聲波檢測技術在混凝土橋梁檢測中的應用

范大偉

（浙江華東測繪與工程安全技術有限公司，杭州310000）

1 引言

截至目前，我國的高速公路總里程已穩居世界首位，極大地推動了社會經濟和交通運輸事業的發展。高速公路建設過程中，橋梁工程占據著重要的地位，特別是在山區位置修建高速公路時，需建設橋梁來提高地區之間的聯系和貫通，因此，高速公路橋梁工程的施工具有重大的意義和價值[1]。橋梁工程主要包括蓋梁、箱梁、墩柱、樁基等，施工材料為鋼筋混凝土，在橋梁施工以及運營階段容易產生病害問題，且在橋梁結構檢測應用過程中往往會受到外界環境、地形地貌、施工條件等因素的影響，無法較好地保證基礎樁檢測質量，為了保證橋梁檢測的完整性和有效性，聲波檢測技術得到了廣泛應用。本文為探究聲波檢測技術在橋梁工程中的應用，對聲波檢測原理進行了闡述，重點研究聲波檢測技術施工工藝，并在具體橋梁工程中進行應用。

2 聲波檢測技術概述

2.1 原理及特點

聲波檢測的原理主要是由于不同類型的彈性介質的密度和彈性常數等特性不同，聲波在不同介質中傳播的速率也不同[2]。當聲波在巖土、混凝土等結構物中傳播時，遵循彈性波傳播定律。

利用聲波技術進行混凝土橋梁檢測時，要將聲波發射至混凝土、基巖以及巖土等介質中，當混凝土介質中聲波傳播速率達到4 000 m/s 時，若混凝土表面存在紋理不均勻或裂縫時，聲波的頻率會急劇降低，即出現了散射現象[3]。當聲波出現散射現象時，由于混凝土存在裂紋，聲波的傳播速率會不斷降低，與質量合格的混凝土結構相比，此時的聲波信號接收時間會較長。

綜上所述，若混凝土橋梁結構存在質量缺陷，聲波在混凝土中的傳播過程中，振幅和速度均會發生改變，波形產生變化，可借此判斷混凝土橋梁結構的缺陷情況[4]。

2.2 基本方法

2.2.1 透射波法

透射波法主要利用地震透射波進行檢測，具有檢測結果準確、清晰等特點，該方法在實際檢測中通常會產生較多能量，且不容易受到外界環境因素的影響和干擾，可便于工作人員對橋梁質量問題的辨認和分析。透射波法應用過程中，首先對發射和接收兩個探頭距離進行測量，得出準確數據，以免后續測量時產生較大誤差。當發射和接收兩個探頭之間的距離較遠時，其檢測難度則相對較大，無法得出測量數據，此時則可采用多點測量的方式進行檢測。另外，當被檢測橋梁存在較多裂縫，或受損程度較大時，聲波的衰減會比較嚴重，此時若測量距離較大時，則應采用錘擊法進行輔助檢測，以得出準確數據信息。

2.2.2 反射波法

反射波法主要利用地震反射波進行檢測。反射波法主要是利用發射換能器來發射聲波，聲波在混凝土結構中傳播形成發射波信號，再利用接收換能器獲得發射波信號（見圖1），結合設備分析確定聲波在被測結構中的傳播速度，以此分析、評價混凝土結構的質量。值得注意的是，聲波在混凝土橋梁中傳播時容易受到波前的阻尼、凝滯的吸收作用、發散作用影響，還會受到波內稀疏部分和壓縮部分之間熱傳、輻射的影響，因此，在檢測應用時工作人員應對多方面因素進行充分分析，以提高數據的精度和準確性[5]。

圖1 反射波法

3 聲波檢測混凝土橋梁施工注意事項

1）在進行聲波混凝土橋梁缺陷檢測時，應提前在聲測管內部注滿清水，可有效提高聲波的傳播速率和效率，進而有助于橋梁缺陷檢測的準確性。

2）聲波儀器由換能器和程序系統構成，所產生的聲時和波形的清晰度應足夠準確，因此，所選用的換能器精度和重量應滿足設計要求[6]。

3）采用鉛絲將聲測管和鋼筋籠主筋捆扎牢固，間距控制在3 m 左右，在鋼筋籠主筋的兩側可加設U 形定位筋，避免鋼筋籠與樁基產生碰撞而導致聲測管傾斜，并且聲測管的厚度和剛度應滿足設計要求。

4）聲波檢測質量受混凝土齡期影響，因此，應確保在灌注混凝土結束的14 d 齡期內完成橋梁聲波檢測，以免影響橋梁缺陷檢測準確度[7]。

5）聲波聲測管埋設時應將各聲測管間平行對稱，同時保證聲學測量管應確保可在鋼筋架內平穩運動。樁基直徑決定了聲測管數量，樁基直徑小于800 mm 時，聲測管設定為2 根，樁基直徑大于1 600 mm 時，聲測管數量不得少于4 根，樁基直徑在800～1 500 mm 范圍內時聲測管數量控制為3 根。

4 工程實例

4.1 工程概況

某高速公路建設項目全線長86.459 km，設計行車速度為100 km/h，路基寬度26 m，路面以瀝青混凝土結構形式為主，公路全線橋隧比為67.2%。該高速公路第三合同段內含有3 座大橋、7 座中橋，且中間由短路基連接，為加強橋梁運營整體質量和安全，本項目選取1 座長750 m 的大橋進行研究。該大橋梁體結構采用單箱單室三向預應力變高梁，梁頂和梁底的寬度分別為22.5 m、11.5 m，起哄翼緣板懸臂長5.5 m。現階段該橋梁工程正進行跨中跨邊合龍張拉施工，經過現場實地勘測后發現，橋梁5#墩柱施工時中跨位置出現混凝土崩解現象，通過及時加固維修處理，其底板位置仍有開裂現象。通過分析可知，是混凝土內部結構產生問題導致，因此，為對橋梁結構存在的缺陷進行進一步詳細分析，擬決定采用聲波檢測技術對橋梁的各混凝土結構進行無損檢測研究，其中，混凝土性能參數測試結果如表1 所示。

表1 混凝土性能參數測試結果

4.2 聲波檢測設計

為了對橋梁混凝土結構缺陷進行分析，現澆筑出1.5 m×0.35 m 的聲波檢測板，通過對比分析設計缺陷和檢測結果評價聲波檢測技術。不同強度、不同振搗程度的聲波檢測板設計示意圖如圖2、圖3 所示。通過分析波速圖可得出，未振、過振區波速均為4.1 km/s，相比之下，輕振區波速要更高。C50混凝土強度的波速為5.2 km/s，C40 混凝土強度的波速在4.4～5.2 km/s，C30 混凝土強度的波速在3.5～4.4 km/s。與表1檢測結果相比可知，兩者試驗結果相同。

圖2 不同強度測試板

圖3 不同振搗測試板

本項目橋梁缺陷檢測試驗板示意圖如圖4 所示，可得，較低波速的3 個區域主要存在于20 cm×20 cm 尺寸、30 cm×30 cm 尺寸的泡沫板和60 cm×10 cm×5 cm 尺寸的木板。聲波主要借助64 cm 長的空心波紋管外壁為介質進行傳播，因此，無法檢測出管內部物質是否存在。另外，可得出低標號混凝土的聲波波速要低于磚塊。

圖4 缺陷試驗板

4.3 聲波檢測結果

4.3.1 混凝土橋梁頂板

本項目混凝土橋梁頂板聲波檢測結果得到：頂板聲波速度為4.7 km/s，聲波檢測面積為1 350 m2，表明混凝土整體強度高于C45，當強度達到C60 時，頂板翼緣板處聲波速度處于2.4～4.0 km/s，速度較低，由于頂板翼緣板為非主要承受荷載部位，所以，對橋梁整體穩定性影響性較小。

4.3.2 混凝土橋梁底板

本項目混凝土橋梁底板聲波檢測結果得到：底板聲波速度為4.1 km/s，聲波檢測面積為540 m2，表明混凝土整體強度等級在C40～C45，且底板聲波速度呈兩邊低中間高的趨勢，且分布不均，存在兩條低波速區域，表明該橋梁底板整體強度不高。

4.3.3 混凝土橋梁腹板

本項目混凝土橋梁腹板聲波檢測結果為：左側腹板聲波速度為4.5 km/s，聲波檢測面積為324 m2，表明混凝土整體強度高于C50；右側腹板聲波為4.7 km/s，混凝土整體強度高于C60，兩側的腹板聲波分布均勻且均存在波速異常區域，但對腹板結構強度影響較低。

5 結語

本文主要研究了聲波檢測技術在混凝土橋梁檢測中的應用，重點闡述了聲波檢測混凝土橋梁施工工藝，并結合實際提出聲波檢測過程中注意事項。結合實際工程分別對混凝土橋梁的頂板、底板以及腹板進行聲波檢測，得到橋梁頂板和腹板波速較高，且存在低波速區域，混凝土連續性良好，對橋梁結構影響較小，而底板聲波速度呈兩邊低中間高的趨勢，且分布不均，存在兩條低波速區域，則會對橋梁結構造成一定影響。表明采用聲波檢測技術可有效反映混凝土橋梁結構強度、均勻性以及缺陷情況。