混凝土橋梁檢測中聲波檢測技術的應用
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摘要：以某橋梁工程為例，分析了橋梁結(jié)構病害現(xiàn)狀，對聲波檢測技術在該橋梁混凝土結(jié)構檢測中的應用進行深入探討。檢測結(jié)果表明，聲波檢測技術對橋梁工程整體澆筑質(zhì)量及波紋管注漿缺陷大小、位置定位較為準確，符合工程實際。
關鍵詞：聲波檢測技術；混凝土；橋梁檢測
1工程概況
某120m+210m+120m預應力混凝土連續(xù)剛構橋梁主橋段長550m，梁體為頂寬22.5m、底寬11.5m的單箱單室三向預應力變高箱梁，翼緣板懸臂長5.50m，合龍張拉從中跨至邊跨相繼進行，在1#橋墩張拉施工過程中，其中跨和邊跨均出現(xiàn)混凝土底板崩裂現(xiàn)象，加固修復后，當前又出現(xiàn)底板壁開裂的情況。為充分了解橋梁箱梁合龍段所存在的結(jié)構缺陷以及梁板是否達到設計強度等情況，決定對該橋梁預應力混凝土結(jié)構進行聲波無損檢測。
2聲波檢測技術
混凝土結(jié)構中聲波傳播速度與其力學強度之間存在定量關系，且聲波波速受彈性模量的影響，反映混凝土結(jié)構強度[1]，聲波橫波波速和縱波波速按以下公式計算：式（1）~式（2）中：Vp為縱波波速（km/s）；Vs為橫波波速（km/s）；E為彈性模量（MPa）；σ為泊松比；ρ為混凝土密度（g/cm³）；μ為剪切模量（MPa）。其中，彈性模量、剪切模量和泊松比是表征介質(zhì)力學性質(zhì)的重要參數(shù)，考慮到混凝土屬于脆性材料，泊松比取0.18，混凝土密度取2.6g/cm³。對于具體工程而言，其標準試塊抗壓強度與波速正相關，試驗測試數(shù)據(jù)證明了兩者之間存在冪指數(shù)關系[2]，即：式（3）中：Rb為混凝土抗壓強度（MPa）；α、b為回歸參數(shù)；Vp為縱波波速（km/s）。不同施工區(qū)域因混凝土骨料成分的不同，其抗壓強度回歸參數(shù)也存在一定差別，參數(shù)α和b的取值范圍分別在0.25~0.40和3.0~3.5之間。混凝土力學性能指標試驗測試結(jié)果（見表1）表明，工程所在區(qū)域混凝土抗壓強度和聲波波速之間存在以下回歸關系：根據(jù)表1試驗結(jié)果，預應力混凝土箱梁標號在C30~C80區(qū)間時，抗壓強度為16.7~50.2MPa，聲波縱波波速在3.7~4.8km/s范圍，試驗數(shù)據(jù)是進行混凝土強度評價的參考值。混凝土標號在C15~C25區(qū)間時聲波波速＜3.5km/s，則認為存在混凝土結(jié)構缺陷[3]。
3.1聲波檢測結(jié)果
3.1.1橋梁頂板檢測結(jié)果本橋梁工程頂板聲波檢測面積為1310m2，頂板聲波波速均值為4.69km/s，混凝土整體強度在C45以上，頂梁板中間主體結(jié)構的聲波波速與混凝土強度較高，波速在4.81km/s以上，且分布均勻、連續(xù)，可達C60強度水平。但頂板兩翼部位聲波波速略低，尤其是頂板右翼存在一條2~3m寬的低波速帶，聲波波速2.3~4.1km/s，考慮到頂板兩翼并非橋梁主要受力部位，對橋梁整體結(jié)構穩(wěn)定性并無較大影響。
3.1.2橋梁底板檢測結(jié)果橋梁工程底板聲波檢測面積為540m2，聲波波速均值為4.10km/s，混凝土整體強度在C40~C45設計值范圍，與頂板不同的是，底板波速和強度分布非常不均勻，中間波速均在4.10km/s以上，但四周波速低于3.1km/s的區(qū)域在檢測面積中占50%左右。底板兩翼與腹板連接，與橋梁梁體結(jié)構強度關系重大。在底板右翼緣和右側(cè)腹板連接的部位存在1條寬2~3m的低波速區(qū)域（波速均值≤2.0km/s），左側(cè)翼緣連接處也存在1條寬1.0~1.5m的低波速區(qū)域（波速均值≤3.0km/s），橋梁底板的主要裂縫就出現(xiàn)在上述兩個低波速區(qū)域，而且本橋梁工程箱梁底板結(jié)構強度最低。
3.1.3左腹板聲波檢測結(jié)果橋梁左腹板聲波檢測面積為324m2，聲波波速均值為4.5km/s，強度在C50以上，波速均勻，反映出左腹板具有較好的施工質(zhì)量。在左腹板下部存在局部性高低速異常區(qū)域，分別位于小里程側(cè)和大里程側(cè)，異常幅度并不大，對橋梁腹板結(jié)構穩(wěn)定性并無較大影響。
3.1.4右腹板檢測結(jié)果橋梁右腹板聲波檢測面積324m2，與左腹板檢測面積相同，右側(cè)腹板聲波波速均值4.70km/s，波速與梁板強度均高出左腹板，強度達C60設計值，聲波波速分布均勻，施工質(zhì)量控制良好。右腹板上部聲波波速比下部略低，且上部存在1條寬1m的局部性低速異常區(qū)域，波速均值4.1km/s，右腹板下部波速普遍較高，均在4.6km/s以上?？傊?，橋梁右腹板波速較為均勻，低速異常區(qū)域面積不大，對腹板結(jié)構并無實質(zhì)性影響，腹板結(jié)構強度高，發(fā)揮著提升橋梁結(jié)構承載力的作用。
3.2預應力箱梁聲波檢測結(jié)論
通過以上對橋梁頂板、底板、左右腹板聲波檢測結(jié)果的分析表明，箱梁頂板和左、右腹板混凝土結(jié)構存在較高的聲波波速，分別為4.73km/s、4.41km/s、4.62km/s，且混凝土強度均達到C50~C70設計值，混凝土結(jié)構有較好的質(zhì)量和連續(xù)性，不存在貫通性低速結(jié)構缺陷。而箱梁底板聲波波速均值較低，約4.07km/s，僅相當于表1中C30~C40強度水平，波速分布不均勻，且在底板和腹板結(jié)合處存在大規(guī)模條帶性聲波傳輸速度較低區(qū)域，最低速度僅為3.1km/s，質(zhì)量缺陷十分明顯，且對橋梁結(jié)構承載力存在不利影響。這些條帶性低速區(qū)域內(nèi)裂縫發(fā)育，必須引起施工方足夠的重視。為進一步分析本橋梁混凝土結(jié)構質(zhì)量缺陷，進行不同強度的聲波檢測試驗板的澆筑，澆筑尺寸均為10m×1.5m×0.35m，內(nèi)部鋼筋均采用直徑8mm和20mm。聲波檢測試驗板設計情況詳見圖1~圖3。通過進行上述三片混凝土試驗板聲波檢測，并將檢測結(jié)果和設計缺陷進行對比，從而對本橋梁工程聲波檢測技術準確性進行評價。本橋梁工程聲波檢測不同強度試驗板設計如圖2所示，不同強度試驗板CT剖面波速圖表明，聲波在未振和過振區(qū)域傳輸速度較低，且均在4.1km/s以下，輕振區(qū)域聲波波速稍高，在4.1km/s以上。且標號C50的混凝土結(jié)構中聲波波速最高，達到5.2km/s，C40混凝土波速居中，在4.4~5.2km/s之間，C30強度的混凝土結(jié)構中波速最低，在3.5~4.4km/s之間，這與表1混凝土力學性能指標試驗測試結(jié)果相符。本橋梁工程聲波檢測缺陷試驗板設計如圖3所示，缺陷試驗板CT剖面波速分布結(jié)果顯示的3個較大的低速區(qū)域與設計梁20cm×20cm泡沫板、30cm×30cm泡沫板和60cm×10cm×5cm木板3個缺陷區(qū)域具有對應關系。試驗所布置的檢波器、激發(fā)點間距25cm，并采用0.25m×0.25m計算網(wǎng)格，由于分辨率過大，難以分辨出10cm×10cm泡沫板中的異常體；對于長65cm、直徑15cm的空心波紋管，由于橫截面較小，高速聲波檢測射線幾乎全部繞過外側(cè)壁傳播，也未能分辨出空心波紋管中的異常體；對于結(jié)構中體積小的磚塊，聲波波速比低標號混凝土高，雖然檢測結(jié)果圖中顏色較深，似乎表現(xiàn)為高速，但并不能確定是否是由磚塊本身引起[4]。上述聲波CT檢測試驗結(jié)果均與橋梁工程實際相符，且聲波波速分布圖能更加清晰、準確地反映出橋梁結(jié)構本身澆筑的均勻性、混凝土強度及缺陷等情況。對三片混凝土結(jié)構強度試驗板所進行的聲波散射時程記錄進行分析，上部是二維瞬態(tài)譜，下部是散射能量，且二維瞬態(tài)譜橫軸表示距離（波速傳播時間），縱軸表示頻率。聲波散射時程記錄結(jié)果反映出不同傳播時間所對應的不同頻率能量分布，進而通過能量的強弱反映混凝土試件強度缺陷脫空的嚴重程度。橫軸（也就是波速散射時間軸）表示散射能量所出現(xiàn)的空間位置，混凝土結(jié)構試件散射波高頻能量主要由小面積缺陷造成[5]。試驗結(jié)果表明，引起混凝土試件1~2m范圍內(nèi)強散射能量的原因主要為敲擊影響及端頭附近空區(qū)，表明波紋管3.0~3.4m、4.2~4.9m、7.0~7.4m、10.5~11.2m處存在缺陷，缺陷長度共計2.2m。
4結(jié)語
根據(jù)本橋梁工程混凝土梁板質(zhì)量聲波檢測及波紋管注漿檢測結(jié)果可以看出，聲波檢測技術對橋梁工程整體澆筑質(zhì)量及波紋管注漿缺陷大小、位置定位較為準確，符合工程實際。聲波無損檢測技術在橋梁混凝土結(jié)構病害檢測領域具有廣泛的應用前景。目前，包括聲發(fā)射技術、機敏混凝土檢測、電化學測試、振動測試等在內(nèi)的無損檢測技術已經(jīng)在國內(nèi)橋梁結(jié)構無損檢測方面有所應用，實踐證明，只有將無損檢測技術與外觀檢測、動靜載試驗等結(jié)合應用，才能對橋梁混凝土結(jié)構病害狀況進行全面準確評價。
參考文獻：
[1]陸益軍，方俊，王曉妮.基于超聲波檢測技術和聲波散射衰減方法的混凝土內(nèi)部缺陷研究[J].工程技術研究，2020，5（2）：29-33.
[2]李杰.超聲波在橋梁裂縫檢測中的應用[J].交通世界，2019（17）：107-108.
[3]全國無損檢測標準化技術委員會.無損檢測超聲檢測1號校準試塊：GB/T19799.1—2015[S].北京：中國標準出版社，2015.
[4]商弢.無損檢測技術在公路橋梁中的應用[J].交通世界，2020（10）：76-77.
[5]字平.道路橋梁無損檢測技術的應用[J].建筑技術開發(fā)，2019，46（9）：144-145.
作者：彭漢彬 黃坤 單位：江西省公路工程檢測中心
