淺談聲波CT無損檢測技術(shù)在橋梁檢測中的應(yīng)用

吳洪波

(河北承德承朝高速公路管理處)

1 前言

隨著橋梁建設(shè)的飛速發(fā)展，橋梁病害也在不斷發(fā)現(xiàn)，但為了確保道橋的安全運營，橋梁的質(zhì)量缺陷檢測顯得十分重要，特別是自動化技術(shù)與計算機普及應(yīng)用，測試與檢測技術(shù)得到長足的進步，最有代表性的就是橋梁的健康無損檢測技術(shù)。

目前，最為先進的無損檢測大致分以下幾項：(1)光纖傳感技術(shù)在橋梁檢測中的應(yīng)用;(2)聲波檢測，其中包含超聲波檢測和聲波CT;(3)地質(zhì)雷達檢測，此屬于電磁波。將就聲波CT檢測技術(shù)的應(yīng)用進行詳述。

2 聲波CT檢測應(yīng)用

2.1 工程概況

大橋主橋全長454 m，為122 m+210 m+122 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，梁體采用單箱單室三向預(yù)應(yīng)力變高度箱梁。箱頂寬22.5 m，底板寬11.0 m，兩側(cè)翼緣板懸臂長5.75 m，混凝土標(biāo)號為C50。中跨先合攏張拉，兩個邊跨相繼合攏，2#墩邊跨合攏段預(yù)應(yīng)力束于接著張拉，最后1#墩邊跨合攏張拉。1#墩張拉過程中發(fā)現(xiàn)中跨、兩邊跨均發(fā)生底板混凝土崩裂現(xiàn)象。經(jīng)加固修復(fù)，目前又發(fā)生底板閉半開裂。針對此，業(yè)主決定對該橋進行聲波CT無損檢測，想了解箱梁合攏段是否存在結(jié)構(gòu)缺陷，梁板的強度是否達到了設(shè)計強度。

2.2 聲波CT的工作原理

經(jīng)研究表明：混凝土聲波速度與力學(xué)強度存在定量關(guān)系，波速與混凝土的彈性模量有密切關(guān)系，它是反映了混凝土強度的定量指標(biāo)。縱波速度Vp和橫波速度Vs與彈性模量、泊松比和密度有如下關(guān)系

式中：E為彈性模量，μ為剪切模量，σ為泊松比，這三個參數(shù)是表征介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的最重要參量。對于不同材料，泊松比σ不盡相同，一般變化在0～0.5之間，混凝土是脆性材料，泊松比較小，σ≈0.17，α≈1.2，混凝土縱波速度與彈性模量得關(guān)系為

式中混凝土的密度ρ≈2.6 g/cm3。以上表明，縱波速度是混凝土力學(xué)強度的定量描述指標(biāo)。工程中常用標(biāo)準試塊的抗壓強度，波速與抗壓強度之間存在正相關(guān)關(guān)系。實驗測試數(shù)據(jù)表明的回歸關(guān)系是冪指數(shù)關(guān)系，具體如下

式中：Rb為混凝土的抗壓強度，MPa，Vp為縱波速度，km/s，a，b為回歸參數(shù)。不同地區(qū)的混凝土因骨料成分不同，抗壓強度的回歸參數(shù)也略有差異，典型取值范圍為

根據(jù)水利電力系統(tǒng)等的大量實驗測試，西南地區(qū)混凝土抗壓強度與波速的回歸關(guān)系為

表1 混凝土強度及力學(xué)指標(biāo)與實驗資料

由表1可知，當(dāng)箱梁混凝土標(biāo)號為C50～C55時，抗壓強度為32.4 ～35.5 MPa，縱波速度值應(yīng)該在 4.3 ～4.4 km/s，C40的抗壓強度27 MPa左右，波速4.1 km/s左右，這些數(shù)值可以作為混凝土強度評價的參考值。區(qū)域性波速低于3.5 km/s時，可認為存在質(zhì)量缺陷。

2.3 聲波CT應(yīng)用

(1)聲波CT檢測結(jié)果。

橋梁頂板聲波CT檢測結(jié)果。

橋梁頂板聲波CT檢測面積近1 225 m2，頂板平均波速4.72 km/s，整體強度C50以上。梁板中間主體結(jié)構(gòu)部分波速和強度都較高，波速4.8 km/s以上，分布均勻，連續(xù)性好，強度較高，達到了C60左右。頂板兩翼緊急停車帶部位波速略微偏低，特別是梁板右翼有一條寬2～3 m的低波速帶，波速范圍在2～4 km/s。因兩翼低速帶不在主要受力部位，對橋梁影響不大。

橋梁底板聲波CT檢測結(jié)果。

底板聲波CT檢測面積近500 m2，平均波速4.08 km/s，強度相當(dāng)于C40～C45之間。底板的波速與強度分布很不均與，中間的波速較高，多大于4.1 km/s，四周的波速較低，波速低于3.0 km/s的區(qū)域占檢測區(qū)面積的占1/2左右。底板左右兩翼是與腹板相連接的部位，速度和強度偏低，對梁體結(jié)構(gòu)強度影響較大。在底板左翼邊緣與左腹板相結(jié)合的部位，有2～3 m寬的平均波速小于2.0 km/s的低速區(qū)，右側(cè)邊緣有1～1.5 m寬的波速低于3.0 km/s的低速區(qū)，橋梁底板上的3條主要裂縫就發(fā)生在這兩個低速區(qū)內(nèi)。底板是箱梁各板中強度最低的部分。

左腹板聲波CT檢測結(jié)果。

左腹板聲波CT檢測面積約300 m2，腹板的平均波速4.40 km/s，強度較高，在 C50以上，波速分布基本均勻，說明施工質(zhì)量一致性控制較好。在腹板的下半部有局部的低速和高速異常區(qū)，低速異常區(qū)分布在大里程一側(cè)，高速異常分布在小里程一側(cè)。低波速的幅值在3～4 km/s左右，異常幅度不大，范圍不廣，影響不大。

右腹板聲波CT檢測結(jié)果。

右腹板的檢測面積與左腹板相同，300 m2左右。右腹板的平均波速4.61 km/s，比左腹板略高，梁板強度較高，平均可達到C60水平。速度分布基本均與，施工質(zhì)量控制較好。腹板上半部波速低于下半部，上部有一上下1 m寬的，橫向局部低速異常區(qū)，波速在4.0 km/s左右。下半部2 m高的范圍內(nèi)，波速普遍偏高，高于4.6 km/s。總的評價是波速差異不大，低速異常范圍不大，均于性較好。該腹板強度較高，質(zhì)量均勻，對提高粱體結(jié)構(gòu)承載力有重要作用。

(2)箱梁聲波CT檢測的主要結(jié)論。

綜上所述，箱梁4個面的聲波CT檢測結(jié)果可歸納為以下幾點。

(1)箱梁頂板、左右腹板的混凝土波速值較高，分別為4.72 km/s、4.40 km/s 和 4.61 km/s，混凝土強度都達到了C50的設(shè)計值，質(zhì)量均勻，連續(xù)性好，不存在連通性低速結(jié)構(gòu)缺陷。

(2)箱梁底板的平均波速較低，約為4.08 km/s，相當(dāng)于C40～C45，平均強度低于設(shè)計值。波速分布不均表明混凝土施工質(zhì)量控制不嚴。底板、兩翼與腹板的結(jié)合部位存在較大范圍的條帶型低速帶，最低波速低于3.0 km/s，實為質(zhì)量缺陷，對梁體結(jié)構(gòu)承載力有一定影響。箱梁合攏段底板底面兩側(cè)的裂縫發(fā)育在這些低速區(qū)內(nèi)，而且裂縫還在發(fā)展，應(yīng)引起足夠重視。

3 結(jié)束語

隨著我國橋梁數(shù)量劇增，橋梁病害現(xiàn)象也隨之增加，健康診斷的客觀需求與日俱增，現(xiàn)有的檢測手段有限，能力和種類上都不能滿足橋梁檢測的需要，檢測技術(shù)需要發(fā)展與創(chuàng)新。目前，較為成熟的無損檢測技術(shù)聲發(fā)射技術(shù)、機敏混凝土檢測、電化學(xué)測試法以及振動測試法等。

無損檢測技術(shù)要與外觀檢測結(jié)果、動靜載試驗相結(jié)合，綜合分析，才能對橋梁的健康狀況作出客觀評價。

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［1］張俊平.橋梁檢測［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［2］張國良.淺談無損檢測技術(shù)在道橋工程中的應(yīng)用［J］.value engineering.

［3］李名進.橋梁無損檢測應(yīng)用述評［M］.廣東：人民珠江出版社，2007.