聲波檢測(cè)技術(shù)在混凝土橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用

曾宇環(huán)

（蘇交科集團(tuán)廣東檢測(cè)認(rèn)證有限公司，廣東 廣州 510800）

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入力度不斷加大，新建、改建、擴(kuò)建以及運(yùn)營(yíng)期的各類橋梁越來(lái)越多。近年來(lái)，不管是建設(shè)期還是運(yùn)營(yíng)期，橋梁安全事故的發(fā)生使得項(xiàng)目施工建設(shè)中的質(zhì)量問(wèn)題及運(yùn)營(yíng)期橋梁的健康狀況得到了諸多關(guān)注。因此，迫切需要一種行之有效的橋梁質(zhì)量檢測(cè)方法，以確保工程的質(zhì)量。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的水平逐漸提高，對(duì)橋梁等工程設(shè)施的質(zhì)量也提出更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)進(jìn)行橋梁工程檢測(cè)時(shí)主要采用先進(jìn)儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工方式，大量人力作業(yè)，效率低下，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且無(wú)法準(zhǔn)確地檢測(cè)出各種參數(shù)，因此存在一定程度上的誤差。同時(shí)，由于各地氣候條件差異較大，也導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果失真。為了克服上述缺點(diǎn)，本文將結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)發(fā)展的實(shí)際情況，重點(diǎn)介紹了橋梁檢測(cè)無(wú)損技術(shù)中常用的聲波檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)可對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)的科學(xué)性及準(zhǔn)確性提供有效保障。

1 聲波檢測(cè)技術(shù)概述

超聲波主要是由聲波和機(jī)械波組成的。在自然界中，所有的物質(zhì)都具有一定的能量，并以不同形式存在于介質(zhì)之中。物體內(nèi)部所發(fā)生的各種物理變化也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)變化（如聲、光等），這就形成了聲光效應(yīng)（超聲）。聲光效應(yīng)是一種特殊的現(xiàn)象，其頻率范圍為10～30Hz，對(duì)人體沒(méi)有任何不良影響，但是可以傳播很遠(yuǎn)的距離。正是由于這種作用，人們?nèi)菀讓⑵渫姶挪ɑ鞛橐徽劇Ｒ虼?，把超聲波稱為“聲音”，將其與電磁一起研究。

超聲波屬于非平衡激勵(lì)信號(hào)，所以又被稱為噪聲或振動(dòng)。在實(shí)際生活中，經(jīng)常遇到一些噪聲，例如汽車?yán)劝l(fā)出的巨大轟鳴聲、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的轟鳴等，這些干擾通常來(lái)自外界環(huán)境以及人體內(nèi)各部位的反射或折射。當(dāng)它們互相耦合時(shí)，便可引起聽(tīng)覺(jué)障礙。超聲波就是利用這個(gè)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)降噪功能的。超聲波發(fā)生器的工作原理如下：第一，換能器發(fā)射出高頻電流；第二，接收電路接收低頻電壓信號(hào)后進(jìn)行放大處理；第三，比較器檢測(cè)輸出電壓大?。坏谒?，功率管驅(qū)動(dòng)單元控制功率管的通、斷，從而調(diào)節(jié)輸出脈沖個(gè)數(shù)。由于聲波振動(dòng)頻率與混凝土結(jié)構(gòu)有一定關(guān)聯(lián)，因此其在工程項(xiàng)目的混凝土結(jié)構(gòu)性檢測(cè)過(guò)程中也能發(fā)揮奇效。聲波檢測(cè)技術(shù)在具體的應(yīng)用中必須具備兩方面內(nèi)容，一是對(duì)聲學(xué)參數(shù)的測(cè)定，二是尋找上述聲波參數(shù)與混凝土結(jié)構(gòu)特征之間存在的關(guān)聯(lián)。

2 聲波檢測(cè)儀器的發(fā)展?fàn)顩r

從我國(guó)在工程項(xiàng)目中應(yīng)用的聲波檢測(cè)儀器的歷史來(lái)看，主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：第一階段是20世紀(jì)70年代末80年代初開(kāi)始的。這一時(shí)期，由于科學(xué)技術(shù)水平較低，在進(jìn)行相關(guān)工作時(shí)往往會(huì)使用一些較為陳舊的儀器設(shè)備；第二階段是進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著科技的進(jìn)步與更新，聲波檢測(cè)儀的性能也得到了提升，其測(cè)量精度及穩(wěn)定性都有很大的改善和提高。第三階段是近年來(lái)逐漸興起的一種新型無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，這種儀器能夠有效避免傳統(tǒng)檢測(cè)儀存在的問(wèn)題，同時(shí)還具有操作簡(jiǎn)單、便捷等優(yōu)點(diǎn)。第四階段是如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的數(shù)字化超聲探傷儀，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體內(nèi)部缺陷信息的全面獲取，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)軟件處理、分析并得出結(jié)果，為后期的質(zhì)量控制提供可靠依據(jù)。第五階段就是目前最流行的超聲波透射法探測(cè)技術(shù)，該方法憑借獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)獲得了廣泛應(yīng)用，尤其在橋梁工程的實(shí)體檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。第六階段是現(xiàn)下國(guó)內(nèi)正在推廣的三維成像探頭，這種方式不僅能夠準(zhǔn)確識(shí)別橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)不同位置的情況，還能很好地保證信號(hào)傳播過(guò)程的連續(xù)性，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

3 聲波檢測(cè)技術(shù)在混凝土橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1 混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)

從實(shí)際情況來(lái)看，在超聲波檢測(cè)過(guò)程中，超聲波在混凝土中傳播的過(guò)程就是混凝土每一微區(qū)出現(xiàn)不同程度的拉伸、壓縮等變化的過(guò)程，這一現(xiàn)象就叫反射。通過(guò)對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行分析、處理可以得出混凝土內(nèi)部各部位的損傷狀態(tài)和缺陷分布規(guī)律，進(jìn)而有效判斷出結(jié)構(gòu)物是否存在裂縫或其他問(wèn)題。因此，這一技術(shù)在橋梁檢測(cè)過(guò)程中具有非常重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)已初步建立了較完整的混凝土結(jié)構(gòu)性能測(cè)試體系，并取得了顯著成果。但由于物理量的復(fù)雜性以及繁雜等特征，往往在實(shí)際工程中，超聲技術(shù)只能檢測(cè)力學(xué)性能，且目前的精確度并不高，只能作為參考。

聲波檢測(cè)橋梁的主體結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，檢測(cè)速度快。利用聲波作為介質(zhì)，可同時(shí)獲取大量信息。其次，測(cè)量精度高。根據(jù)不同材料、截面尺寸、受力情況等選取適當(dāng)頻率的探頭，采集數(shù)據(jù)并計(jì)算出相應(yīng)值，即可獲得真實(shí)結(jié)果，無(wú)須人工判斷或校正。再次，適用范圍廣。對(duì)于各種鋼材亦有良好適用性。最后，造價(jià)低廉，作業(yè)簡(jiǎn)單、方便，易于推廣、實(shí)施。

從國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)外已經(jīng)基本完成了超聲波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)工作，而我國(guó)尚處于起步階段，主要以現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用為主。但隨著科技水平的不斷提升，未來(lái)將出現(xiàn)更多先進(jìn)的手段及設(shè)備，用于檢測(cè)橋梁實(shí)體結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)。這主要是由于其采用了高分子復(fù)合材料技術(shù)、納米壓敏劑等特殊配方，使得產(chǎn)品具備較好的韌性和彈性；同時(shí)，又因?yàn)樗挠捕冗h(yuǎn)高于普通聚氨酯膠，因此能夠更好地應(yīng)用于實(shí)際橋梁檢測(cè)過(guò)程中。而為了確保聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)橋梁具體檢測(cè)工作的準(zhǔn)確性，試塊等區(qū)域也應(yīng)該保證統(tǒng)一。

3.2 混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)

如今，混凝土的探傷所用到的無(wú)損壞檢測(cè)方法主要有超聲脈沖法、雷達(dá)法、射線法等。但是，由于雷達(dá)技術(shù)和射線技術(shù)在混凝土無(wú)損檢測(cè)中的穿透能力有限，且相關(guān)的設(shè)備、儀器以及后續(xù)的維護(hù)成本較高，所以并未得到較為廣泛的使用。

超聲波檢測(cè)技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)中獲得了很好的效果。超聲波在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷檢測(cè)上具有較高的靈敏度，可以準(zhǔn)確識(shí)別出鋼筋和砂漿之間的裂紋。因此，超聲無(wú)損技術(shù)已成為目前應(yīng)用最為廣泛、效果最好、發(fā)展最快的一項(xiàng)混凝土內(nèi)部無(wú)損探測(cè)技術(shù)之一。

就聲波探測(cè)技術(shù)的穿透能力來(lái)說(shuō)，由于采用了聲發(fā)射原理，并對(duì)聲吶結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了改進(jìn)與完善，其探測(cè)穿透能力最大可達(dá)到十幾米。就該探測(cè)技術(shù)的探測(cè)方式來(lái)看，超聲波遇到缺陷會(huì)發(fā)生改變，而改變的主要表現(xiàn)是以波的形式作為參數(shù)，對(duì)缺陷的特性、方位等做出了較為詳細(xì)的判斷，從而達(dá)到檢測(cè)的目的。這種方法也可以在某些特殊環(huán)境下使用。

超聲波傳感器是利用聲波測(cè)量物體內(nèi)部溫度、濕度等參數(shù)的一種裝置。由于它具有靈敏度高、體積小等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于混凝土探測(cè)等領(lǐng)域中。

4 聲測(cè)技術(shù)在基樁檢測(cè)方面的應(yīng)用

對(duì)于橋梁工程中的基樁完整性檢測(cè)來(lái)說(shuō)，聲波投射法的作用不可忽視。因?yàn)?，施工過(guò)程中，容易受各種因素的影響而出現(xiàn)問(wèn)題，所以為了確保橋梁建設(shè)的質(zhì)量和安全，必須要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)分析，以保證工程質(zhì)量、進(jìn)度等方面都能得到有效控制，這就要求施工單位及時(shí)做好相關(guān)工作，提高自身的技術(shù)能力，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有力支撐。

目前，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，超聲波透射法在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它是一種利用聲頻振動(dòng)原理，將物體內(nèi)部產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成熱能的物理方法。通過(guò)這種方式，可以快速、準(zhǔn)確地測(cè)量出被測(cè)試物內(nèi)部存在的缺陷或損傷的位置與大小。而且，超聲波具有較強(qiáng)的穿透性，因此也可以用來(lái)探測(cè)地下結(jié)構(gòu)物內(nèi)是否有異常物體，并可根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的發(fā)射頻率，以便獲得更精準(zhǔn)、可靠的數(shù)據(jù)。

但是，超聲波透射法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)遇到很多障礙，包括環(huán)境、地質(zhì)條件、設(shè)備本身的性能等多方面因素。這些限制因素不僅會(huì)對(duì)超聲透射波測(cè)厚帶來(lái)困難，同時(shí)也使得超聲波透射波測(cè)厚無(wú)法達(dá)到預(yù)期的目的，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓽y(cè)厚儀損壞，致使整個(gè)系統(tǒng)失效，進(jìn)而無(wú)法保障橋梁樁基的質(zhì)量。

4.1 超聲波檢測(cè)技術(shù)在橋梁樁基中的應(yīng)用

在橋梁樁基的施工過(guò)程中，采用超聲波檢測(cè)技術(shù)會(huì)存在較大局限性，以下是對(duì)這些常見(jiàn)的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行的研究整理：

4.1.1 超聲波檢測(cè)原理。超聲波監(jiān)測(cè)原理是通過(guò)超聲在被測(cè)物體表面產(chǎn)生反射或折射，而對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行探測(cè)的一種方法。它能準(zhǔn)確反映出被測(cè)對(duì)象中存在著哪些缺陷，還可以測(cè)量各種介質(zhì)（如水中）中聲波的傳播規(guī)律。在具體的檢測(cè)過(guò)程中，主要以發(fā)射超聲波的方法進(jìn)行作業(yè)，對(duì)樁基混凝土整體結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行測(cè)定。如果超聲波在計(jì)算機(jī)中的模擬波動(dòng)較為均衡，則說(shuō)明該技術(shù)所檢測(cè)的結(jié)果及內(nèi)容沒(méi)有問(wèn)題。

4.1.2 優(yōu)點(diǎn)及局限。就超聲波檢測(cè)技術(shù)在推進(jìn)過(guò)程中的應(yīng)用和最后的結(jié)果而言，整個(gè)探測(cè)過(guò)程不會(huì)對(duì)檢測(cè)對(duì)象造成任何損害，探測(cè)的質(zhì)量和速度令人滿意。除此之外，超聲波檢測(cè)技術(shù)需要投入的成本較低，所以被諸多工程類行業(yè)廣泛應(yīng)用于檢測(cè)中。而且，該技術(shù)還可以對(duì)厚度較大物體進(jìn)行檢測(cè)，且檢測(cè)效果尤為顯著。所以，即使是厚度比較大的樁基也可以利用超聲波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。但是，該技術(shù)也存在一定的局限性，檢測(cè)結(jié)果所獲得的相關(guān)參數(shù)是基于一定判斷的。

4.2 低應(yīng)變法在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用

4.2.1 低應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)的原理及檢測(cè)方法是，利用測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生的微弱信號(hào)，通過(guò)分析和計(jì)算得到物體表面發(fā)生的微小變形量。這種方法在工程中應(yīng)用廣泛，橋梁、隧道等都需要用高精度位移傳感器監(jiān)測(cè)其結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及裂縫情況。該技術(shù)是一種根據(jù)測(cè)力元件施加于被測(cè)構(gòu)件上的壓力或拉力大小，將該載荷轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成電壓輸出的測(cè)量方法，它具有精度高、體積小、重量輕、使用方便、操作靈活等特點(diǎn)，主要用于對(duì)混凝土材料進(jìn)行質(zhì)量控制及檢驗(yàn)。由于目前我國(guó)建筑工程領(lǐng)域還沒(méi)有專門針對(duì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)開(kāi)發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)，因此，采用傳統(tǒng)的人工測(cè)試方法無(wú)法達(dá)到較好的效果。同時(shí)，該技術(shù)受人為因素的影響大，由此帶來(lái)的成本很高。所以，研發(fā)新型、高效、經(jīng)濟(jì)可靠、自動(dòng)化程度更高且滿足不同用戶要求的混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)系統(tǒng)尤為必要。

4.2.2 低應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及局限：該技術(shù)測(cè)量精度高，可直接獲得應(yīng)力和變形的關(guān)系曲線，對(duì)被測(cè)對(duì)象無(wú)破壞作用。正是因?yàn)樵摷夹g(shù)對(duì)測(cè)試對(duì)象沒(méi)有任何破壞，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，所以在樁基檢測(cè)等方面受到了較多青睞。但是，該技術(shù)受環(huán)境條件影響較大，需要較強(qiáng)的穩(wěn)定性，且成本高，通常只能用于小零件或微小結(jié)構(gòu)（如彈簧）的測(cè)試，且精度不高。此外，該技術(shù)不能進(jìn)行精密加工，在加工過(guò)程中容易出現(xiàn)誤差而導(dǎo)致失效，且不適合長(zhǎng)期工作，尤其不適合在大載荷下使用。

5 結(jié)語(yǔ)

聲波探測(cè)技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)中扮演著重要角色。在實(shí)際檢測(cè)中，應(yīng)對(duì)其結(jié)果的精確度和準(zhǔn)確性進(jìn)行嚴(yán)格要求。當(dāng)前，實(shí)際工程中的聲波檢測(cè)依然是以作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)為主，以儀器為輔，距離“淡化作業(yè)人員對(duì)結(jié)果的影響，提高數(shù)據(jù)的可靠性”這一美好愿景，還有很長(zhǎng)的路要走。該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展也需要?jiǎng)?chuàng)新和完善，才能更好地服務(wù)于社會(huì)。