混凝土桥梁检测中声波检测技术的应用

李超 1 张强 2

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　　摘 要：本研究基于某桥梁工程，针对桥梁结构病害进行了分析，初步探讨了混凝土桥梁结构检测中声波检测技术的应用。检测结果显示，声波检测技术可对桥梁病害准确定位，对桥梁工程波纹管注浆及浇筑质量具有重要作用，与桥梁工程实际相符。 
　　关键词：混凝土桥梁;声波检测;桥梁病害 
　　1 混凝土桥梁工程基本情况 
　　 某预应力混凝土连续刚构桥梁，主桥段600米长，梁体单箱单室三向预应力变高箱梁23米顶宽、12米底宽，翼缘板悬臂5米长，自中跨到边跨相继合龙张拉，跨和边跨在桥墩张拉施工中，产生混凝土底板崩裂，采取加固措施进行修复后，底板壁又产生开裂。在桥梁箱梁合龙段为深入了解结构缺陷及梁板与设计强度相符程度，采用声波检测技术检测桥梁预应力混凝土结构。 
　　2 声波检测技术 
　　 混凝土结构中力学强度与声波传播速度间具有定量关系，弹性模量对声波波速具有直接影响，使混凝土结构强度得到反映。介质力学性质采用剪切模量、弹性模量及泊松比等参数进行表征，混凝土是一种脆性材料，波速与其标准试块抗压强度具有正相关关系，试验测试数据对两者之间的幂指数关系进行证明。由于混凝土骨料在不同施工区域具有不同成分，其抗压强度回归参数有差别，混凝土强度根据试验数据进行评价，据此可确定混凝土结构存在的缺陷。 
　　3 声波检测技术 
　　3.1 声波检测结果 
　　 本桥梁工程检测顶板声波面积1 300平米，波速均值4.71千米/秒，混凝土强度超过C45，混凝土强度及声波波速在顶梁板中间主体结构中较高，波速大于4.79千米/秒，连续且均匀分布，强度为C60。但声波波速在顶板两翼部位稍低，特别是顶板右翼有低波速带宽2～3米，波速在2.2～4.2千米/秒之间，桥梁中顶板两翼不是主要受力部位，几乎不影响桥梁结构稳定性。 
　　 检测桥梁底板声波中，检测声波面积550平米，波速均值4.08千米/秒，混凝土强度符合设计范围C40-C45。底板不同于顶板，波速和强度非均匀分布，中间波速大于4.11千米/秒，但四周波速小于3.08千米/秒，在检测面积中有一半小于3.09千米/秒。连接腹板的底板两翼与桥梁结构强度具有重要关系，在右侧腹板连接底板右翼缘部位有平均不大于2.05千米/秒低波速区域2～3米宽，连接左侧翼缘部位有不大于3.02千米/秒低波速区域1～1.5米宽，在这两个低波速区域存在桥梁底板裂缝，本桥梁工程具有最小的箱梁底板结构强度。 
　　 检测左腹板声波中，检测声波面积325平米，波速均值4.47千米/秒，强度超过C50，均匀波速反映出左腹板施工质量较高。左腹板下部在小里程和大里程侧的局部性异常高低速区域，无较大幅度，几乎不影响桥梁腹板结构的稳定性。 
　　 检测右腹板声波中，检测面积325平米，与检测左腹板面积一致，声波平均波速千米/秒，强度大于4.68千米/秒，波速与梁板强度比左腹板大，声波均匀分布的波速，控制施工质量效果较好。在声波波速方面，右腹板上部稍低于下部，上部局部性异常低速区域1米宽，平均波速4.08千米/秒，右腹板下部普遍具有较高的波速，平均大于4.57千米/秒。桥梁右腹板有比较均匀的波速，异常低速区域只有较小面积，几乎不影响腹板结构，腹板具有较高的结构强度，使桥梁结构明显提高承载力。 
　　3.2 预应力箱梁声波检测结果 
　　 分析桥梁顶板、左右腹板及底板声波检测结果可知，箱梁顶板及左右腹板混凝土结构的声波波速较高，分别为4.72千米/秒、4.42千米/秒、4.61千米/秒，混凝土强度与设计值C50-C70相符，混凝土结构质量和连续性较好，无贯通性低速结构。箱梁底板声波波速平均4.08千米/秒，与C30-C40强度相当，不均匀分布的波速，在底板结合腹板部位有条带性声波较小传输速度区域，最小只有3.08千米/秒，有明显质量缺陷，不影响桥梁结构承载力。条带性低速区域内产生的裂缝，施工企业对此应提高重视程度。针对本桥梁混凝土结构为深入研究其存在的质量缺陷，对试验板浇筑采用强度不同的声波进行检测，比较检测结果与设计缺陷，准确评价本桥梁工程的声波检测技术。 
　　 强度不同的试验板CT剖面波速显示，在未振和过振区域，声波较低速传输，小于4.08千米/秒，轻振区域有较高波速，大于4.08千米/秒。声波在C50混凝土结构中可达5.15千米/秒的最高波速，波速居中的C40混凝土在4.5～5.1千米/秒之间，波速最低的C30混凝土结构在3.6～4.3千米/秒之间，符合混凝土力学性能指标试验测试结果。 
　　 根据试验板CT剖面中分布的波速结果发现，20×20厘米泡沫板、30×30厘米泡沫板及60×10×5厘米木板的设计梁中存在缺陷的3个区域与显示较大的3个低速区域相对应。检波器在试验中按照25厘米激发点间距进行布置，应用0.25×0.25米计算网格，因较大的分辨率，在10×10厘米泡沫板中难以分辨出异常体。15厘米直径、65厘米长空心波纹管，因较小的横截面，传播的高速声波检测射线将外侧壁完全绕过，在空心波纹管中无法分辨出异常体。针对较小体积结构的砖块，声波波速大于低标号混凝土，在检测结果图中尽管有较深颜色，表现为高速，但对其引发原因无法确定。声波CT检测试验结果符合桥梁实际，声波波速分布图可对桥梁结构浇筑的均匀性、缺陷及混凝土强度等进行准确清晰反映。对混凝土结构强度试验板分析其记录的声波散射时程，上下分别为二维瞬态谱和散射能量，在二维瞬态谱坐标系中，波速传播时间、频率分别由横轴、纵轴进行表示。不同传播时间对应分布的能量频率不同，可由记录的声波散射时程结果进行反映，混凝土试件强度缺陷脱空程度反映出强弱能量，表示波速散射的横轴表明发生散射能量的空间位置，小面积缺陷导致混凝土结构试件散射波高频能量。有关试验数据显示，引发1～2米范围内混凝土试件产生强散射能量的主要原因是端头附近空区及敲击影响，波纹管在不同位置产生缺陷，总计缺陷共2.3米长。 

　　4 总结 
　　 综上所述，本研究中根据桥梁检测结果可知，声波检测技术可准确定位桥梁浇筑质量及波纹管注浆缺陷程度，与桥梁工程实际相符。在检测桥梁混凝土结构病害中声波无损检测技术的应用广泛，目前，在桥梁结构无损检测中无损检测技术已有一定程度的應用，有关实践效果显示，无损检测技术结合外观检测、动静载试验等方法进行应用，可全面准确评价桥梁混凝土结构病害，对于提高桥梁安全具有重要作用。 
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