能器和钢管表面具有良好的耦合效应。此外，每个钢管混凝土试件共布置12个截面测区，每个截面按“米字形”布置4个测点。
进一步地，由超声波检测仪的发生器发出超声脉冲，并通过换能器接受超声脉冲信息，得到相应检测龄期的波速、波幅和频率等声学参数检测数据并记录。此外，为获得更丰富平衡的样本数据，通过收集更多外部试验数据补充完善现有数据库。
基于现场检测数据统计分布规律分析
1.K-S检验分析
基于已收集的多座钢管混凝土拱桥超声波检测数据，利用KS检验法（Kolmogorov-Smirnovtest）确定声学参数检测数据服从的样本分布类型。
其中，K-S检验法的基本原理是将预先假定的理论分布函数Fx（x）与样本数据的实际分布函数F（x）相比较，即：
式中，Dn为理论分布函数Fx（x）与实际分布函数F（x）的差值最大值；n为样本数量。
进而根据给定的显著水平α和样本数量n利用K-S检验表查表得到临界值Dna。若满足Dn<Dna时，则接受原假定分布Fx（x）。反之，若Dn>Dna时，则认为检测数据不服从原假定的理论分布Fx（x）。
基于上述方法，首先从检测数据中随机选取10组容量为500的波速、波幅和频率样本数据。
其中，K-S检验的分布类型包括正态分布、对数正态分布、威布尔分布、极值分布、指数分布、瑞利分布、伽马分布、均匀分布7种类型，显著水平α取为0.05，基于给定的显著水平和样本数量查表可知，K-S检验的临界值为0.136。
则声学参数样本数据的K-S检验统计量计算结果如表所示，表中“x””为数据样本不服从假定的分布类型。由此可知，检测数据中的超声波波速、波幅和频率均不拒绝服从正态分布。
2.检测龄期和管内钢结构影响分析
根据K-S检验分析结果，进一步对声学参数（波速、波幅和频率）检测数据的统计分布规律展开相关性分析。
以某钢管混凝土拱桥为例，根据相关施工工艺特点及拱肋节段安装数量，将检测区域S划分为8个测区（简记为#1、#2、#3、#4、#5、#6、#7和#8），检测龄期t分别为1，3，5，7，14，18，22d和28d。
首先分析不同龄期t对超声波波速、波幅和频率统计分布信息的影响。当检测区域S=#1，检测龄期t分别取1，3，5，7，14，18，22d和28d时。
随着检测龄期i增大，声学参数的统计均值逐渐增大，标准差和变异系数逐渐减小，概率密度函数的分布呈现收敛趋势。
其中，波速的统计均值从4.489km/s增加至5.064km/s，标准差从1.97降至0.29；波幅的统计均值从46.48dB增加至61.33dB，标准差从16.68降至4.21。
频率的统计均值从47.21kHz增加至50.46kHz，标准差从19.72降至5.38，从而说明检测龄期t对声学参数的统计分布规律具有一定影响。
当检测龄期=28d、检测区域S分别取#1、#2、#3、#4、#5、#6、#7和#8共计8个测区时。
当检测区域S为#1和#8时波速的统计均值分别为4.712km/s和4.731km/s标准差分别为0.19和0.18；波幅的统计均值分别为74.38dB和71.09dB，标准差分别为3.78和3.55；频率的统计均值分别为61.54kHz和63.27kHz，标准差分别为3.60和3.45。
而当检测区域S为#2~#7时，波速的统计均值均大于4.903km/s：标准差均大于0.31；波幅的统计均值均小于62.87dB，标准差均大于5.61；频率的统计均值均小于52.35dB，标准差均大于6.81。
说明当检测区域S位于#2~#7时，与检测区域S为#1和#8相比，波速的统计均值较大，而波幅和频率均较小，且声学参数离散性普遍较大。
经初步研究分析，检测区域#2~#7大都位于拱肋节段拼接处，该区域内部存在加劲板、法兰盘和隔仓板等管内钢结构。
为进一步验证加劲板、法兰盘等管内钢结构对声学参数的影响，选取跨越拱肋节段拼接的#2测区3次检测结果进行分析。
其中，#2测区分为6个截面（分别记为s1、s2、s3、s4、s5和s6），当测点截面为s1和s6时，波速较小，波幅和频率均较大。
当测点截面分别为s2、s3、s4和s5时，与截面s1和s6相比，波速的增幅达到3%~5%，而波幅和频率的折减分别达到12%~18%和15%~20%。
经与设计图纸对比分析发现，s2、s3、s4和s5截面大都位于加劲板、法兰盘等管内钢结构交接处。由此可见，加劲板、法兰盘等管内钢结构的存在对波速具有一定提升作用，而对波幅和频率具有一定折减作用。
综上所述可知，检测龄期和加劲板、法兰盘等管内钢结构对声学参数的统计分布规律影响较为显著。
基于试验数据的相关性分析
1.遴选最优参数组合
由于声学参数的影响因素众多，综合分析较为繁琐且不便于工程应用。为建立具有明确的声学参数与密实特征参数之间的定量关系，基于已收集的试验数据。
首先分析混凝土抗压强度、检测龄期、钢管直径、钢管屈服强度和钢管厚度等特征参数对超声波检测结果的影响权重，对数据作进一步的预处理及相关性分析。
超声波声学参数与混凝土抗压强度、检测龄期呈强正相关且相关性均大于0.68，与钢管直径呈负相关且相关性均大于0.59，而与钢材屈服强度和钢管厚度相关性均较小。
综上所述，可选择混凝土抗压强度、检测龄期和钢管直径作为判别钢管混凝土密实情况下超声波声学参数演化规律的最优特征参数组合。
2.超声波声学参数与特征参数的定量关系分析
基于已收集的外部试验数据以及本文检测试验得到的试验数据，下面分析波速、波幅和频率（图中简记为UPV、UPA和UPF）声学参数与混凝土抗压强度fc、检测龄期t和钢管直径d之间的定量关系。
随着fc增大，超声波声学参数呈现较好的线性增大趋势。其中，波速和波幅预测方程的斜率相对较大，而频率预测方程的斜率相对较小，说明随着混凝土抗压强度增加对波速和波幅的影响较为显著。
随着龄期t增大，超声波声学参数呈现较好的对数增大趋势。其中，当龄期t<12d时，超声波声学参数的增大趋势较为明显，说明在短期检测龄期内，检测龄期i对超声波声学参数的影响较为显著。
随着钢管直径d增大，超声波声学参数呈现较好的对数减小趋势。其中，波幅预测方程的斜率相对较大，波速和频率预测方程的斜率相对较小，说明随着钢管直径d增大，波幅的影响更为明显，而对于波速和频率的影响较小。此外，当钢管直径d>1000mm时，钢管直径对波速的影响较小。
笔者观点
基于现场检测数据和试验数据，结合K-S检验和相关性分析等数理统计方法，揭示了超声波样本数据的统计分布规律，定量分析了超声波声学参数与特征参数之间的相关性，分析结果表明。
（1）超声波声学参数（波速、波幅和频率）样本数据的统计分布规律均服从正态分布，且随着检测龄期增加，统计均值逐渐增大，而统计标准差和变异系数逐渐减小，统计分布规律总体呈现增大且趋于收敛稳定的趋势。
（2）与其他检测区域相比，当检测截面内存在加劲板、法兰盘、隔仓板等管内钢结构时，超声波波速的增幅可达到3%~5%，超声波波幅和频率的折减分别可达到12%~18%和15%~20%，说明超声波检测对管内钢结构的存在较为敏感。
（3）超声波声学参数与混凝土抗压强度、检测龄期和钢管直径之间的相关性较大，且随着混凝土抗压强度增大呈线性增大趋势，随着检测龄期增大呈对数增大趋势，而随着钢管直径增大呈对数减小趋势。
参考文献
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[3]《轴压荷载下钢管钢筋混凝土损伤状态超声检测研究》。
[4]《混凝土内部缺陷精准探测方法研究》。
[5]《基于核磁共振和超声波探伤技术的混凝土耐久性分析》。