聲波CT成像技術(shù)在橋梁混凝土質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究

楊勁屾 張寒韜 黃歐龍

1. 玉溪市大戛高速公路投資建設(shè)開發(fā)有限公司 云南 新平 653400

2. 云南航天工程物探檢測股份有限公司 云南 昆明 650200

3. 32392部隊 云南 昆明 650222

橋梁工程結(jié)構(gòu)混凝土質(zhì)量是關(guān)系到橋梁安全的關(guān)鍵原因，在橋梁建設(shè)期，往往由于施工工序不合理，施工質(zhì)量不合格等原因?qū)е聵蛄夯炷两Y(jié)構(gòu)存在振搗不實、存有孔洞、出現(xiàn)蜂窩狀等問題。常用的橋梁混凝土襯砌質(zhì)量檢測方法包含回彈法、超聲回彈綜合法等地球物理方法，但僅能反映混凝土的表面強度，無法全面評價混凝土整體強度。而取芯法，貫入法僅是對局部位置進行檢測，且具有破損性，也不能全面評價橋梁混凝土整體質(zhì)量。聲波CT（層析成像）是依據(jù)聲波在介質(zhì)中的傳播規(guī)和射線理論為基礎(chǔ)，在被檢測體外布置數(shù)據(jù)接受傳感器，通過激發(fā)聲波后，采集器接收到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，并建立聲波CT層析成像數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用反演算法進行重建成像，推演結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部的缺陷位置和范圍，結(jié)構(gòu)病害用二維或三維成像技術(shù)展示結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害特征。該方法可對混凝土結(jié)構(gòu)整體或局部進行全面、客觀的無損檢測；除能反映強度外，根據(jù)波速波幅等參數(shù)揭示混凝土內(nèi)部均勻性、密實程度以及各種缺陷特征；檢測精度高、定位準(zhǔn)、分辨率高；其成果直觀、明了，在很大程度上彌補了現(xiàn)有橋梁檢測技術(shù)手段之不足。

混凝土澆筑質(zhì)量無損檢測是利用超聲波在傳播過程中遇到由各種介質(zhì)缺陷形成的界面時會改變傳播方向和路徑，其能量會在缺陷處發(fā)生衰減，造成聲時、振幅、頻率變化的特性，對這些變化進行分析，實現(xiàn)對混凝土質(zhì)量的檢測。傳統(tǒng)CT檢測儀，采用電纜方式傳輸各個觀測點的檢測信號，由中央主機進行數(shù)據(jù)采集和處理。該系統(tǒng)存在一個不便之處是電纜布線復(fù)雜，導(dǎo)致復(fù)雜環(huán)境下探測效率低下。本文應(yīng)用質(zhì)量檢測的聲波設(shè)備是無線聲波CT檢測儀，該設(shè)備通過無線數(shù)據(jù)傳輸完成數(shù)據(jù)采集，極大的提高了效率。

1 聲波CT技術(shù)原理

聲波CT技術(shù)也叫層析成像技術(shù)（CT，Tomography)，利用獲得的被測體的聲波CT數(shù)據(jù)，通過重構(gòu)技術(shù)，重現(xiàn)物體內(nèi)部波速的分布，從而推演物體內(nèi)部的質(zhì)量問題。場源包括X射線、地震波、電磁波、聲波等。

聲波CT層析成像技術(shù)基于波動力學(xué)，通過檢測儀器記錄聲波在激發(fā)點與接受點之間的傳播時間，利用聲波的傳播時間換算成介質(zhì)的波速，然后通過沿線積分路徑進行反投影來重建介質(zhì)速度參數(shù)的分布圖像。利用聲波CT一發(fā)多收系統(tǒng)，在橋梁混凝土一側(cè)發(fā)射，在另一側(cè)接收，獲取聲波在混凝土中的走時數(shù)據(jù)。基于射線理論，成像方法求解如下方程：

式中:lij為第i條射線在第j個單元內(nèi)的路徑長度；Sj=1/Vj是第j個單元的慢度值；ti是第i條射線的走時值。應(yīng)用SIRT方法求解方程1即可得到波速成像圖，通過混凝土構(gòu)件中高低波速的分布情況即可直觀的分析混凝土不密實位置，判定其質(zhì)量情況。

2 無線聲波CT檢測儀簡介

無線聲波CT設(shè)備包含控制總站、震源觸發(fā)子站和若干個檢測子站構(gòu)成，設(shè)備構(gòu)成圖如圖1，各站之間依靠無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通訊，形成一個星形網(wǎng)絡(luò)。控制總站由微型計算機和無線通信模塊組成，負責(zé)向各子站發(fā)布命令，指揮系統(tǒng)工作，并回收采集數(shù)據(jù)，繪制檢測曲線。檢測子站由數(shù)據(jù)采集模塊和無線通信模塊組成，負責(zé)檢測信號的數(shù)據(jù)采集和傳送。震源觸發(fā)子站在激發(fā)時發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令。

圖1 無線聲波CT質(zhì)量檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 工程應(yīng)用

應(yīng)用聲波CT技術(shù)檢測的混凝土為某高速公路特大橋箱梁，該箱梁左側(cè)存在細小裂縫，為查明該裂縫的影響范圍并與箱梁右側(cè)梁板質(zhì)量進行對比，本次研究采用了聲波無線CT檢測儀對該箱梁兩側(cè)混凝土進行了質(zhì)量檢測，獲得了橋梁箱梁混凝土質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)先進行初至波拾取，獲得每個震源點的走時文件，應(yīng)用SIRT算法對走時文件進行了圖像重構(gòu)，獲得成像結(jié)果如圖2和圖3。

圖2 橋梁混凝土聲波CT成像成果（箱梁左側(cè)）

圖3 橋梁混凝土聲波CT成像圖（箱梁右側(cè)）

由圖1可知，箱梁左側(cè)梁板混凝土整體平均波速在3800m/s左右，無明顯低波速區(qū)域，說明檢測對象混凝土密實性較好，表面裂縫并無較大影響，可以正常使用。

由圖2可知，箱梁右側(cè)梁板混凝土整體波速在4000m/s左右，無明顯低波速區(qū)域，說明該梁板混凝土密實性較好，施工質(zhì)量控制得當(dāng)，可以正常使用。

4 結(jié)語

本文應(yīng)用無線CT檢測儀對混凝土箱梁一側(cè)梁板進行了質(zhì)量檢測，應(yīng)用SIRT重構(gòu)技術(shù)呈現(xiàn)了混凝土波速的分布，成果顯示混凝土波速正常，質(zhì)量沒有問題。

應(yīng)用聲波CT成像技術(shù)可以完整，清晰的呈現(xiàn)混凝土內(nèi)部不同部位波速的分布，波速的高低表示混凝土的完整性和密實性，總體上能評價混凝土的質(zhì)量。相比于回彈法，聲波CT成像更能全面的反應(yīng)橋梁箱梁混凝土整體的質(zhì)量，可推廣應(yīng)用于橋梁混凝土質(zhì)量檢測與評價。