聲波檢測技術在混凝土橋梁檢測中的應用

陸 林

（蘇州東振路橋工程有限公司中心試驗室，江蘇 蘇州 215000 ）

1 工程概況

某橋梁主橋長為550m，為預應力混凝土連續(xù)剛構橋，梁體為單箱單室三向變高箱梁，底寬為11.5m、頂寬為22.5m，翼緣板懸臂長為5.5m，在實施合龍張拉時，應按照從中跨到邊跨的順序。在對1#橋墩進行張拉施工過程中，邊跨和中跨的混凝土存在底板崩裂現象，對其進行加固后，仍存在底板壁開裂問題，因此應采用聲波檢測技術對其進一步實施檢測。

2 聲波波速與混凝土橋梁結構強度之間的關系

聲波檢測技術也稱為聲波透析成像技術。聲波在混凝土內部傳遞的過程中，其波速、波頻以及波速會發(fā)生相應的變化，通過對這些信號進行數字處理，可以了解混凝土橋梁內部的主要構造，分析混凝土橋梁結構的病害，本文主要研究波速與混凝土橋梁結構強度之間的關系。聲波波速主要分為橫波和縱波兩種，通過聲波波速的研究可以了解混凝土橋梁結構強度，縱波和橫波波速計算公式為：

其中：剪切模量為μ（MPa）；混凝土密度為ρ（g/cm3）；泊松比為σ；彈性模量為E（MPa）；橫波波速為Vs（km/s）；縱波波速為Vp（km/s）。本文中混凝土密度為2.6g/cm3 ，泊松比為0.18。

通常波速與標準試塊抗壓強度之間存在正相關關系，公式為：

其中：縱波波速為Vp（km/s）；回歸參數為α、b；混凝土抗壓強度為Rb（MPa）。由于不同區(qū)域混凝土骨料成分也各不相同，因此其抗壓強度回歸參數也不盡相同，通常b 取值應在3.0～3.5 的范圍內，α取值應在0.25～0.40 的范圍內。

在該工程中，聲波波速以及混凝土抗壓強度回歸關系為：

3 對聲波檢測技術的運用

3.1 聲波檢測技術在混凝土橋梁頂板檢測中的應用

在對本橋梁頂板進行聲波檢測時，其面積為1310m2，通過檢測可知該頂板波速均值為4.69km/s，當混凝土強度大于C45 時，頂梁板主體中間位置混凝土強度和聲波波速較高，其波速大于4.81km/s，且分布連續(xù)、均勻。但是頂板兩翼的位置波速較低，頂板右翼位置存在較為明顯地低波速帶，寬度為2～3m，波速為2.3～4.1km/s，由于該部分非主要受力部位，因此其并不會對橋梁結構整體穩(wěn)定性產生影響。

3.2 聲波檢測技術在混凝土橋梁底板檢測中的應用

對橋梁底板進行聲波檢測時，其面積為540m2，混凝土強度設計值范圍為C40～C45，其波速均值是4.10km/s。底板的強度和波速分為非常不均勻，中間位置的波速均值大于4.10km/s，四周有50%左右的面積區(qū)域波速小于3.1km/s。由于底板腹板和兩翼之間相互連接，因此其對梁體強度有較大的影響。根據檢測結果可知，底板右側腹板和邊緣連接處存在波速均值小于2km/s的低波速區(qū)域，寬度為2～3m，左側連接處存在波速均值小于3km/s 的低波速區(qū)域，寬度為1～1.5m，該兩處區(qū)域為底板裂縫存在的主要位置。

3.3 聲波檢測技術在混凝土橋梁左腹板檢測中的應用

對橋梁左腹板進行聲波檢測時，其面積為324 m2，混凝土強度大于C50，其波速均值為4.5km/s，較為均勻，因此可知左腹板的施工質量良好。但是在大里程和小里程側存在局部性高低速異常區(qū)域，主要位于左腹板下方，但是由于異常幅度較小，因此不會對腹板穩(wěn)定性產生過大的影響。

3.4 聲波檢測技術在混凝土橋梁右腹板檢測中的應用

對橋梁右腹板進行聲波檢測時，其面積為324m2，混凝土強度為C60，其聲波波速均值為4.70km/s，分布均勻，且與左腹板相比，其強度和波速較高，因此該處質量較好。與下部相比，上部波速較低，且上部有一條低速異常區(qū)域，寬度為1m，波速均值為4.1km/s，下部波速均大于4.6km/s。綜上，該橋梁右腹板沒有嚴重病害，強度較高，質量良好。

4 檢測結果要析

以上述左右腹板、底板以及頂板的檢測結果進行分析可知，箱梁左右腹板和頂板混凝土的檢測波速較高，分別為4.4.2km/s、4.62km/s 以及4.73km/s，且混凝土強度均符合C50～C70 的設計要求，且混凝土結構具有良好的連續(xù)性和質量，沒有出現貫通性低速結構缺陷。但是底板波速均值為4.07km/s，與其他部位相比波速較低，且分布較為不均勻，而在其與腹板的連接處波速為3.1km/s，波速較低，因此可知此處質量缺陷較為明顯，會對橋梁質量產生較大明顯。通過深層檢查可知，這些低速條帶區(qū)域內的裂縫為發(fā)育狀態(tài)，需施工單位實施治理。

為了對本橋梁的混凝土結構所存在的質量缺陷進行進一步的分析，試驗人員應制備不同強度的試驗板，并對其進行聲波測試。在對試驗板進行制備時，應使用直徑為20mm 和8mm 的鋼筋，其尺寸為10m×1.5m×0.35m。圖1～圖3 為試驗板的主要設計情況。對三種不同的混凝土試驗板實施聲波檢測，并對比其設計缺陷和檢測結果，可以對本工程中的橋梁聲波檢測準確性進行判斷和分析。

圖1 為不同振搗情況下試驗板的設計圖，圖2 為本工程對不同強度試驗板進行聲波檢測的主要設計圖，通過對試驗板的CT 剖面波速圖進行分析可知，在過振和未振區(qū)域聲波的傳播速率都比較低，都小于4.1km/s，而聲波在輕振區(qū)域的波速較高，均大于4.1km/s?；炷翗颂枮镃50 時，波速達到最高，為5.2km/s，混凝土強度為C30 時，其波速最低，范圍在3.5～4.4km/s 之間，混凝土強度為C40 時，波速范圍為4.4～5.2km/s。

圖1 振搗不同的試驗板設計圖

圖2 強度不同的試驗板設計圖

圖3 為對聲波檢測缺陷試驗板的設計圖，通過對缺陷試驗板的CT 剖面波速進行分析可知，低速較為明顯的三個區(qū)域分別對應設計梁的60cm× 10cm×5cm 木板、30cm×30cm 泡沫板以及20cm×20cm 泡沫板。在試驗過程中，對激發(fā)點和檢波器進行布置的間距應為25cm，所使用的計算網格0.25m×0.25m，由于其分辨率較大，因此無法對10cm×10cm 泡沫板的異常進行判斷；空心波紋管的直徑為15cm、長度為65cm，其橫截面較小，使用高速聲波檢測射線進行檢測時，會繞過全部的外側壁，因此無法對空心波紋管的異常進行判斷；在對低體積磚塊實施檢測時，以低標號混凝土相比，其波速較高，在檢測結果途中顯示為高速，但是并不能對磚塊內是否存在缺陷進行判斷。

圖3 聲波檢測缺陷試驗板的設計圖

4 結語

（1）以橋梁工程實際為依據，對聲波CT 檢測試驗結果進行分析可知，其與施工實際相符，通過波速分布圖可以對橋梁澆筑均勻性、混凝土缺陷及強度等情況進行更加準確和清晰的判斷。

（2）通過對不同強度試驗板進行試驗和分析可知，其聲波散射時程下部為散射能量，上部為二維瞬態(tài)譜，二維瞬態(tài)譜的縱軸為頻率，橫軸為傳播時間（距離）。通過對聲波散射時程進行記錄，可以對頻率能量的時間分布進行分析，并以此對混凝土缺陷進行分析。根據試驗結果可知，在混凝土試件1～2m 處出現強散射能量的主要原因是因為端頭附近存在空區(qū)或敲擊產生的影響，從中可看出在波紋管10.5～11.2m、7～7.4m、4.2～4.9m 以及3.0～3.4m的位置存在缺陷，總長度為2.2m。

綜上，在對混凝土橋梁進行檢測過程中，聲波無損檢測技術具有較大的前景，該種技術可以使橋梁波紋管注漿位置定位、缺陷大小以及梁板澆筑質量檢測精確度進一步提高，可以為今后橋梁工程施工提供借鑒。