混凝土橋梁檢測中聲波檢測技術的應用
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摘要：以某橋梁工程為例，分析了橋梁結構病害現狀，對聲波檢測技術在該橋梁混凝土結構檢測中的應用進行深入探討。檢測結果表明，聲波檢測技術對橋梁工程整體澆筑質量及波紋管注漿缺陷大小、位置定位較為準確，符合工程實際。
關鍵詞：聲波檢測技術；混凝土；橋梁檢測
1工程概況
某120m+210m+120m預應力混凝土連續剛構橋梁主橋段長550m，梁體為頂寬22.5m、底寬11.5m的單箱單室三向預應力變高箱梁，翼緣板懸臂長5.50m，合龍張拉從中跨至邊跨相繼進行，在1#橋墩張拉施工過程中，其中跨和邊跨均出現混凝土底板崩裂現象，加固修復后，當前又出現底板壁開裂的情況。為充分了解橋梁箱梁合龍段所存在的結構缺陷以及梁板是否達到設計強度等情況，決定對該橋梁預應力混凝土結構進行聲波無損檢測。
2聲波檢測技術
混凝土結構中聲波傳播速度與其力學強度之間存在定量關系，且聲波波速受彈性模量的影響，反映混凝土結構強度[1]，聲波橫波波速和縱波波速按以下公式計算：式（1）~式（2）中：Vp為縱波波速（km/s）；Vs為橫波波速（km/s）；E為彈性模量（MPa）；σ為泊松比；ρ為混凝土密度（g/cm³）；μ為剪切模量（MPa）。其中，彈性模量、剪切模量和泊松比是表征介質力學性質的重要參數，考慮到混凝土屬于脆性材料，泊松比取0.18，混凝土密度取2.6g/cm³。對于具體工程而言，其標準試塊抗壓強度與波速正相關，試驗測試數據證明了兩者之間存在冪指數關系[2]，即：式（3）中：Rb為混凝土抗壓強度（MPa）；α、b為回歸參數；Vp為縱波波速（km/s）。不同施工區域因混凝土骨料成分的不同，其抗壓強度回歸參數也存在一定差別，參數α和b的取值范圍分別在0.25~0.40和3.0~3.5之間。混凝土力學性能指標試驗測試結果（見表1）表明，工程所在區域混凝土抗壓強度和聲波波速之間存在以下回歸關系：根據表1試驗結果，預應力混凝土箱梁標號在C30~C80區間時，抗壓強度為16.7~50.2MPa，聲波縱波波速在3.7~4.8km/s范圍，試驗數據是進行混凝土強度評價的參考值。混凝土標號在C15~C25區間時聲波波速＜3.5km/s，則認為存在混凝土結構缺陷[3]。
3.1聲波檢測結果
3.1.1橋梁頂板檢測結果本橋梁工程頂板聲波檢測面積為1310m2，頂板聲波波速均值為4.69km/s，混凝土整體強度在C45以上，頂梁板中間主體結構的聲波波速與混凝土強度較高，波速在4.81km/s以上，且分布均勻、連續，可達C60強度水平。但頂板兩翼部位聲波波速略低，尤其是頂板右翼存在一條2~3m寬的低波速帶，聲波波速2.3~4.1km/s，考慮到頂板兩翼并非橋梁主要受力部位，對橋梁整體結構穩定性并無較大影響。
3.1.2橋梁底板檢測結果橋梁工程底板聲波檢測面積為540m2，聲波波速均值為4.10km/s，混凝土整體強度在C40~C45設計值范圍，與頂板不同的是，底板波速和強度分布非常不均勻，中間波速均在4.10km/s以上，但四周波速低于3.1km/s的區域在檢測面積中占50%左右。底板兩翼與腹板連接，與橋梁梁體結構強度關系重大。在底板右翼緣和右側腹板連接的部位存在1條寬2~3m的低波速區域（波速均值≤2.0km/s），左側翼緣連接處也存在1條寬1.0~1.5m的低波速區域（波速均值≤3.0km/s），橋梁底板的主要裂縫就出現在上述兩個低波速區域，而且本橋梁工程箱梁底板結構強度最低。
3.1.3左腹板聲波檢測結果橋梁左腹板聲波檢測面積為324m2，聲波波速均值為4.5km/s，強度在C50以上，波速均勻，反映出左腹板具有較好的施工質量。在左腹板下部存在局部性高低速異常區域，分別位于小里程側和大里程側，異常幅度并不大，對橋梁腹板結構穩定性并無較大影響。
3.1.4右腹板檢測結果橋梁右腹板聲波檢測面積324m2，與左腹板檢測面積相同，右側腹板聲波波速均值4.70km/s，波速與梁板強度均高出左腹板，強度達C60設計值，聲波波速分布均勻，施工質量控制良好。右腹板上部聲波波速比下部略低，且上部存在1條寬1m的局部性低速異常區域，波速均值4.1km/s，右腹板下部波速普遍較高，均在4.6km/s以上。總之，橋梁右腹板波速較為均勻，低速異常區域面積不大，對腹板結構并無實質性影響，腹板結構強度高，發揮著提升橋梁結構承載力的作用。
3.2預應力箱梁聲波檢測結論
通過以上對橋梁頂板、底板、左右腹板聲波檢測結果的分析表明，箱梁頂板和左、右腹板混凝土結構存在較高的聲波波速，分別為4.73km/s、4.41km/s、4.62km/s，且混凝土強度均達到C50~C70設計值，混凝土結構有較好的質量和連續性，不存在貫通性低速結構缺陷。而箱梁底板聲波波速均值較低，約4.07km/s，僅相當于表1中C30~C40強度水平，波速分布不均勻，且在底板和腹板結合處存在大規模條帶性聲波傳輸速度較低區域，最低速度僅為3.1km/s，質量缺陷十分明顯，且對橋梁結構承載力存在不利影響。這些條帶性低速區域內裂縫發育，必須引起施工方足夠的重視。為進一步分析本橋梁混凝土結構質量缺陷，進行不同強度的聲波檢測試驗板的澆筑，澆筑尺寸均為10m×1.5m×0.35m，內部鋼筋均采用直徑8mm和20mm。聲波檢測試驗板設計情況詳見圖1~圖3。通過進行上述三片混凝土試驗板聲波檢測，并將檢測結果和設計缺陷進行對比，從而對本橋梁工程聲波檢測技術準確性進行評價。本橋梁工程聲波檢測不同強度試驗板設計如圖2所示，不同強度試驗板CT剖面波速圖表明，聲波在未振和過振區域傳輸速度較低，且均在4.1km/s以下，輕振區域聲波波速稍高，在4.1km/s以上。且標號C50的混凝土結構中聲波波速最高，達到5.2km/s，C40混凝土波速居中，在4.4~5.2km/s之間，C30強度的混凝土結構中波速最低，在3.5~4.4km/s之間，這與表1混凝土力學性能指標試驗測試結果相符。本橋梁工程聲波檢測缺陷試驗板設計如圖3所示，缺陷試驗板CT剖面波速分布結果顯示的3個較大的低速區域與設計梁20cm×20cm泡沫板、30cm×30cm泡沫板和60cm×10cm×5cm木板3個缺陷區域具有對應關系。試驗所布置的檢波器、激發點間距25cm，并采用0.25m×0.25m計算網格，由于分辨率過大，難以分辨出10cm×10cm泡沫板中的異常體；對于長65cm、直徑15cm的空心波紋管，由于橫截面較小，高速聲波檢測射線幾乎全部繞過外側壁傳播，也未能分辨出空心波紋管中的異常體；對于結構中體積小的磚塊，聲波波速比低標號混凝土高，雖然檢測結果圖中顏色較深，似乎表現為高速，但并不能確定是否是由磚塊本身引起[4]。上述聲波CT檢測試驗結果均與橋梁工程實際相符，且聲波波速分布圖能更加清晰、準確地反映出橋梁結構本身澆筑的均勻性、混凝土強度及缺陷等情況。對三片混凝土結構強度試驗板所進行的聲波散射時程記錄進行分析，上部是二維瞬態譜，下部是散射能量，且二維瞬態譜橫軸表示距離（波速傳播時間），縱軸表示頻率。聲波散射時程記錄結果反映出不同傳播時間所對應的不同頻率能量分布，進而通過能量的強弱反映混凝土試件強度缺陷脫空的嚴重程度。橫軸（也就是波速散射時間軸）表示散射能量所出現的空間位置，混凝土結構試件散射波高頻能量主要由小面積缺陷造成[5]。試驗結果表明，引起混凝土試件1~2m范圍內強散射能量的原因主要為敲擊影響及端頭附近空區，表明波紋管3.0~3.4m、4.2~4.9m、7.0~7.4m、10.5~11.2m處存在缺陷，缺陷長度共計2.2m。
4結語
根據本橋梁工程混凝土梁板質量聲波檢測及波紋管注漿檢測結果可以看出，聲波檢測技術對橋梁工程整體澆筑質量及波紋管注漿缺陷大小、位置定位較為準確，符合工程實際。聲波無損檢測技術在橋梁混凝土結構病害檢測領域具有廣泛的應用前景。目前，包括聲發射技術、機敏混凝土檢測、電化學測試、振動測試等在內的無損檢測技術已經在國內橋梁結構無損檢測方面有所應用，實踐證明，只有將無損檢測技術與外觀檢測、動靜載試驗等結合應用，才能對橋梁混凝土結構病害狀況進行全面準確評價。
參考文獻：
[1]陸益軍，方俊，王曉妮.基于超聲波檢測技術和聲波散射衰減方法的混凝土內部缺陷研究[J].工程技術研究，2020，5（2）：29-33.
[2]李杰.超聲波在橋梁裂縫檢測中的應用[J].交通世界，2019（17）：107-108.
[3]全國無損檢測標準化技術委員會.無損檢測超聲檢測1號校準試塊：GB/T19799.1—2015[S].北京：中國標準出版社，2015.
[4]商弢.無損檢測技術在公路橋梁中的應用[J].交通世界，2020（10）：76-77.
[5]字平.道路橋梁無損檢測技術的應用[J].建筑技術開發，2019，46（9）：144-145.
作者：彭漢彬 黃坤 單位：江西省公路工程檢測中心
