范大偉
(浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司,杭州310000)
截至目前,我國的高速公路總里程已穩(wěn)居世界首位,極大地推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展。高速公路建設(shè)過程中,橋梁工程占據(jù)著重要的地位,特別是在山區(qū)位置修建高速公路時(shí),需建設(shè)橋梁來提高地區(qū)之間的聯(lián)系和貫通,因此,高速公路橋梁工程的施工具有重大的意義和價(jià)值[1]。橋梁工程主要包括蓋梁、箱梁、墩柱、樁基等,施工材料為鋼筋混凝土,在橋梁施工以及運(yùn)營階段容易產(chǎn)生病害問題,且在橋梁結(jié)構(gòu)檢測應(yīng)用過程中往往會(huì)受到外界環(huán)境、地形地貌、施工條件等因素的影響,無法較好地保證基礎(chǔ)樁檢測質(zhì)量,為了保證橋梁檢測的完整性和有效性,聲波檢測技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。本文為探究聲波檢測技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用,對(duì)聲波檢測原理進(jìn)行了闡述,重點(diǎn)研究聲波檢測技術(shù)施工工藝,并在具體橋梁工程中進(jìn)行應(yīng)用。
聲波檢測的原理主要是由于不同類型的彈性介質(zhì)的密度和彈性常數(shù)等特性不同,聲波在不同介質(zhì)中傳播的速率也不同[2]。當(dāng)聲波在巖土、混凝土等結(jié)構(gòu)物中傳播時(shí),遵循彈性波傳播定律。
利用聲波技術(shù)進(jìn)行混凝土橋梁檢測時(shí),要將聲波發(fā)射至混凝土、基巖以及巖土等介質(zhì)中,當(dāng)混凝土介質(zhì)中聲波傳播速率達(dá)到4 000 m/s 時(shí),若混凝土表面存在紋理不均勻或裂縫時(shí),聲波的頻率會(huì)急劇降低,即出現(xiàn)了散射現(xiàn)象[3]。當(dāng)聲波出現(xiàn)散射現(xiàn)象時(shí),由于混凝土存在裂紋,聲波的傳播速率會(huì)不斷降低,與質(zhì)量合格的混凝土結(jié)構(gòu)相比,此時(shí)的聲波信號(hào)接收時(shí)間會(huì)較長。
綜上所述,若混凝土橋梁結(jié)構(gòu)存在質(zhì)量缺陷,聲波在混凝土中的傳播過程中,振幅和速度均會(huì)發(fā)生改變,波形產(chǎn)生變化,可借此判斷混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的缺陷情況[4]。
2.2.1 透射波法
透射波法主要利用地震透射波進(jìn)行檢測,具有檢測結(jié)果準(zhǔn)確、清晰等特點(diǎn),該方法在實(shí)際檢測中通常會(huì)產(chǎn)生較多能量,且不容易受到外界環(huán)境因素的影響和干擾,可便于工作人員對(duì)橋梁質(zhì)量問題的辨認(rèn)和分析。透射波法應(yīng)用過程中,首先對(duì)發(fā)射和接收兩個(gè)探頭距離進(jìn)行測量,得出準(zhǔn)確數(shù)據(jù),以免后續(xù)測量時(shí)產(chǎn)生較大誤差。當(dāng)發(fā)射和接收兩個(gè)探頭之間的距離較遠(yuǎn)時(shí),其檢測難度則相對(duì)較大,無法得出測量數(shù)據(jù),此時(shí)則可采用多點(diǎn)測量的方式進(jìn)行檢測。另外,當(dāng)被檢測橋梁存在較多裂縫,或受損程度較大時(shí),聲波的衰減會(huì)比較嚴(yán)重,此時(shí)若測量距離較大時(shí),則應(yīng)采用錘擊法進(jìn)行輔助檢測,以得出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)信息。
2.2.2 反射波法
反射波法主要利用地震反射波進(jìn)行檢測。反射波法主要是利用發(fā)射換能器來發(fā)射聲波,聲波在混凝土結(jié)構(gòu)中傳播形成發(fā)射波信號(hào),再利用接收換能器獲得發(fā)射波信號(hào)(見圖1),結(jié)合設(shè)備分析確定聲波在被測結(jié)構(gòu)中的傳播速度,以此分析、評(píng)價(jià)混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。值得注意的是,聲波在混凝土橋梁中傳播時(shí)容易受到波前的阻尼、凝滯的吸收作用、發(fā)散作用影響,還會(huì)受到波內(nèi)稀疏部分和壓縮部分之間熱傳、輻射的影響,因此,在檢測應(yīng)用時(shí)工作人員應(yīng)對(duì)多方面因素進(jìn)行充分分析,以提高數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確性[5]。
圖1 反射波法
1)在進(jìn)行聲波混凝土橋梁缺陷檢測時(shí),應(yīng)提前在聲測管內(nèi)部注滿清水,可有效提高聲波的傳播速率和效率,進(jìn)而有助于橋梁缺陷檢測的準(zhǔn)確性。
2)聲波儀器由換能器和程序系統(tǒng)構(gòu)成,所產(chǎn)生的聲時(shí)和波形的清晰度應(yīng)足夠準(zhǔn)確,因此,所選用的換能器精度和重量應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求[6]。
3)采用鉛絲將聲測管和鋼筋籠主筋捆扎牢固,間距控制在3 m 左右,在鋼筋籠主筋的兩側(cè)可加設(shè)U 形定位筋,避免鋼筋籠與樁基產(chǎn)生碰撞而導(dǎo)致聲測管傾斜,并且聲測管的厚度和剛度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。
4)聲波檢測質(zhì)量受混凝土齡期影響,因此,應(yīng)確保在灌注混凝土結(jié)束的14 d 齡期內(nèi)完成橋梁聲波檢測,以免影響橋梁缺陷檢測準(zhǔn)確度[7]。
5)聲波聲測管埋設(shè)時(shí)應(yīng)將各聲測管間平行對(duì)稱,同時(shí)保證聲學(xué)測量管應(yīng)確??稍阡摻罴軆?nèi)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。樁基直徑?jīng)Q定了聲測管數(shù)量,樁基直徑小于800 mm 時(shí),聲測管設(shè)定為2 根,樁基直徑大于1 600 mm 時(shí),聲測管數(shù)量不得少于4 根,樁基直徑在800~1 500 mm 范圍內(nèi)時(shí)聲測管數(shù)量控制為3 根。
某高速公路建設(shè)項(xiàng)目全線長86.459 km,設(shè)計(jì)行車速度為100 km/h,路基寬度26 m,路面以瀝青混凝土結(jié)構(gòu)形式為主,公路全線橋隧比為67.2%。該高速公路第三合同段內(nèi)含有3 座大橋、7 座中橋,且中間由短路基連接,為加強(qiáng)橋梁運(yùn)營整體質(zhì)量和安全,本項(xiàng)目選取1 座長750 m 的大橋進(jìn)行研究。該大橋梁體結(jié)構(gòu)采用單箱單室三向預(yù)應(yīng)力變高梁,梁頂和梁底的寬度分別為22.5 m、11.5 m,起哄翼緣板懸臂長5.5 m。現(xiàn)階段該橋梁工程正進(jìn)行跨中跨邊合龍張拉施工,經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)地勘測后發(fā)現(xiàn),橋梁5#墩柱施工時(shí)中跨位置出現(xiàn)混凝土崩解現(xiàn)象,通過及時(shí)加固維修處理,其底板位置仍有開裂現(xiàn)象。通過分析可知,是混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生問題導(dǎo)致,因此,為對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)存在的缺陷進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)分析,擬決定采用聲波檢測技術(shù)對(duì)橋梁的各混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測研究,其中,混凝土性能參數(shù)測試結(jié)果如表1 所示。
表1 混凝土性能參數(shù)測試結(jié)果
為了對(duì)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行分析,現(xiàn)澆筑出1.5 m×0.35 m 的聲波檢測板,通過對(duì)比分析設(shè)計(jì)缺陷和檢測結(jié)果評(píng)價(jià)聲波檢測技術(shù)。不同強(qiáng)度、不同振搗程度的聲波檢測板設(shè)計(jì)示意圖如圖2、圖3 所示。通過分析波速圖可得出,未振、過振區(qū)波速均為4.1 km/s,相比之下,輕振區(qū)波速要更高。C50混凝土強(qiáng)度的波速為5.2 km/s,C40 混凝土強(qiáng)度的波速在4.4~5.2 km/s,C30 混凝土強(qiáng)度的波速在3.5~4.4 km/s。與表1檢測結(jié)果相比可知,兩者試驗(yàn)結(jié)果相同。
圖2 不同強(qiáng)度測試板
圖3 不同振搗測試板
本項(xiàng)目橋梁缺陷檢測試驗(yàn)板示意圖如圖4 所示,可得,較低波速的3 個(gè)區(qū)域主要存在于20 cm×20 cm 尺寸、30 cm×30 cm 尺寸的泡沫板和60 cm×10 cm×5 cm 尺寸的木板。聲波主要借助64 cm 長的空心波紋管外壁為介質(zhì)進(jìn)行傳播,因此,無法檢測出管內(nèi)部物質(zhì)是否存在。另外,可得出低標(biāo)號(hào)混凝土的聲波波速要低于磚塊。
圖4 缺陷試驗(yàn)板
4.3.1 混凝土橋梁頂板
本項(xiàng)目混凝土橋梁頂板聲波檢測結(jié)果得到:頂板聲波速度為4.7 km/s,聲波檢測面積為1 350 m2,表明混凝土整體強(qiáng)度高于C45,當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到C60 時(shí),頂板翼緣板處聲波速度處于2.4~4.0 km/s,速度較低,由于頂板翼緣板為非主要承受荷載部位,所以,對(duì)橋梁整體穩(wěn)定性影響性較小。
4.3.2 混凝土橋梁底板
本項(xiàng)目混凝土橋梁底板聲波檢測結(jié)果得到:底板聲波速度為4.1 km/s,聲波檢測面積為540 m2,表明混凝土整體強(qiáng)度等級(jí)在C40~C45,且底板聲波速度呈兩邊低中間高的趨勢,且分布不均,存在兩條低波速區(qū)域,表明該橋梁底板整體強(qiáng)度不高。
4.3.3 混凝土橋梁腹板
本項(xiàng)目混凝土橋梁腹板聲波檢測結(jié)果為:左側(cè)腹板聲波速度為4.5 km/s,聲波檢測面積為324 m2,表明混凝土整體強(qiáng)度高于C50;右側(cè)腹板聲波為4.7 km/s,混凝土整體強(qiáng)度高于C60,兩側(cè)的腹板聲波分布均勻且均存在波速異常區(qū)域,但對(duì)腹板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較低。
本文主要研究了聲波檢測技術(shù)在混凝土橋梁檢測中的應(yīng)用,重點(diǎn)闡述了聲波檢測混凝土橋梁施工工藝,并結(jié)合實(shí)際提出聲波檢測過程中注意事項(xiàng)。結(jié)合實(shí)際工程分別對(duì)混凝土橋梁的頂板、底板以及腹板進(jìn)行聲波檢測,得到橋梁頂板和腹板波速較高,且存在低波速區(qū)域,混凝土連續(xù)性良好,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響較小,而底板聲波速度呈兩邊低中間高的趨勢,且分布不均,存在兩條低波速區(qū)域,則會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成一定影響。表明采用聲波檢測技術(shù)可有效反映混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、均勻性以及缺陷情況。