聲波檢測技術在混凝土橋梁檢測中的應用

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混凝土橋梁在環境中受溫度、氣候、雨水和大氣腐蝕的作用，橋梁的負載和使用頻率不斷增加，導致橋梁的耐久性受到考驗，在耦合作用增加的情況下，材料和結構的疲勞壽命加快衰減，橋梁會逐漸產生病害，并且這是一個不可逆的過程。對運營中的鋼結構橋梁進行檢測評估，生成檢測結果和評估報告，并根據現階段橋梁病害類型和病害程度，制訂適合橋梁的加固措施和方案，對保護橋梁結構和提高橋梁承載能力具有重要作用。

1 聲波檢測技術原理及計算

聲波檢測技術是通過聲音傳播的特性來區分橋梁損傷部位，是比較通用的無損檢測技術，其缺點是受外界聲波干擾較大，而外界聲音混雜，因此聲波檢測的主要技術難點是過濾掉非結構傳播的聲音，通過聲音在結構物中傳播的性質來判斷其損傷位置。聲波檢測常用的方法包括超聲波無損檢測技術、沖擊回聲波發射檢測技術。

沖擊回聲波檢測技術的檢測原理是通過沖擊聲波在橋梁檢測結構中的傳播、聲波頻率的變化來確定橋梁損傷位置，該方法取決于橋梁應力結構材料的傳播原理，應用于測試的方式與超聲波相似。沖擊回聲波的發生一般采用聲波轉換器來產生應力波（即脈沖回聲波）和用橋梁機械力產生沖擊回聲波（即應力回聲波）。沖擊回聲無損檢測技術可以實時地反映橋梁結構強度和位置的缺陷。

混凝土結構中聲波的波速計算公式如下：

式中：Vp為縱波波速，km/s；Vs為橫波波速，km/s；E為彈性模量，MPa；σ為泊松比；ρ為混凝土的密度，g/cm3；μ為剪切模量，MPa。

聲波波速Vp與混凝土自身抗壓強度Rb存在一定的系數關系，表達式如下：

式中：參數α的取值為0.25～0.4；參數b的取值為3.0～3.5。通過對混凝土的各項性能指標進行測試（結果如表1所示）可知聲波波速與混凝土的抗壓強度存在回歸關系：

式中：Rb為混凝土抗壓強度，MPa；Vp為縱波波速，km/s。

2 工程概況

文章依據某預應力剛構橋進行分析，該橋全長550m，橋梁為單箱單室變高箱梁，梁頂寬度為22.5m、梁底寬度為11.5m，翼緣板處的懸臂為5.5m，張拉順序由中跨向邊跨進行。1#橋墩在進行張拉時中跨和邊跨表現出底板崩裂的病害，經過加固處理后底板壁出現開裂病害。為驗證合龍段是否存在結構缺陷，梁板強度是否達到設計要求，現決定對該橋進行聲波檢測。混凝土為脆性材料，在進行混凝土抗壓強度驗算時泊松比取值為0.18，混凝土的密度取值為2.6g/cm3。混凝土性能指標測試結果如表1所示。

表1 混凝土性能指標測試結果

3 聲波檢測板設計

為分析橋梁混凝土的質量缺陷，澆筑了尺寸為10m×1.5m×0.35m的聲波檢測板。通過設計缺陷與檢測結果的對比，對聲波檢測技術進行相應的評價。

不同振搗程度、不同強度的聲波檢測板設計如圖1、圖2所示。通過分析該板波速圖可知，未振、過振區波速為4.1km/s，輕振區波速要比未振、過振區的波速高。強度為C50的混凝土波速為5.2km/s；強度為C40的混凝土波速范圍為4.4～5.2km/s；強度為C30的混凝土波速范圍為3.5～4.4km/s。通過比較該結果與表1中的混凝土性能測試結果可知，二者試驗結果一致。

圖1 不同振搗測試板

圖2 不同強度測試板

對橋梁缺陷進行檢測的試驗板如圖3所示，通過分析該板波速圖可知，波速較低的3個區域分別出現于尺寸為20cm×20cm、30cm×30cm的泡沫板以及尺寸為60cm×10cm×5cm的木板。聲波線沿64cm的空心波紋管的外壁進行傳播，不能檢測出管內其他物體的存在。磚塊的聲波波速要高于低標號的混凝土，但無法確定是結構自身引起的。

圖3 缺陷試驗板

4 聲波檢測結果

（1）橋梁頂板。通過對橋梁頂板進行聲波檢測，得到如下結果：此次聲波檢測的面積為1350m2，頂板的聲波速度為4.7km/s，說明混凝土整體強度不低于C45，通過上文公式計算可知該處混凝土強度達到C60，頂板翼緣處聲波速度在2.4～4.0km/s，該處的聲波速度較低，頂板的翼緣處是非主要承受荷載部位，因此對橋梁的整體穩定性影響較小。

（2）橋梁底板。通過對橋梁底板進行聲波檢測，得到如下結果：此次聲波檢測的面積為540m2，底板聲波速度平均值為4.1km/s，經計算可知混凝土整體強度在C40～C45范圍，底板聲波速度分布不均，呈現出中間高兩側低的分布情況，且橋梁底板存在兩條低波速區域，檢測結果說明該橋底板的強度較低。

（3）橋梁腹板。通過對橋梁腹板進行聲波檢測，得到如下結果：此次聲波檢測的面積為324m2，左側腹板波速為4.5km/s，經計算強度不小于C50，右側腹板波速為4.7km/s，經計算強度不小于C60，兩側腹板聲波分布較為均勻，且都存在波速異常區域，但對橋梁腹板的結構強度影響不大。

5 結論

文章通過對聲波檢測技術進行分析，得出了以下結論：

（1）通過對橋梁的頂板、底板、腹板進行聲波檢測可知，橋梁的頂板和腹板波速較高，混凝土具有良好的連續性，存在低波速區域，但對橋梁結構無明顯影響；橋梁底板波速為4.1km/s，且存在波速中間高、兩邊低的分布，結構強度約為C30～C40，該現象表明橋梁的結構受到的影響不可忽視。

（2）通過聲波檢測試驗板的設計證實聲波檢測技術與橋梁的實際運營情況相符，且聲波檢測能反映混凝土自身的均勻性、強度以及是否存在缺陷。