聲波檢測技術(shù)在混凝土橋梁檢測中的應(yīng)用

范大偉

（浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司，杭州310000）

1 引言

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。

2 聲波檢測技術(shù)概述

2.1 原理及特點(diǎn)

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 基本方法

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

3 聲波檢測混凝土橋梁施工注意事項(xiàng)

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。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

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

4.2 聲波檢測設(shè)計(jì)

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 聲波檢測結(jié)果

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。

5 結(jié)語

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。