聲波檢測技術在混凝土橋梁檢測中的應用

陸 林

（蘇州東振路橋工程有限公司中心試驗室，江蘇 蘇州 215000 ）

1 工程概況

某橋梁主橋長為550m，為預應力混凝土連續剛構橋，梁體為單箱單室三向變高箱梁，底寬為11.5m、頂寬為22.5m，翼緣板懸臂長為5.5m，在實施合龍張拉時，應按照從中跨到邊跨的順序。在對1#橋墩進行張拉施工過程中，邊跨和中跨的混凝土存在底板崩裂現象，對其進行加固后，仍存在底板壁開裂問題，因此應采用聲波檢測技術對其進一步實施檢測。

2 聲波波速與混凝土橋梁結構強度之間的關系

聲波檢測技術也稱為聲波透析成像技術。聲波在混凝土內部傳遞的過程中，其波速、波頻以及波速會發生相應的變化，通過對這些信號進行數字處理，可以了解混凝土橋梁內部的主要構造，分析混凝土橋梁結構的病害，本文主要研究波速與混凝土橋梁結構強度之間的關系。聲波波速主要分為橫波和縱波兩種，通過聲波波速的研究可以了解混凝土橋梁結構強度，縱波和橫波波速計算公式為：

其中：剪切模量為μ（MPa）；混凝土密度為ρ（g/cm3）；泊松比為σ；彈性模量為E（MPa）；橫波波速為Vs（km/s）；縱波波速為Vp（km/s）。本文中混凝土密度為2.6g/cm3 ，泊松比為0.18。

通常波速與標準試塊抗壓強度之間存在正相關關系，公式為：

其中：縱波波速為Vp（km/s）；回歸參數為α、b；混凝土抗壓強度為Rb（MPa）。由于不同區域混凝土骨料成分也各不相同，因此其抗壓強度回歸參數也不盡相同，通常b 取值應在3.0～3.5 的范圍內，α取值應在0.25～0.40 的范圍內。

在該工程中，聲波波速以及混凝土抗壓強度回歸關系為：

3 對聲波檢測技術的運用

3.1 聲波檢測技術在混凝土橋梁頂板檢測中的應用

在對本橋梁頂板進行聲波檢測時，其面積為1310m2，通過檢測可知該頂板波速均值為4.69km/s，當混凝土強度大于C45 時，頂梁板主體中間位置混凝土強度和聲波波速較高，其波速大于4.81km/s，且分布連續、均勻。但是頂板兩翼的位置波速較低，頂板右翼位置存在較為明顯地低波速帶，寬度為2～3m，波速為2.3～4.1km/s，由于該部分非主要受力部位，因此其并不會對橋梁結構整體穩定性產生影響。

3.2 聲波檢測技術在混凝土橋梁底板檢測中的應用

對橋梁底板進行聲波檢測時，其面積為540m2，混凝土強度設計值范圍為C40～C45，其波速均值是4.10km/s。底板的強度和波速分為非常不均勻，中間位置的波速均值大于4.10km/s，四周有50%左右的面積區域波速小于3.1km/s。由于底板腹板和兩翼之間相互連接，因此其對梁體強度有較大的影響。根據檢測結果可知，底板右側腹板和邊緣連接處存在波速均值小于2km/s的低波速區域，寬度為2～3m，左側連接處存在波速均值小于3km/s 的低波速區域，寬度為1～1.5m，該兩處區域為底板裂縫存在的主要位置。

3.3 聲波檢測技術在混凝土橋梁左腹板檢測中的應用

對橋梁左腹板進行聲波檢測時，其面積為324 m2，混凝土強度大于C50，其波速均值為4.5km/s，較為均勻，因此可知左腹板的施工質量良好。但是在大里程和小里程側存在局部性高低速異常區域，主要位于左腹板下方，但是由于異常幅度較小，因此不會對腹板穩定性產生過大的影響。

3.4 聲波檢測技術在混凝土橋梁右腹板檢測中的應用

對橋梁右腹板進行聲波檢測時，其面積為324m2，混凝土強度為C60，其聲波波速均值為4.70km/s，分布均勻，且與左腹板相比，其強度和波速較高，因此該處質量較好。與下部相比，上部波速較低，且上部有一條低速異常區域，寬度為1m，波速均值為4.1km/s，下部波速均大于4.6km/s。綜上，該橋梁右腹板沒有嚴重病害，強度較高，質量良好。

4 檢測結果要析

以上述左右腹板、底板以及頂板的檢測結果進行分析可知，箱梁左右腹板和頂板混凝土的檢測波速較高，分別為4.4.2km/s、4.62km/s 以及4.73km/s，且混凝土強度均符合C50～C70 的設計要求，且混凝土結構具有良好的連續性和質量，沒有出現貫通性低速結構缺陷。但是底板波速均值為4.07km/s，與其他部位相比波速較低，且分布較為不均勻，而在其與腹板的連接處波速為3.1km/s，波速較低，因此可知此處質量缺陷較為明顯，會對橋梁質量產生較大明顯。通過深層檢查可知，這些低速條帶區域內的裂縫為發育狀態，需施工單位實施治理。

為了對本橋梁的混凝土結構所存在的質量缺陷進行進一步的分析，試驗人員應制備不同強度的試驗板，并對其進行聲波測試。在對試驗板進行制備時，應使用直徑為20mm 和8mm 的鋼筋，其尺寸為10m×1.5m×0.35m。圖1～圖3 為試驗板的主要設計情況。對三種不同的混凝土試驗板實施聲波檢測，并對比其設計缺陷和檢測結果，可以對本工程中的橋梁聲波檢測準確性進行判斷和分析。

圖1 為不同振搗情況下試驗板的設計圖，圖2 為本工程對不同強度試驗板進行聲波檢測的主要設計圖，通過對試驗板的CT 剖面波速圖進行分析可知，在過振和未振區域聲波的傳播速率都比較低，都小于4.1km/s，而聲波在輕振區域的波速較高，均大于4.1km/s。混凝土標號為C50 時，波速達到最高，為5.2km/s，混凝土強度為C30 時，其波速最低，范圍在3.5～4.4km/s 之間，混凝土強度為C40 時，波速范圍為4.4～5.2km/s。

圖1 振搗不同的試驗板設計圖

圖2 強度不同的試驗板設計圖

圖3 為對聲波檢測缺陷試驗板的設計圖，通過對缺陷試驗板的CT 剖面波速進行分析可知，低速較為明顯的三個區域分別對應設計梁的60cm× 10cm×5cm 木板、30cm×30cm 泡沫板以及20cm×20cm 泡沫板。在試驗過程中，對激發點和檢波器進行布置的間距應為25cm，所使用的計算網格0.25m×0.25m，由于其分辨率較大，因此無法對10cm×10cm 泡沫板的異常進行判斷；空心波紋管的直徑為15cm、長度為65cm，其橫截面較小，使用高速聲波檢測射線進行檢測時，會繞過全部的外側壁，因此無法對空心波紋管的異常進行判斷；在對低體積磚塊實施檢測時，以低標號混凝土相比，其波速較高，在檢測結果途中顯示為高速，但是并不能對磚塊內是否存在缺陷進行判斷。

圖3 聲波檢測缺陷試驗板的設計圖

4 結語

（1）以橋梁工程實際為依據，對聲波CT 檢測試驗結果進行分析可知，其與施工實際相符，通過波速分布圖可以對橋梁澆筑均勻性、混凝土缺陷及強度等情況進行更加準確和清晰的判斷。

（2）通過對不同強度試驗板進行試驗和分析可知，其聲波散射時程下部為散射能量，上部為二維瞬態譜，二維瞬態譜的縱軸為頻率，橫軸為傳播時間（距離）。通過對聲波散射時程進行記錄，可以對頻率能量的時間分布進行分析，并以此對混凝土缺陷進行分析。根據試驗結果可知，在混凝土試件1～2m 處出現強散射能量的主要原因是因為端頭附近存在空區或敲擊產生的影響，從中可看出在波紋管10.5～11.2m、7～7.4m、4.2～4.9m 以及3.0～3.4m的位置存在缺陷，總長度為2.2m。

綜上，在對混凝土橋梁進行檢測過程中，聲波無損檢測技術具有較大的前景，該種技術可以使橋梁波紋管注漿位置定位、缺陷大小以及梁板澆筑質量檢測精確度進一步提高，可以為今后橋梁工程施工提供借鑒。