PC連續梁無損檢測中彈性波層析掃描法的應用

摘要 在概述彈性波層析掃描技術檢測原理的基礎上，文章以某公路PC連續梁為例，對其0#塊結構混凝土和橋面板與鋪裝層脫黏檢測方案展開試驗，根據所確定出的試驗參數，對無損檢測實施過程及結果進行了分析探討。結果表明，該檢測技術操作簡便，結果準確可靠，能快速直觀地反映出混凝土內部質量缺陷尺寸、類型和位置。

關鍵詞 PC連續梁；無損檢測；彈性波；層析掃描法

中圖分類號 U446.1 文獻標識碼 B 文章編號 2096-8949（2023）08-0041-03

0 引言

無損檢測是在不破壞結構物本來狀態及化學性質的基礎上，借助一定的檢測手段測試、評估結構狀態和性能的測試過程。當前，無損檢測技術常用的媒介包括射線、沖擊彈性波、磁粉、渦流等。其中，射線檢測定位準確，能獲取直觀的缺陷圖像，在焊縫檢測方面較為常用，但是檢測速度慢、成本高，對生物細胞具有一定的殺傷性。渦流、磁粉等檢測僅適用于構件表面缺陷。沖擊彈性波雖對金屬、非金屬及復合材料無損檢測均較為適用，具有較強的穿透能力，但檢測結果的精度仍有待深入研究。該文依托具體橋梁工程，對彈性波層析掃描技術在PC連續梁（Precast Concrete，預應力連續梁）無損檢測中的應用流程展開分析探討，為該技術在公路橋梁質量檢測領域的推廣應用提供參考借鑒。

1 彈性波層析掃描技術原理

彈性波泛指巖土、混凝土等結構材料內部因受到應變或力的作用而產生的擾動波。基于投影理論和彈性波理論發展而來的層析掃描技術能較為直觀、全面地對混凝土、巖土等結構內部質量展開檢測，當彈性波經過結構內缺陷區域或軟弱區域時，便會發生繞射，波速隨之降低[1]。借助計算機軟件反演、推算波速變化趨勢，便可判斷出結構內部是否存在缺陷及軟弱區域；如果存在，還能準確地確定出缺陷大小及所在位置。

彈性波層析掃描技術依據走時成像原理，以速度函數信號為投影數據，在網格計算模型中，運用迭代重建技術與約束最小二乘類算法，反演推求出檢測斷面的彈性波速分布，完成斷層掃描成像，并根據斷面彈性波的波速分布，展開待測材料內部缺陷及質量的判定與評價[2]。彈性波的波速并非固定值，當彈性波的波長比待測結構物三維尺寸小時其波速便表現為三維速度，表示如下：

當彈性波波長較長且結構物為平板結構時，彈性波二維波速表示如下：

式（1）～（2）中，VP2——二維彈性波波速（m/s）；VP3——三維彈性波波速（m/s）；Ed——動彈性模量（GPa）；ρ——待測材料密度（kg/m3）；μ——待測材料泊松比。考慮到混凝土動彈性模量和結構強度相關關系較好，故彈性波的波速和結構強度之間也存在較好的相關關系，故可根據彈性波波速，對混凝土質量展開評定，具體標準見表1。

結合大量橋梁、隧洞、風電基礎、渡槽等混凝土面板芯樣的檢測結果，抗壓強度與彈性波相關關系見圖1，其中彈性波波速測定主要依據的是ASTM標準。根據圖中內容，混凝土芯樣抗壓強度和彈性波波速之間存在較好的相關關系，相關系數值達到0.92，兩者的關系基本滿足表1中的判定標準。

此處所提及的判斷標準通常適用于混凝土質量優劣的定性判斷，主要原因在于不同情況混凝土強度與彈性波波速的關系主要受到含水量、內外部環境、鋼筋數量、骨料類型、級配、養護情況等因素的綜合作用。故該文所提出的判定標準作為同種混凝土總的評價原則基本適用。為定量分析混凝土質量，必須通過工程現場鉆芯取樣強度對彈性波波速展開率定，構建具體工程混凝土強度和彈性波波速的相關關系[3]。

在實際檢測的過程中，待檢測結構對立面相同高度處測點設置情況見圖2，激振點和接收點依次布置在結構對立面。激振點依次激振后發出彈性沖擊波，對立面所設置的接收點依次接收到全部激振點所發送的彈性波信號，并最終在檢測斷面中形成交叉測線分布局面。為保證檢測效果，必須結合工程實際及測試目的，進行測點密度的合理選擇。通常情況下，測點密度越大，測線越多，測試結果準確度也越高。

2 檢測試驗

某公路PC連續梁右幅樁號為CK5+400～CK5+642，橋梁長242 m，寬17 m，采用變截面預應力連續箱梁形式，梁高和底板厚度均采取圓弧形過渡處理。邊腹板斜率為1∶2，橋墩為雙柱式框架結構，基礎為鉆孔灌注樁群樁。該橋梁右幅段二次混凝土澆筑施工已經完成，在頂板結構養護期間發現，箱梁頂板處出現大量裂縫。為及時掌握橋梁右幅段箱梁混凝土內部質量，技術人員隨即組織并展開了箱梁混凝土無損檢測。

在該PC連續梁0#塊施工過程中，因鋼筋和三向預應力管道布置較為密集，影響混凝土澆筑施工時下料及振搗密實度，進而引發結構內部空洞、表面麻面蜂窩，不利于結構施工質量的提升。為此，必須應用彈性波層析法檢測0#塊內部質量。彈性波層析掃描檢測標準及檢測結果受施工環境的影響較大，故應結合施工環境展開檢測試驗，對檢測方案合理性、檢測方法有效性、檢測數據能否真實反映混凝土內部情況等作出判斷，以保證檢測結果真實合理。

2.1 0#塊試驗方案

在該橋梁施工現場制備3塊長1.0 m、寬1.0 m、高0.5 m的試塊，依次編號為S1～S3，其中S1和S2試塊為檢測試塊和備用試塊，中心處均設置孔徑38 mm的孔洞，S3試塊不設置孔洞。所有試塊均使用與PC連續梁0#塊相同配比和相同強度的C60干硬性混凝土澆筑成型，不振搗，試驗室養護。

考慮到彈性波傳播介質對構件厚度有一定要求，測點與構件邊緣的距離應保持在20 mm以上，故在混凝土試塊激振端和受信端分別布置9排測點，測點橫縱向間距分別為5 cm和10 cm。測點布置密度滿足混凝土結構內部孔洞檢測要求。檢測開始前，在激振端任意選取3～4排測點展開敲擊檢測，并相應調整受信側感應器，采集并分析測區內數據，出具所檢測斷面二維層析掃描圖像。檢測試驗所用到的設備主要有量程0.05～70 m的GLM7000型激光測距儀，量程0～30 m、精度1 mm的纖維卷尺，量程100～50 000 Hz、精度0.1 dB的SCE-CT型混凝土結構掃描儀。

該PC連續梁0#塊采用C60混凝土，但由于含水量、鋼筋數量及骨料等的差異，必須通過現場原位檢測標定波速，并調整和優化試驗標準。層析掃描圖像中顏色越深說明波速越高。對現場檢測結果展開處理后得出的0#塊波速均值在4.1 km/s以上，并根據試塊實際強度確定檢測評價標準。

2.2 橋面板和鋪裝層脫黏試驗方案

結合筆者對大量工程實踐的調查分析，造成橋面板和鋪裝層脫黏的原因主要有橋面板表面含水潮濕、表面板清理不干凈、防水黏結層噴灑不均等。結合彈性波層析掃描檢測原理，擬定出鋪裝層－空氣界面、鋪裝層－水界面、鋪裝層－沙土界面、鋪裝層－橋梁面板無防水黏結層界面、鋪裝層與橋梁面板有防水黏結層等界面形式，并分別制備試樣展開檢測試驗。

為通過試驗檢測判斷不同黏結情況缺陷所在，必須先擬定不同黏結界面區分的試驗參數，展開各界面聲學參數差異分析。具體見表2。

3 無損檢測實施

3.1 測點布置

在以上檢測試驗的基礎上，該PC連續梁彈性波層析掃描檢測主要采用三發一收的形式，以提高成像效果。通過設置三個激振點，在待檢測混凝土結構中形成致密交叉射線網絡，并結合激發和接收關系確定射線傳播進程。具體而言，現場選擇連續梁表面裂紋較為嚴重的3個剖面實施彈性波層析掃描檢測，檢測剖面為縱橋向長1.6 m、橫橋向寬2.2 m的矩形平面，并在各個剖面的對立面相應位置布設17個測點，其中激振點依次標號為F1～F17。彈性波信號的激發通過錘擊實現，S1～S17為彈性波信號接收點。每對激振點和接收點形成1條測線，單個剖面共布置289條測線。

3.2 檢測結果

對配比及養護條件均相同的標準試塊展開彈性波波速測試，所得到的PC連續梁混凝土波速在3 700～4 200 m/s范圍內，以此為混凝土內部質量評價的參考值。

應用計算機軟件處理檢測數據后，各檢測剖面均得出1個彈性波波速分布圖像。其中波速分布情況通過不同顏色標出，且波速位于3 700～4 200 m/s范圍內的顏色對應的區域屬于波速正常區，意味著相應位置混凝土內部密實良好；而波速在3 700 m/s以下的范圍為低波速區域，波速在4 200 m/s以上的為高波速區域，后兩者均屬于波速異常區，意味著相應位置混凝土可能存在缺陷。

根據測試結果，剖面1中彈性波波速在3 700 m/s以下的區域面積為1.41 m2，在待測剖面總面積中占比37.9%，基本屬于不密實、裂縫等缺陷類型；彈性波波速在4 200 m/s以上的區域面積為1.62 m2，在待測剖面總面積中占比45.1%，可能為異物區。剖面2中彈性波波速在3 700 m/s以下的區域面積為1.09 m2，在待測剖面總面積中占比30.7%；彈性波波速在4 200 m/s以上的區域面積為1.61 m2，占比44.7%，缺陷類型與剖面1基本一致。剖面3中彈性波波速在3 700 m/s以下及4 200 m/s以上的區域面積分別為0.58 m2和1.89 m2，在待測剖面總面積中占比17.08%和54.2%，所推測缺陷類型同剖面1和剖面2。

3.3 混凝土結構內部鋼筋的影響

內部鋼筋對混凝土彈性波波速的影響主要表現在以下方面：一是在檢測過程中采用的是彈性波信號，當彈性波傳播路徑與鋼筋走向重合，則會引發彈性波傳播路徑的“短路”，增大彈性波波速；二是內部鋼筋布設后會增大混凝土結構剛度，一定程度上也會增大彈性波傳播速度。

該PC連續梁混凝土結構內部鋼筋主要沿梁體結構表層雙向布設，彈性波測線方向并不與配筋向重合，故以上第一種情況影響較小。對于第二種情況，采用鋼筋等效厚度法進行鋼筋影響彈性波傳播速度的修正，即將各層鋼筋均等效為薄鋼板，各層箍筋等效厚度為鋼筋體積和混凝土橫截面積之比，則彈性波波速修正公式可表示如下：

式中，vPc——采用鋼筋等效厚度法修正后的波速（m/s）；l——測線長度（m）；Hs——每層箍筋等效厚度（m）；vP——彈性波在連續梁混凝土結構中的波速（m/s）；vPs——彈性波在鋼筋中的波速（m/s）。

該PC連續梁鋼筋配筋率為2.01%，將相關參數取值代入式（3）后可以得出對彈性波波速的修正率約為0.99。可見結構混凝土中布設的鋼筋對彈性波在混凝土內的傳播速度影響非常小，幾乎可以忽略不計。

4 結論

該文采用彈性波層析掃描技術對PC連續梁混凝土結構病害展開無損檢測，結果表明：結構混凝土強度和彈性波波速之間存在較好的相關關系；彈性波層析掃描檢測結果與鉆芯取樣結果在統計意義上基本一致，表明彈性波層析掃描技術測值精度高，結果可靠，完全可以取代傳統的鉆芯取樣，并能簡化檢測過程，快速而準確地得出混凝土內部缺陷位置及尺寸云圖。此外，彈性波層析掃描技術還能針對典型結構開展連續性檢測，全面掌握結構內部缺陷及裂化病害的發展速度和程度，其必將成為橋梁混凝土結構內部缺陷檢測的重要技術手段。

參考文獻

[1]王謙， 任東華， 袁浩， 等. 彈性波層析掃描（CT）技術在橋臺混凝土內部缺陷檢測中的應用[J]. 鐵道建筑， 2017（10）： 37-39.

[2]袁浩， 唐英. 彈性波（CT）層析技術在橋梁檢測中的應用[J]. 山西建筑， 2017（8）： 155-157.

[3]楊剛， 韋斯， 張威. 超聲橫波成像技術在橋梁混凝土檢測中的應用[J]. 水利規劃與設計， 2022（5）： 122-125.