淺談聲波CT無損檢測技術在橋梁檢測中的應用

吳洪波

(河北承德承朝高速公路管理處)

1 前言

隨著橋梁建設的飛速發展，橋梁病害也在不斷發現，但為了確保道橋的安全運營，橋梁的質量缺陷檢測顯得十分重要，特別是自動化技術與計算機普及應用，測試與檢測技術得到長足的進步，最有代表性的就是橋梁的健康無損檢測技術。

目前，最為先進的無損檢測大致分以下幾項：(1)光纖傳感技術在橋梁檢測中的應用;(2)聲波檢測，其中包含超聲波檢測和聲波CT;(3)地質雷達檢測，此屬于電磁波。將就聲波CT檢測技術的應用進行詳述。

2 聲波CT檢測應用

2.1 工程概況

大橋主橋全長454 m，為122 m+210 m+122 m預應力混凝土連續剛構，梁體采用單箱單室三向預應力變高度箱梁。箱頂寬22.5 m，底板寬11.0 m，兩側翼緣板懸臂長5.75 m，混凝土標號為C50。中跨先合攏張拉，兩個邊跨相繼合攏，2#墩邊跨合攏段預應力束于接著張拉，最后1#墩邊跨合攏張拉。1#墩張拉過程中發現中跨、兩邊跨均發生底板混凝土崩裂現象。經加固修復，目前又發生底板閉半開裂。針對此，業主決定對該橋進行聲波CT無損檢測，想了解箱梁合攏段是否存在結構缺陷，梁板的強度是否達到了設計強度。

2.2 聲波CT的工作原理

經研究表明：混凝土聲波速度與力學強度存在定量關系，波速與混凝土的彈性模量有密切關系，它是反映了混凝土強度的定量指標。縱波速度Vp和橫波速度Vs與彈性模量、泊松比和密度有如下關系

式中：E為彈性模量，μ為剪切模量，σ為泊松比，這三個參數是表征介質力學性質的最重要參量。對于不同材料，泊松比σ不盡相同，一般變化在0～0.5之間，混凝土是脆性材料，泊松比較小，σ≈0.17，α≈1.2，混凝土縱波速度與彈性模量得關系為

式中混凝土的密度ρ≈2.6 g/cm3。以上表明，縱波速度是混凝土力學強度的定量描述指標。工程中常用標準試塊的抗壓強度，波速與抗壓強度之間存在正相關關系。實驗測試數據表明的回歸關系是冪指數關系，具體如下

式中：Rb為混凝土的抗壓強度，MPa，Vp為縱波速度，km/s，a，b為回歸參數。不同地區的混凝土因骨料成分不同，抗壓強度的回歸參數也略有差異，典型取值范圍為

根據水利電力系統等的大量實驗測試，西南地區混凝土抗壓強度與波速的回歸關系為

表1 混凝土強度及力學指標與實驗資料

由表1可知，當箱梁混凝土標號為C50～C55時，抗壓強度為32.4 ～35.5 MPa，縱波速度值應該在 4.3 ～4.4 km/s，C40的抗壓強度27 MPa左右，波速4.1 km/s左右，這些數值可以作為混凝土強度評價的參考值。區域性波速低于3.5 km/s時，可認為存在質量缺陷。

2.3 聲波CT應用

(1)聲波CT檢測結果。

橋梁頂板聲波CT檢測結果。

橋梁頂板聲波CT檢測面積近1 225 m2，頂板平均波速4.72 km/s，整體強度C50以上。梁板中間主體結構部分波速和強度都較高，波速4.8 km/s以上，分布均勻，連續性好，強度較高，達到了C60左右。頂板兩翼緊急停車帶部位波速略微偏低，特別是梁板右翼有一條寬2～3 m的低波速帶，波速范圍在2～4 km/s。因兩翼低速帶不在主要受力部位，對橋梁影響不大。

橋梁底板聲波CT檢測結果。

底板聲波CT檢測面積近500 m2，平均波速4.08 km/s，強度相當于C40～C45之間。底板的波速與強度分布很不均與，中間的波速較高，多大于4.1 km/s，四周的波速較低，波速低于3.0 km/s的區域占檢測區面積的占1/2左右。底板左右兩翼是與腹板相連接的部位，速度和強度偏低，對梁體結構強度影響較大。在底板左翼邊緣與左腹板相結合的部位，有2～3 m寬的平均波速小于2.0 km/s的低速區，右側邊緣有1～1.5 m寬的波速低于3.0 km/s的低速區，橋梁底板上的3條主要裂縫就發生在這兩個低速區內。底板是箱梁各板中強度最低的部分。

左腹板聲波CT檢測結果。

左腹板聲波CT檢測面積約300 m2，腹板的平均波速4.40 km/s，強度較高，在 C50以上，波速分布基本均勻，說明施工質量一致性控制較好。在腹板的下半部有局部的低速和高速異常區，低速異常區分布在大里程一側，高速異常分布在小里程一側。低波速的幅值在3～4 km/s左右，異常幅度不大，范圍不廣，影響不大。

右腹板聲波CT檢測結果。

右腹板的檢測面積與左腹板相同，300 m2左右。右腹板的平均波速4.61 km/s，比左腹板略高，梁板強度較高，平均可達到C60水平。速度分布基本均與，施工質量控制較好。腹板上半部波速低于下半部，上部有一上下1 m寬的，橫向局部低速異常區，波速在4.0 km/s左右。下半部2 m高的范圍內，波速普遍偏高，高于4.6 km/s?？偟脑u價是波速差異不大，低速異常范圍不大，均于性較好。該腹板強度較高，質量均勻，對提高粱體結構承載力有重要作用。

(2)箱梁聲波CT檢測的主要結論。

綜上所述，箱梁4個面的聲波CT檢測結果可歸納為以下幾點。

(1)箱梁頂板、左右腹板的混凝土波速值較高，分別為4.72 km/s、4.40 km/s 和 4.61 km/s，混凝土強度都達到了C50的設計值，質量均勻，連續性好，不存在連通性低速結構缺陷。

(2)箱梁底板的平均波速較低，約為4.08 km/s，相當于C40～C45，平均強度低于設計值。波速分布不均表明混凝土施工質量控制不嚴。底板、兩翼與腹板的結合部位存在較大范圍的條帶型低速帶，最低波速低于3.0 km/s，實為質量缺陷，對梁體結構承載力有一定影響。箱梁合攏段底板底面兩側的裂縫發育在這些低速區內，而且裂縫還在發展，應引起足夠重視。

3 結束語

隨著我國橋梁數量劇增，橋梁病害現象也隨之增加，健康診斷的客觀需求與日俱增，現有的檢測手段有限，能力和種類上都不能滿足橋梁檢測的需要，檢測技術需要發展與創新。目前，較為成熟的無損檢測技術聲發射技術、機敏混凝土檢測、電化學測試法以及振動測試法等。

無損檢測技術要與外觀檢測結果、動靜載試驗相結合，綜合分析，才能對橋梁的健康狀況作出客觀評價。

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［1］張俊平.橋梁檢測［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［2］張國良.淺談無損檢測技術在道橋工程中的應用［J］.value engineering.

［3］李名進.橋梁無損檢測應用述評［M］.廣東：人民珠江出版社，2007.