聲波檢測技術在混凝土橋梁檢測中的應用分析探究

祝俊平

(蘇交科集團股份有限公司 江蘇南京 210019)

隨著我國社會經濟的發展，混凝土橋梁建設規模和數量也不斷增加，人們對混凝土的質量要求也越來越高，為了使橋梁建設質量進一步提高，檢測單位應對混凝土橋梁實施檢測，確保橋梁運行安全性。在混凝土橋梁檢測過程中，聲波檢測技術可以對波紋管注漿缺陷以及整體澆筑質量等進行分析。因此，檢測單位應以工程實際情況為基礎，使用聲波檢測技術對橋梁進行檢測，及時發現結構中的病害并進行處理。

1 混凝土橋梁檢測過程中聲波檢測技術的優勢

在混凝土橋梁檢測過程中，傳統的檢測方式不但存在誤差較大的問題，還會對橋梁造成傷害。隨著科技的發展，聲波檢測技術越來越成熟，相較于傳統檢測技術，聲波檢測技術可以在不破壞橋梁結構的前提下，對潛在問題進行檢測，且具有檢測誤差較小的特點。與此同時，在聲波檢測技術實際應用過程中，還具有檢測成本較低、檢測時間較短以及檢測工作效率較高等優點。因此，該項檢測技術在混凝土橋梁檢測過程中應用越來越廣泛。通過使用聲波檢測技術對混凝土橋梁實施檢測，可以使檢測準確性進一步提高，及時發現混凝土橋梁存在的缺陷，不但可以為混凝土橋梁質量控制提供借鑒，還可以為混凝土橋梁后期保養和維護提供參考。

2 混凝土橋梁結構強度和聲波波速的關系

通過對橋梁定期實施檢測，不但可以了解橋梁的使用狀態，還可以為后續橋梁養護奠定基礎。使用聲波檢測技術對橋梁實施檢測過程中，可以在不破壞橋梁本身結構的前提下，對區域實施覆蓋性檢測，及時發現質量隱患，為混凝土橋梁質量控制和橋梁使用過程的保養和維修提供借鑒。聲波檢測技術主要以混凝土中聲波傳遞過程中波動、波速等數據變化情況為基礎，通過對其進行處理，達到分析橋梁內部構造的目的[1]。在實施聲波檢測過程中，為了準確地判斷隱患所在的具體位置，檢測人員應將一些非結構傳播聲音過濾掉，并對橋梁結構強度和波速之間的關系進行分析，在此過程中，檢測人員可以從縱波和橫波兩個方向出發進行分析，主要公式如下。

式（1）中，Vp為縱波波速，單位：km/s；Vs為橫波波速，單位：km/s；E為彈性模量，單位：MPa；ρ為混凝土密度，單位：g/cm3；μ為剪切模量，單位：MPa；σ為泊松比。在混凝土橋梁檢測過程中，泊松比、剪切模量以及彈性模量都是表示介質力學性質的重要參數，由于混凝土為脆性材料，因此，在混凝土橋梁試驗過程中，混凝土密度取2.6 g/cm3，泊松比取0.18。

在具體工程檢測過程中，其標準試塊的波速和抗壓強度之間呈正相關關系，根據試驗測試數據可知，兩者之間為冪指數關系，關系式如下。

式（2）中，Vp為縱波波速（單位：km/s）；α、b為回歸參數；Rb為混凝土抗壓強度（單位：MPa）。由于不同地區其混凝土骨料組成不同，因此抗壓強度回歸參數也各不相同，通常情況下，回歸參數b的取值范圍為3.0～3.5，回歸參數α的取值范圍為0.25～0.40。

在檢測過程中，檢測人員應以混凝土力學性能指標試驗測試結果為基礎，對混凝土抗壓強度進行分析。通常情況下，當混凝土橋梁強度等級為C30～C80時，聲波縱波波速范圍應為3.7～4.8 km/s，其抗壓強度范圍為16.7～50.2 MPa，檢測人員可以將該數值作為參考值，對混凝土強度進行分析和評價。與此同時，當混凝土強度等級為C15～C25 時，其聲波波速應大于3.5 km/s，若檢測所得到的聲波波速小于3.5 km/s，則該區域混凝土結構可能存在缺陷。。

3 聲波檢測技術的基本方法

在混凝土橋梁聲波檢測過程中，主要檢測內容包括表面損傷層厚度、混凝土結合面質量、混凝土內部不密實區和空洞、裂縫深度、混凝土強度等內容。當前聲波檢測技術的基本方法主要分為如下幾種。

3.1 透射波法

在混凝土橋梁檢測過程中，相較于反射波法和折射波法，透射波法所獲得的能量更大，其具有各類波形易于辨認，波形干擾較小、清晰等特點。在使用透射波法進行檢測過程中，檢測人員應對發射探頭和接收探頭之間的距離進行測量，并對其測量精確度進行控制，防止產生檢測誤差[2]。若兩者之間的距離無法準確測量時，檢測人員應采取多點測定的方式進行檢測。當被測混凝土存在裂縫或較大的損壞導致聲波衰減系數增加，或檢測距離較大時，檢測人員可使用錘擊法對其進行檢測。通過使用透射波法可以得到聲波的波速情況，進而達到檢測混凝土橋梁質量的目的。

3.2 反射波法

使用接收換能器和發射換能器對混凝土橋梁質量進行檢測。檢測人員應先使用發射換能器發射超聲波，超聲波在混凝土中傳播并產生反射波，使用接收換能器接收反射波，通過分析反射波的波速等可以得到混凝土橋梁的質量情況。在該檢測過程應用過程中，為了便于追蹤反射波，保障波形的穩定性，檢測人員應對接收探頭和發射探頭之間的距離進行控制[3]。與此同時，在發射探頭測區中，反射波法可以對截面相距較近的反射波進行分辨，具有干擾較小的特點。當觀測點與發射探頭距離較近時，反射波射線方向通常與反射面的法線一致，波形更清晰，可以使檢測準確性進一步提高。

聲波在混凝土傳播過程中，由于波前的阻尼和凝滯等吸收作用以及發散作用，波內壓縮部分和稀疏部分之間的輻射和熱傳導作用，在反射波形成過程中，隨著距離的增加，入射波的振幅也會出現按指數規律衰減的情況。與此同時，混凝土裂縫長度和寬度、破碎程度，界面曲率，層理以及節理等因素也會導致振幅出現衰減，因此，在計算過程中，檢測人員應綜合考慮各種因素，使計算準確性進一步提高。

4 聲波檢測技術的應用實例

在某橋梁施工過程中，其施工總長度為550 m，頂部實際寬度為22.5 cm，底部實際寬度為11.5 cm。在實施合攏張拉施工過程中，施工人員嚴格按照施工方案和規范進行施工，但是中跨和邊跨混凝土底板出現了崩裂的問題，通過對其實施加固處理后，仍存在開裂問題，為了保障其施工質量，應使用聲波檢測技術對該混凝土橋梁實施檢測。

4.1 在混凝土橋梁頂板檢測中聲波檢測技術的應用

該橋梁頂板總面積共1 310 m2，測得的平均波速為4.69 km/s，由此可知該橋梁頂板混凝土強度大于C45。通過觀察可知，頂板中間位置的波速較高，最高可達4.81 km/s，且分布呈現出均勻連續的特點，而頂板兩翼波速值則相對較低，出現了較為明顯的低波速帶，寬度為2～3 m，其波速大小為2.3～4.1 km/s，由于該位置非橋梁的主要荷載區域，受力相對較小，因此不會對橋梁穩定性產生影響。

4.2 在混凝土橋梁底板檢測中聲波檢測技術的應用

該橋梁底板檢測總面積共為540 m2，測得的平均波速為4.10 km/s。使用聲波檢測技術對其底板進行檢測時，通過觀察可知，該橋梁底板呈現出中間高、兩側低的分布狀態，波速分布不均勻，且存在明顯的低波速區域，由此可知其底板強度相對較低。與此同時，通過對檢測結果進行分析可知，底板左側存在寬度為1～1.5 m的低波速帶，波速小于3 km/s；底板右側存在寬度為2～3 m的低波速帶，波速小于2 km/s。結合實際施工情況進行分析可知，該橋梁底板位置存在裂縫，檢測單位應對底板裂縫及時進行處理，保證其使用質量和安全性[4]。

4.3 在混凝土橋梁左腹板檢測中聲波檢測技術的應用

該橋梁左腹板檢測總面積為324 m2，混凝土強度等級應大于C50，通過檢測可知左腹板的平均波速為4.5 km/s，符合混凝土強度等級要求。與此同時，根據檢測結果可知其左腹板下方幅度較小，但是整體施工質量較好，不會對其整體穩定性產生較大的影響。

4.4 在混凝土橋梁右腹板檢測中聲波檢測技術的應用

該橋梁右腹板檢測總面積為324 m2，其混凝土強度等級應大于C60。根據檢測結果可知，右腹板的平均波速為4.70 km/s，而且數據分布較為均勻，相較于左腹板，其波速和強度較高，其使用效果和質量較好。但是，在其上部存在一個寬度為1 m的低速異常區域，波速為4.1 km/s，通過對其進行進一步檢查，并沒有發現病害，且該處強度符合要求，由此可知，該橋梁右腹板質量滿足要求。

5 分析檢測結果

通過對該橋梁頂板、底板、右腹板以及左腹板實施聲波檢測可知，該橋梁結構右腹板、左腹板以及頂板沒有明顯的結構缺陷。但是在對底板進行檢測過程中，其波速存在分布不均勻的情況，且存在較為明顯的低速帶，通過進一步的分析可知，該橋梁底板處存在裂縫，且裂縫處于發育狀態。為了保障橋梁施工質量，使橋梁運行安全性進一步提高，檢測單位應對橋梁底板裂縫進行合理處理[5]。

為了對混凝土橋梁結構中的質量問題進一步分析，檢測人員應以實際施工情況為基礎，制定不同強度的試驗板，并對其進行聲波檢測試驗[6]。在對試驗板進行制作過程中，所用的鋼筋直徑為8 mm 和20 mm，試驗板的設計情況見圖1和圖2。其中，圖1是以不同振搗條件下的試驗板設計圖，圖2 是以不同強度等級的混凝土試驗板的設計圖。使用聲波檢測技術分別對其進行試驗可知，聲波在非震蕩區和震蕩區的傳播速度較低，均不超過4.1 km/s，但是在輕微震蕩區中，聲波的傳播速度相對較快，均大于4.1 km/s。當混凝土強度等級為C30 時，波速相對較低，為3.5～4.4 km/s；當混凝土強度等級為C50時，其波速達到最大值，為5.2 km/s。與此同時，試驗板中缺陷較為明顯，通過對不同缺陷的試驗板進行聲波檢測，可以了解各缺陷的主要表現，為實際工程缺陷分析提供借鑒。通過對3個不同強度等級混凝土結構試驗板的聲波散射時程進行記錄可知，其下部為散射能量，上部為二維瞬態譜，且二維瞬態譜縱軸表示頻率，橫軸表示波速傳播時間（距離）。通過對聲波散射時程結果進行進一步分析可知，當傳播時間不同時，其所對應的頻率能量分布也各不相同，因此，檢測人員可以以能量強弱為依據，對混凝土試件缺陷、強度進行分析。在此過程中，通過對波速散射時間軸（橫軸）中散射能量所在的空間位置進行分析可知，小面積缺陷是導致該混凝土結構試件出現散射波高頻能量的主要原因。

圖1 不同振搗前提下的試驗板設計圖

圖2 不同混凝土強度等級的試驗板設計圖

除此之外，通過對該橋梁工程聲波檢測缺陷試驗板進行模擬，根據檢測結果可知，在對缺陷試驗板CT剖面波速進行分析時，3 個低速區域主要位于設計梁木板（60 cm×10 cm×5 cm）、泡沫板（30 cm×30 cm）、泡沫板（20 cm×20 cm）位置處。在該試驗中，激發點和檢波器之間的距離為0.25 m，并使用0.25 m×0.25 m的計算網絡對其進行分析，由于其分辨率較大，無法準確分辨泡沫板（10 cm×10 cm）中的異常體；與此同時，對直徑為15 cm、長度為65 cm的空心波紋管實施檢測時，由于其橫截面相對較小，導致幾乎全部的高速聲波檢測射線都繞過外側壁實施傳播，無法準確分辨空心波紋管中的異常體；在使用聲波檢測法對結構中體積相對較小的磚塊進行檢測過程中，其聲波波速大于混凝土的標號，該處所顯示顏色較深，波速較高，但是不能完全確定該現象是否是由磚塊本身引起的。

通過對比橋梁工程實際情況和聲波CT 檢測試驗結果可知，試驗結果的聲波波速分布圖準確性和清晰度較高，可以準確反映橋梁工程的混凝土缺陷、強度以及澆筑均勻性等情況，試驗結果符合實際情況。

6 結語

檢測單位應選擇合理的檢測方式對其進行檢測，由于聲波檢測技術具有諸多優點，因此，在混凝土橋梁檢測過程中，其應用越來越廣泛。在使用聲波檢測技術進行檢測過程中，檢測人員應以實際施工情況為基礎，對混凝土橋梁的各個構件進行檢測，并以聲波檢測結果為基礎，對混凝土橋梁中可能存在的缺陷進行合理判斷。與此同時，為了使檢測結果準確性進一步提高，檢測人員還應根據工程實際要求制定試驗板，并以試驗板檢測結果為依據，對混凝土橋梁缺陷原因及特點進行分析，保障橋梁的建設質量，使橋梁使用安全性進一步提高，促進我國橋梁工程事業的發展。