基于超聲波法的T梁厚度檢測方法研究

謝盛明，汪繼文，詹小麗，姜 維，邵 華

(1.舟山市交通質(zhì)量監(jiān)督局，舟山 316000;2.金華市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站，金華 321000;3.浙江工業(yè)大學(xué)，杭州 310014)

引言

公路交通是連接人類社會(huì)的交通生命線，公路橋梁作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的咽喉工程，在公路交通運(yùn)輸中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。由于上部荷載和周圍環(huán)境的長時(shí)間作用，將導(dǎo)致橋梁使用性能衰退、結(jié)構(gòu)安全和耐久性降低，甚至出現(xiàn)橋毀人亡事故。以橋梁上部主要承重構(gòu)件——梁板為例，其客觀也存在“生、老、病、死”的生存周期，因此對其實(shí)施及時(shí)有效的養(yǎng)護(hù)維修與管理，是保證橋梁健康、安全服役的關(guān)鍵。而采用科學(xué)的技術(shù)手段和方法對其進(jìn)行有效的檢測，是后期養(yǎng)護(hù)維修和管理的前提和基礎(chǔ)。[1]

在現(xiàn)澆橋梁施工過程中，梁板的澆筑厚度非常重要，直接關(guān)系到橋梁上部結(jié)構(gòu)的實(shí)體質(zhì)量。在以往的施工過程中梁板的厚度控制是通過周邊的模板或鋼筋上標(biāo)示的控制點(diǎn)進(jìn)行混凝土的厚度控制。由于利用模板做控制點(diǎn)相對距離較遠(yuǎn)，利用鋼筋做控制點(diǎn)，在澆筑過程中鋼架網(wǎng)高度易受施工影響而下沉，在施工中無法實(shí)現(xiàn)對厚度的監(jiān)控和檢測，而梁板厚度達(dá)標(biāo)對于橋梁的正常運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用，如果梁板厚度不足，在頻繁重載交通作用下，存在沖剪和壓潰破壞的可能，甚至可能會(huì)導(dǎo)致橋板斷裂現(xiàn)象。如遼寧盤錦田莊臺(tái)遼河大橋主梁破壞就是一個(gè)典型例子。針對橋梁梁板厚度檢測問題，本研究利用超聲波法對典型橋梁T梁梁板厚度檢測進(jìn)行研究探討，并對其檢測方法及其檢測精度進(jìn)行分析。

1 測試方法介紹——超聲波法

發(fā)達(dá)國家的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明，通常橋梁在建成投入使用的20-30年后，將愈來愈多地面臨耐久性降低和安全性不足的問題。[2]我國自20世紀(jì)80年代起，公路建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展期，建設(shè)了大量各類橋梁，其中混凝土梁板占到90%以上。[3]橋梁梁板是橋梁上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件，一般采用多層鋼筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)，由于鋼筋的存在以及混凝土材料為非均勻多向介質(zhì)，目前還沒有一種較好的辦法對橋梁梁板的厚度進(jìn)行快速有效而準(zhǔn)確的測試。本文針對以上問題，采用超聲波法對預(yù)制的T型梁板腹板和橫隔板進(jìn)行厚度測試。

超聲波法可用于檢測材料的屬性特性(表面波的傳播速度或者材料彈性模量)。[4]無損檢測用的超聲波頻率范圍為0.2-25MHz，最常用的頻段為0.5-10MHz。其中，較高的頻率主要用于檢測各向同性的細(xì)晶材料，檢測靈敏度較高，例如使用10-18MHz的頻率檢測金屬材料和陶瓷材料;較低的頻率主要用于檢測各向異性的材料，其波長較長，不會(huì)因波的散射導(dǎo)致波的信號過弱而無法被傳感器識(shí)別和接受，例如使用1MHz以下的頻率檢測混凝土結(jié)構(gòu)。

超聲波對測法原理:對測法需使用兩個(gè)探頭，置于梁板的兩側(cè)，一個(gè)探頭發(fā)射聲波，一個(gè)探頭接受聲波。發(fā)射電路輸出一個(gè)脈沖很窄的周期性脈沖波(一般近似認(rèn)為半個(gè)正弦周期脈沖)，通過電纜傳送至發(fā)射探頭，激發(fā)探頭上的壓電片產(chǎn)生脈沖超聲波，發(fā)射超聲脈沖波時(shí)刻t1，經(jīng)過n次反射后，在t2時(shí)刻被接收端感應(yīng)到，經(jīng)過壓電片轉(zhuǎn)換，將反射波再變成電信號，經(jīng)放大器放大即可獲得超聲檢測的波形圖。在超聲波傳播速度Vc已測得或已預(yù)估得到的基礎(chǔ)上，通過下式(1)、(2)可得混凝土板厚度h:

超聲波檢測設(shè)備輕便、簡單，對檢測人員無害;超聲波可用于對薄板和超薄板的測試，且測試精度高，可達(dá)到0.1mm級精度(共振法);[5]超聲波一般使用對測法，故而在進(jìn)行構(gòu)件檢測時(shí)需要一對平行的工作面，保證發(fā)射端和接收端位于混凝土構(gòu)件兩側(cè)對應(yīng)位置。測試前，需進(jìn)行畫線定點(diǎn)等一系列輔助操作，檢測過程較為繁瑣;超聲波以壓電轉(zhuǎn)換器為超聲波激發(fā)聲源，需要耦合劑共同參與工作，檢測費(fèi)用較高。

2 現(xiàn)場橋梁檢測過程與結(jié)果

橋梁混凝土構(gòu)件由于橋梁設(shè)計(jì)、施工環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，再加上運(yùn)營期間的橋梁維修保養(yǎng)不及時(shí)，易導(dǎo)致橋梁梁板厚度相比標(biāo)準(zhǔn)厚度偏小的情況。在頻繁重載作用下，易由薄弱部位逐步發(fā)展成嚴(yán)重受損部位，存在沖剪和壓潰破壞的風(fēng)險(xiǎn)。無損檢測是防止這類事故發(fā)生的有效手段。在此，采用超聲波法(對測法)對金華20省道浦江聯(lián)盟至古塘段改建工程3標(biāo)段40m跨預(yù)制T型梁邊梁進(jìn)行了實(shí)地工程檢測。

2.1 檢測儀器、檢測對象簡介

所檢測的預(yù)應(yīng)力T型梁長40m，由于跨度較長，在縱向上采用變截面方式，梁的兩端厚度為600mm，跨中區(qū)域厚度為200mm以及連接跨中和兩端的厚度漸變段組成。測試部位主要包括T梁跨中區(qū)域200mm以及T梁橫隔板，對于T梁上部翼緣，由于高度較高，現(xiàn)場儀器操作不便，因而未在此次檢測范圍內(nèi)。

超聲波檢測儀器采用HC-HD90一體式樓板測厚儀，其是一款專用于檢測混凝土梁板厚度的測試儀器。測試原理主要采用超聲波對測，由發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，檢測儀主機(jī)接受帶有混凝土厚度信息的超聲波信號，經(jīng)內(nèi)部軟件處理后實(shí)時(shí)得到混凝土梁板的厚度。HC-HD90一體式樓板測厚儀主要由檢測儀主機(jī)、發(fā)射探頭、延長桿等部件組成。HC-HD90具體儀器參數(shù)詳見表1。

表1 HC-HD90技術(shù)指標(biāo)

2.2 現(xiàn)場檢測過程與結(jié)果

①檢測T梁腹板跨中區(qū)域

距底端115cm處，使用HC-HD90一體式樓板測厚儀進(jìn)行厚度測試。測試采用對測法，腹板上畫有定位網(wǎng)格，網(wǎng)格橫向有3條測線，即T5-T9，測線間距10cm，每條測線上布置5個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)橫向間距10cm。測試時(shí)，將聲波傳感器發(fā)射端置于腹板一測的測點(diǎn)上，將超聲測厚儀主機(jī)置于構(gòu)件另一側(cè)對應(yīng)點(diǎn)上，兩者對中后，即可得測試數(shù)據(jù)。測試結(jié)果見下表2。

表2 超聲波檢測T梁跨中腹板厚度

②檢測T梁橫隔板

橫板設(shè)計(jì)采用變截面方式:從上往下，靠近頂端翼緣板設(shè)計(jì)值為20cm，靠近橫隔板下部設(shè)計(jì)值為18cm;從里往外，橫隔板根部采用厚截面與T梁腹板相連接，靠近外側(cè)采用薄界面與另一片T梁連接。使用超聲波法檢測T梁橫隔板，測試方法同樣采用對測法，測試步驟同上，測量結(jié)果如表3所示。實(shí)際厚度采用卷尺測量橫隔板外側(cè)裸露截面所得，僅與測點(diǎn)5測量厚度進(jìn)行對比參照。

表3 超聲波檢測T梁橫隔板厚度

3 超聲波法測試精度評定

圖1 超聲波檢測T梁跨中腹板

圖2 超聲波檢測T梁橫隔板

超聲波檢測T梁中間腹板厚度變化情況如圖1所示，具體測點(diǎn)厚度、測線平均厚度見表2。橫向測線平均厚度從T1測線239.7mm逐漸遞變至T3測線233.2mm，測線平均厚度測量誤差最小為16.6%，最大為20%，這說明使用超聲波測厚儀測量T梁腹板的測試精度較差，測試誤差整體偏大。

超聲波檢測T梁橫隔板厚度變化情況如圖2所示，具體測點(diǎn)厚度、測線平均厚度見表3。超聲波測厚儀測試數(shù)據(jù)在T4處最大，由上往下、由內(nèi)而外，厚度數(shù)據(jù)逐漸減小。在測試精度方面，將測線T4、T5、T6在測點(diǎn)5處的測量值與使用鋼尺測得實(shí)際厚度(測點(diǎn)7)相比，其測試數(shù)據(jù)總體略微偏大，兩者相差2.7%-3.5%，能滿足工程上對精度的測試要求。同時(shí)，超聲波檢測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)整體趨勢保持變小。

使用超聲波檢測T梁跨中腹板發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)偏離實(shí)際情況較為嚴(yán)重，其可能存在原因在于腹板所在區(qū)域通過預(yù)應(yīng)力管道，在未灌漿的情況下，導(dǎo)致該部位測量數(shù)據(jù)整體偏大，數(shù)據(jù)失真。對于使用超聲波檢測T梁橫隔板與實(shí)際厚度吻合度較高，測量厚度與實(shí)際厚度存在一定偏差，偏離度保持一致且統(tǒng)一偏大。因此，可借鑒沖擊回波法引入波速校正因子α。對于平板問題，沖擊回波的校正因子β為0.96，同樣在此處我們亦采用0.96，校正后測量厚度分別為 207.4mm、205mm、204mm，與對應(yīng)的厚度偏差分別為 2.6mm、1mm、1mm，幾乎完全吻合，校正后測試精度大大提高。

結(jié)論

T梁檢測數(shù)據(jù)中，使用超聲波法檢測中間腹板(薄板)，其測量精度在16.6%-20%之間，測量數(shù)據(jù)偏離實(shí)際厚度較為嚴(yán)重，可能原因在于中間腹板區(qū)域恰好位于未灌漿預(yù)應(yīng)力管道處，在管道未灌漿情況下，聲波發(fā)生繞射，傳播歷程增加導(dǎo)致厚度增大;而使用超聲回波法檢測橫隔板厚度，其測量精度在2.7-3.5%之間，能滿足工程上對精度的要求，可用于T梁橫隔板測量?？紤]檢測數(shù)據(jù)整體偏大，借鑒沖擊回波法對應(yīng)力波波速的矯正在此處亦引入波速矯正因子α=0.96，校正后與對應(yīng)的厚度偏差分別為2.6mm、1mm、1mm，幾乎完全吻合，校正后測試精度大大提高。

此外，超聲波檢測時(shí)在工作面上存在一定缺陷。超聲波檢測法需要一對相互平行的工作面，此外還需通過畫線定點(diǎn)來確保發(fā)射端和接收端處于同一位置，才能獲得較為準(zhǔn)確的厚度信息，這導(dǎo)致了超聲波檢測過程較為繁瑣、復(fù)雜。

[1]李榮均.橋梁結(jié)構(gòu)檢測及其承載力評定[D].北京:北京工業(yè)大學(xué)，2004.

[2]馬彪.加固鋼筋混凝土梁承載能力評估與數(shù)值模擬分析[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2012.

[3]張勁泉.我國公路橋梁檢測評價(jià)與加固技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[R].交通部公路科學(xué)研究院，2012.

[4]Heisey JS，Stokoe KH，Meyer AH.Moduli of pavement systems from spectral analysis of surface waves[J].Journal of transportation research board，No.852，Washington，D.C:Transportation Research Board of the National Academies;1982，6(2):22 –31.

[5]薄板超聲波探傷[R].江蘇南通市建筑工程質(zhì)量檢測中心，2010.