聲波檢測(cè)技術(shù)在混凝土橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用

江蘇中基工程技術(shù)研究有限公司，江蘇 南通 226300

混凝土橋梁在環(huán)境中受溫度、氣候、雨水和大氣腐蝕的作用，橋梁的負(fù)載和使用頻率不斷增加，導(dǎo)致橋梁的耐久性受到考驗(yàn)，在耦合作用增加的情況下，材料和結(jié)構(gòu)的疲勞壽命加快衰減，橋梁會(huì)逐漸產(chǎn)生病害，并且這是一個(gè)不可逆的過(guò)程。對(duì)運(yùn)營(yíng)中的鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估，生成檢測(cè)結(jié)果和評(píng)估報(bào)告，并根據(jù)現(xiàn)階段橋梁病害類(lèi)型和病害程度，制訂適合橋梁的加固措施和方案，對(duì)保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)和提高橋梁承載能力具有重要作用。

1 聲波檢測(cè)技術(shù)原理及計(jì)算

聲波檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)聲音傳播的特性來(lái)區(qū)分橋梁損傷部位，是比較通用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其缺點(diǎn)是受外界聲波干擾較大，而外界聲音混雜，因此聲波檢測(cè)的主要技術(shù)難點(diǎn)是過(guò)濾掉非結(jié)構(gòu)傳播的聲音，通過(guò)聲音在結(jié)構(gòu)物中傳播的性質(zhì)來(lái)判斷其損傷位置。聲波檢測(cè)常用的方法包括超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、沖擊回聲波發(fā)射檢測(cè)技術(shù)。

沖擊回聲波檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)原理是通過(guò)沖擊聲波在橋梁檢測(cè)結(jié)構(gòu)中的傳播、聲波頻率的變化來(lái)確定橋梁損傷位置，該方法取決于橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)材料的傳播原理，應(yīng)用于測(cè)試的方式與超聲波相似。沖擊回聲波的發(fā)生一般采用聲波轉(zhuǎn)換器來(lái)產(chǎn)生應(yīng)力波（即脈沖回聲波）和用橋梁機(jī)械力產(chǎn)生沖擊回聲波（即應(yīng)力回聲波）。沖擊回聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)時(shí)地反映橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和位置的缺陷。

混凝土結(jié)構(gòu)中聲波的波速計(jì)算公式如下：

式中：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為混凝土的密度，g/cm3；μ為剪切模量，MPa。

聲波波速Vp與混凝土自身抗壓強(qiáng)度Rb存在一定的系數(shù)關(guān)系，表達(dá)式如下：

式中：參數(shù)α的取值為0.25～0.4；參數(shù)b的取值為3.0～3.5。通過(guò)對(duì)混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試（結(jié)果如表1所示）可知聲波波速與混凝土的抗壓強(qiáng)度存在回歸關(guān)系：

式中：Rb為混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；Vp為縱波波速，km/s。

2 工程概況

文章依據(jù)某預(yù)應(yīng)力剛構(gòu)橋進(jìn)行分析，該橋全長(zhǎng)550m，橋梁為單箱單室變高箱梁，梁頂寬度為22.5m、梁底寬度為11.5m，翼緣板處的懸臂為5.5m，張拉順序由中跨向邊跨進(jìn)行。1#橋墩在進(jìn)行張拉時(shí)中跨和邊跨表現(xiàn)出底板崩裂的病害，經(jīng)過(guò)加固處理后底板壁出現(xiàn)開(kāi)裂病害。為驗(yàn)證合龍段是否存在結(jié)構(gòu)缺陷，梁板強(qiáng)度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)決定對(duì)該橋進(jìn)行聲波檢測(cè)?；炷翞榇嘈圆牧?，在進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)泊松比取值為0.18，混凝土的密度取值為2.6g/cm3?；炷列阅苤笜?biāo)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 混凝土性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

3 聲波檢測(cè)板設(shè)計(jì)

為分析橋梁混凝土的質(zhì)量缺陷，澆筑了尺寸為10m×1.5m×0.35m的聲波檢測(cè)板。通過(guò)設(shè)計(jì)缺陷與檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比，對(duì)聲波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià)。

不同振搗程度、不同強(qiáng)度的聲波檢測(cè)板設(shè)計(jì)如圖1、圖2所示。通過(guò)分析該板波速圖可知，未振、過(guò)振區(qū)波速為4.1km/s，輕振區(qū)波速要比未振、過(guò)振區(qū)的波速高。強(qiáng)度為C50的混凝土波速為5.2km/s；強(qiáng)度為C40的混凝土波速范圍為4.4～5.2km/s；強(qiáng)度為C30的混凝土波速范圍為3.5～4.4km/s。通過(guò)比較該結(jié)果與表1中的混凝土性能測(cè)試結(jié)果可知，二者試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖1 不同振搗測(cè)試板

圖2 不同強(qiáng)度測(cè)試板

對(duì)橋梁缺陷進(jìn)行檢測(cè)的試驗(yàn)板如圖3所示，通過(guò)分析該板波速圖可知，波速較低的3個(gè)區(qū)域分別出現(xiàn)于尺寸為20cm×20cm、30cm×30cm的泡沫板以及尺寸為60cm×10cm×5cm的木板。聲波線沿64cm的空心波紋管的外壁進(jìn)行傳播，不能檢測(cè)出管內(nèi)其他物體的存在。磚塊的聲波波速要高于低標(biāo)號(hào)的混凝土，但無(wú)法確定是結(jié)構(gòu)自身引起的。

圖3 缺陷試驗(yàn)板

4 聲波檢測(cè)結(jié)果

（1）橋梁頂板。通過(guò)對(duì)橋梁頂板進(jìn)行聲波檢測(cè)，得到如下結(jié)果：此次聲波檢測(cè)的面積為1350m2，頂板的聲波速度為4.7km/s，說(shuō)明混凝土整體強(qiáng)度不低于C45，通過(guò)上文公式計(jì)算可知該處混凝土強(qiáng)度達(dá)到C60，頂板翼緣處聲波速度在2.4～4.0km/s，該處的聲波速度較低，頂板的翼緣處是非主要承受荷載部位，因此對(duì)橋梁的整體穩(wěn)定性影響較小。

（2）橋梁底板。通過(guò)對(duì)橋梁底板進(jìn)行聲波檢測(cè)，得到如下結(jié)果：此次聲波檢測(cè)的面積為540m2，底板聲波速度平均值為4.1km/s，經(jīng)計(jì)算可知混凝土整體強(qiáng)度在C40～C45范圍，底板聲波速度分布不均，呈現(xiàn)出中間高兩側(cè)低的分布情況，且橋梁底板存在兩條低波速區(qū)域，檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明該橋底板的強(qiáng)度較低。

（3）橋梁腹板。通過(guò)對(duì)橋梁腹板進(jìn)行聲波檢測(cè)，得到如下結(jié)果：此次聲波檢測(cè)的面積為324m2，左側(cè)腹板波速為4.5km/s，經(jīng)計(jì)算強(qiáng)度不小于C50，右側(cè)腹板波速為4.7km/s，經(jīng)計(jì)算強(qiáng)度不小于C60，兩側(cè)腹板聲波分布較為均勻，且都存在波速異常區(qū)域，但對(duì)橋梁腹板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響不大。

5 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)聲波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析，得出了以下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)橋梁的頂板、底板、腹板進(jìn)行聲波檢測(cè)可知，橋梁的頂板和腹板波速較高，混凝土具有良好的連續(xù)性，存在低波速區(qū)域，但對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)無(wú)明顯影響；橋梁底板波速為4.1km/s，且存在波速中間高、兩邊低的分布，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約為C30～C40，該現(xiàn)象表明橋梁的結(jié)構(gòu)受到的影響不可忽視。

（2）通過(guò)聲波檢測(cè)試驗(yàn)板的設(shè)計(jì)證實(shí)聲波檢測(cè)技術(shù)與橋梁的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況相符，且聲波檢測(cè)能反映混凝土自身的均勻性、強(qiáng)度以及是否存在缺陷。