彈性波(CT)層析技術在橋梁檢測中的應用

袁 浩 唐 英

(中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731)

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彈性波(CT)層析技術在橋梁檢測中的應用

袁 浩 唐 英

(中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731)

闡述了彈性波層析掃描(CT)檢測技術的基本原理及特點，并采用該技術，檢測了某高速鐵路連續梁0號塊混凝土內部質量，實踐應用表明，彈性波在混凝土這種介質中傳播時，混凝土的彈模及強度存在與波速相關的數學關系，與傳統的無損檢測方法相比具有明顯的優越性。

連續梁，彈性波層析掃描，混凝土，質量檢測

連續梁是一種應用最為廣泛的橋型。連續梁的0號塊體積較大，預應力鋼束和鋼筋密集。在施工澆筑過程中，一旦質量控制不嚴格，易發生漏振、漏漿等現象，導致混凝土形成蜂窩狀不密實或空洞等內部缺陷，給運營安全造成極大隱患。

為了保證橋梁安全服役、促進交通運輸科學發展，必須對此類缺陷進行準確的檢測評估，以便為下一步的加固維修提供科學依據。由于針對的是已建成的橋梁主要部件，為了避免檢測對結構造成二次損傷，應采取無損檢測手段進行。針對于混凝土內部缺陷，現有無損檢測手段仍然存在檢測深度不足、檢測精度不高的缺點，不能全面、整體以及深入的反映內部缺陷情況。而混凝土內部的缺陷容易導致結構受到嚴重的破壞。找到一種填補現有檢測手段空白,能夠準確定位、量化內部缺陷的檢測手段,已成為科研、檢測人員迫待解決的問題。

彈性波層析掃描(CT)檢測技術應用于混凝土結構的缺陷檢測在西方發達國家(如美國、日本等)開展的比較普遍[1]，其理論、技術日趨成熟。在我國地理勘探等行業，彈性波層析掃描(CT)檢測技術已作為一項比較成熟的技術得以大量實踐。將彈性波掃描的方法應用于0號塊混凝土內部質量的檢測,能夠將內部缺陷全面、深入且準確地探測出來，為下一步的加固維修提供科學依據。本文在描述彈性波的層析掃描(CT)檢測的基本原理的基礎上，通過工程實踐敘述其檢測方法及證明其在連續梁0號塊混凝土內部質量無損檢測中的廣闊應用前景。

1 彈性波層析掃描(CT)技術

1.1 彈性波層析掃描(CT)的基本原理

彈性波層析掃描(Computerized Tomography，簡稱CT)是一種全面、直觀評價混凝土內部質量，且結果的可靠性和準確性均比較好的無損檢測方法[2]，該檢測方法基于彈性波(P波)理論。當彈性波處于不同類型的介質中時，反映出的傳播特性也不相同，彈性波的傳播速度、能量衰減及頻譜成分和目標體的介質成分、結構和密度等因素相關[3]。當彈性波通過混凝土內部無缺陷位置(澆筑密實、強度較高)時，波速相對較高，聲波能量衰減的也相對較慢；當彈性波通過混凝土內部有缺陷位置(澆筑不密實、強度較低)時，波速相對較低，聲波能量衰減的也相對較快。

20世紀40年代末，美國的研究學者通過一系列試驗研究，提出了彈性波波速評定混凝土質量的參考標準[4]，參考標準見表1。

表1 常用彈性波(P波)波速評定混凝土質量參考標準 m/s

上述標準并不能準確的適用于混凝土內部缺陷檢測，因為在實際工程中，地區差異、級配大小的不同、采用骨料的區別都會對同一標號的混凝土內部彈性波傳播速度產生影響，上述標準只表明在以往的研究中已經可以定性的描述出波速與混凝土質量的對應關系。在工程實踐中為了得到準確的檢測結果，采取在檢測現場進行波速與受測混凝土強度對應關系準確標定的方法，得到波速和受測混凝土強度之間的相關性擬合曲線。

1.2 彈性波層析掃描(CT)的檢測方法

在受檢混凝土結構兩個對立的測面布置測點，激發側依次布置激振源，受激側依次等量的布置受信點。激振點與受信點之間兩兩對穿形成彈性波射線，由彈性波射線編織成一個射線網(見圖1)，由這個射線網所覆蓋的范圍我們稱之為檢測剖面，實踐工作中，我們將檢測剖面設置于想要探測混凝土質量的位置，合理設置網格密度。根據“走時成像原理”，將每條射線的速度函數信號數據投影在形成的網格模型下，利用計算機反演技術得到剖面上各個點位的彈性波波速值，以波速云圖的方式展示，利用整個檢測剖面的速度云圖分布來找到缺陷位置(云圖中低速異常區域)及準確量化其面積。

1.3 彈性波層析掃描(CT)技術在連續梁0號塊混凝土內部質量檢測中的適用性及檢測流程

連續梁0號塊混凝土內部缺陷的檢測存在以下幾個難點：1)0號塊為大體積混凝土，檢測深度要求大，一般超過5 m；2)0號塊底部需布置支座上蓋板、防落梁裝置等，對內部混凝土形成遮蓋，造成很多單測面檢測手段不易實施；3)0號塊內部鋼筋密集、預埋件較多，影響使用超聲波、電磁波類檢測儀器的檢測精度。彈性波層析掃描(CT)技術可以完全解決以上難點。沖擊彈性波由外部激發，激振產生頻率可達到4 kHz以上，檢測深度可達混凝土內部10 m左右。檢測采用剖面分層檢測，剖面設置靈活，不易受結構表面遮蓋物影響。

根據實踐經驗，連續梁0號塊混凝土內部缺陷的檢測宜按照以下流程進行，以便保證檢測工作有序開展、檢測內容全面、檢測結果準確。首先，對0號塊混凝土進行外觀檢測，包括混凝土的蜂窩、麻面，剝落、掉角，空洞、孔洞，裂縫等缺陷檢測。對發現的病害做好現場記錄及標記，初步確定病害范圍，掌握病害特征。其次，進行彈性波層析掃描(CT)檢測，對在外觀檢測中無法依靠肉眼觀測到的內部混凝土質量進行檢測，進一步確定缺陷區域及其深度范圍。第三步，結合外觀檢測及CT檢測成果，選取病害及缺陷區域最不利部位進行鉆孔，采用內窺鏡對其內部混凝土進行內窺檢測，更加直觀準確的掌握病害及缺損狀況。最后，綜合外觀檢測、CT檢測及開孔內窺檢測的檢測成果，明確底板混凝土存在的病害缺陷的主要特征，分析橋梁現有缺損的范圍、深度等，為下一步的加固設計和橋梁養護提供技術支持，為橋梁的管理與維護決策提供科學依據。

2 工程實例分析

2.1 層析掃描剖面設置

圖2是一座連續梁0號塊層析掃描的剖面布置圖，該橋0號塊在澆筑完成脫模后發現底板位置存在混凝土松散離析的缺陷區域，為探明該0號塊底板內部混凝土質量情況，采取了本文1.2節所述檢測方法，首先進行了外觀檢查，初步確定病害范圍，掌握病害特征。底板外觀檢測缺陷展示如圖3所示。

由外觀檢測成果展示圖可知，在0號塊底板肉眼可見位置，存在三個混凝土缺陷區域，分別為A區，B區，C區，其中A區缺陷區域面積約1.55 m2,B區缺陷區域面積約1.83 m2,C區缺陷區域面積約0.95 m2。本次檢測在0號塊底板深度范圍內共布置了三個剖面，CT剖面均布置為矩形，激振點與受信點相距7.5 m，剖面覆蓋整個0號塊底板范圍。

2.2 層析掃描檢測結果及綜合分析

本次層析掃描每個剖面各測得256條測線。通過現場標定，受測位置混凝土強度達到C50標準時，彈性波波速應超過4 200 m/s。本項目將上述指標作為最終檢測結果的評定標準。

經軟件處理后分析,每個深度的檢測剖面得到一幅CT波速分布圖像(見圖4～圖6)。圖中用顏色展示波速的分布，顏色由深灰色到黑色代表彈性波波速由3.0 km/s到6.0 km/s。根據前面提到的評定標準，波速云圖中淺灰至黑色區域均為低速異常區域即為混凝土缺陷區域，表示該區域混凝土不密實、質量差。

由各剖面波速分布圖可知：1)在剖面1位置，即距離底板8 cm深的內部混凝土平均波速低，表明該區域混凝土質量差。該深度混凝土存在3個低速異常區域，缺陷區域范圍覆蓋底板表面混凝土缺陷區域(圖中灰線包圍范圍為外觀檢查中探明的底面表面混凝土缺陷區域)，且侵入支座上座板及防落梁裝置覆蓋范圍。其中，A區對應位置缺陷區域面積1.3 m2,B區對應位置缺陷區域面積2.6 m2,C區對應位置缺陷區域面積1.0 m2。2)在剖面2位置，即距離底板16 cm深的內部混凝土平均波速一般，表明混凝土施工質量較差。該深度混凝土同樣存在3個低速異常區域，缺陷區域范圍處于底板表面混凝土缺陷區域內，但面積較小。其中，A區對應位置缺陷區域面積0.1 m2,B區對應位置缺陷區域面積0.4 m2,C區對應位置缺陷區域面積0.5 m2。3)在剖面3位置，即距離底板28 cm深的內部混凝土平均波速較好，波速分布均勻，表明混凝土質量好。該深度混凝土不存在低速異常區域。

此后，在波速異常區域內進行鉆孔驗證，鉆孔直至混凝土密實位置為止。采用內窺鏡對其內部混凝土進行內窺觀察，更加直觀準確的掌握病害及缺損狀況。鉆孔結論為A區缺陷深度最大為21 cm,B區缺陷深度最大為20 cm,C區缺陷最大為19 cm。

綜合外觀檢測、層析掃描檢測及鉆孔內窺檢測成果分析可知：A區域混凝土松散離析缺陷在底板混凝土內呈錐形分布。越接近底板，缺陷區域面積越大，缺陷區域面積最大處約1.55 m2，深度約21 cm；B區域混凝土松散離析缺陷在底板混凝土內部呈錐形分布。越接近底板，缺陷區域面積越大，缺陷區域面積最大處約2.6 m2，深度約20 cm；C區域混凝土松散離析缺陷在底板混凝土內部呈錐形分布。越接近底板，缺陷區域面積越大，缺陷區域面積最大處約1.0 m2，深度約19 cm。

2.3 檢測結論驗證

由于檢測結果表明該處混凝土內部存在較大缺陷，故現場施工單位進行了梁體頂升，拆除支座蓋板及防落梁裝置，對缺陷區域混凝土進行鑿除以便進行后續加固維修。在鑿除缺陷區域混凝土過程中，對缺陷區域混凝土面積、深度、性狀進行了測量，實測尺寸均與無損檢測結論能夠較好符合。

3 結語

工程實踐證明，可以將彈性波層析掃描(CT)技術應用到連續梁內部混凝土質量檢測中,本文中介紹的以該技術為核心的檢測方法具有以下優點：1)該檢測方法整體性強，檢測剖面覆蓋范圍廣，不易產生遺漏；2)不僅能夠反映受測位置混凝土強度大小，且能夠反映其密實程度；3)能夠形成界面友好的波速云圖，方便對發現的內部缺陷進行定位及準確描述。

彈性波層析掃描(CT)技術為既有及新建橋梁的混凝土內部缺陷檢測提供了可靠的手段。相信隨著理論研究的深入以及硬件設施的不斷完善，該技術將會有更加廣闊的應用前景。

[1] 呂小彬,孫其臣,魯一暉,等.基于沖擊彈性波的CT技術的原理及在水工混凝土結構無損檢測中的應用[J].水利水電技術，2013(10)：134-135.

[2] 呂小彬,魯一暉,王榮魯,等.沖擊彈性波技術在大體積混凝土無損檢測中的應用[A].水庫大壩建設與管理中的技術進展——中國大壩協會2012學術年會論文集[C].成都：中國大壩協會,2012.

[3] 丁建芳,李蒼松,何發亮.聲波CT技術在橋梁病害評估中的應用[J].聲學技術，2008,27(4)：91-93.

[4] Leslie JR,W J Cheeseman.An ultrasonic method for studying deterioration and cracking in concrete structures[J]. Amer Concrete Inst Proceedings，1949，46(1)：208-210.

Application of elastic wave CT technology in bridge detection

Yuan Hao Tang Ying

(China Railway Southwest Science Academy Co., Ltd, Chengdu 611731, China)

The paper describes basic principles and features of elastic wave CT detection technology, and detects internal quality of express railway continuous beam 0# concrete. Practical application proves that: when the elastic wave broadcasts in the media of concrete, there is mathematical relationship between concrete elastic modulus and strength and wave speed, which has obvious advantages comparing to traditional nondestructive examination method.

continuous beam, elastic wave CT scanning, concrete, quality detection

1009-6825(2017)08-0155-03

2017-01-03

袁 浩(1984- )，男，碩士，工程師； 唐 英(1964- )，女，教授級高級工程師

U446

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