混凝土桥梁检测中声波检测技术的应用
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摘要：以某桥梁工程为例，分析了桥梁结构病害现状，对声波检测技术在该桥梁混凝土结构检测中的应用进行深入探讨。检测结果表明，声波检测技术对桥梁工程整体浇筑质量及波纹管注浆缺陷大小、位置定位较为准确，符合工程实际。
关键词：声波检测技术；混凝土；桥梁检测
1工程概况
某120m+210m+120m预应力混凝土连续刚构桥梁主桥段长550m，梁体为顶宽22.5m、底宽11.5m的单箱单室三向预应力变高箱梁，翼缘板悬臂长5.50m，合龙张拉从中跨至边跨相继进行，在1#桥墩张拉施工过程中，其中跨和边跨均出现混凝土底板崩裂现象，加固修复后，当前又出现底板壁开裂的情况。为充分了解桥梁箱梁合龙段所存在的结构缺陷以及梁板是否达到设计强度等情况，决定对该桥梁预应力混凝土结构进行声波无损检测。
2声波检测技术
混凝土结构中声波传播速度与其力学强度之间存在定量关系，且声波波速受弹性模量的影响，反映混凝土结构强度[1]，声波横波波速和纵波波速按以下公式计算：式（1）~式（2）中：Vp为纵波波速（km/s）；Vs为横波波速（km/s）；E为弹性模量（MPa）；σ为泊松比；ρ为混凝土密度（g/cm³）；μ为剪切模量（MPa）。其中，弹性模量、剪切模量和泊松比是表征介质力学性质的重要参数，考虑到混凝土属于脆性材料，泊松比取0.18，混凝土密度取2.6g/cm³。对于具体工程而言，其标准试块抗压强度与波速正相关，试验测试数据证明了两者之间存在幂指数关系[2]，即：式（3）中：Rb为混凝土抗压强度（MPa）；α、b为回归参数；Vp为纵波波速（km/s）。不同施工区域因混凝土骨料成分的不同，其抗压强度回归参数也存在一定差别，参数α和b的取值范围分别在0.25~0.40和3.0~3.5之间。混凝土力学性能指标试验测试结果（见表1）表明，工程所在区域混凝土抗压强度和声波波速之间存在以下回归关系：根据表1试验结果，预应力混凝土箱梁标号在C30~C80区间时，抗压强度为16.7~50.2MPa，声波纵波波速在3.7~4.8km/s范围，试验数据是进行混凝土强度评价的参考值。混凝土标号在C15~C25区间时声波波速＜3.5km/s，则认为存在混凝土结构缺陷[3]。
3.1声波检测结果
3.1.1桥梁顶板检测结果本桥梁工程顶板声波检测面积为1310m2，顶板声波波速均值为4.69km/s，混凝土整体强度在C45以上，顶梁板中间主体结构的声波波速与混凝土强度较高，波速在4.81km/s以上，且分布均匀、连续，可达C60强度水平。但顶板两翼部位声波波速略低，尤其是顶板右翼存在一条2~3m宽的低波速带，声波波速2.3~4.1km/s，考虑到顶板两翼并非桥梁主要受力部位，对桥梁整体结构稳定性并无较大影响。
3.1.2桥梁底板检测结果桥梁工程底板声波检测面积为540m2，声波波速均值为4.10km/s，混凝土整体强度在C40~C45设计值范围，与顶板不同的是，底板波速和强度分布非常不均匀，中间波速均在4.10km/s以上，但四周波速低于3.1km/s的区域在检测面积中占50%左右。底板两翼与腹板连接，与桥梁梁体结构强度关系重大。在底板右翼缘和右侧腹板连接的部位存在1条宽2~3m的低波速区域（波速均值≤2.0km/s），左侧翼缘连接处也存在1条宽1.0~1.5m的低波速区域（波速均值≤3.0km/s），桥梁底板的主要裂缝就出现在上述两个低波速区域，而且本桥梁工程箱梁底板结构强度最低。
3.1.3左腹板声波检测结果桥梁左腹板声波检测面积为324m2，声波波速均值为4.5km/s，强度在C50以上，波速均匀，反映出左腹板具有较好的施工质量。在左腹板下部存在局部性高低速异常区域，分别位于小里程侧和大里程侧，异常幅度并不大，对桥梁腹板结构稳定性并无较大影响。
3.1.4右腹板检测结果桥梁右腹板声波检测面积324m2，与左腹板检测面积相同，右侧腹板声波波速均值4.70km/s，波速与梁板强度均高出左腹板，强度达C60设计值，声波波速分布均匀，施工质量控制良好。右腹板上部声波波速比下部略低，且上部存在1条宽1m的局部性低速异常区域，波速均值4.1km/s，右腹板下部波速普遍较高，均在4.6km/s以上。总之，桥梁右腹板波速较为均匀，低速异常区域面积不大，对腹板结构并无实质性影响，腹板结构强度高，发挥着提升桥梁结构承载力的作用。
3.2预应力箱梁声波检测结论
通过以上对桥梁顶板、底板、左右腹板声波检测结果的分析表明，箱梁顶板和左、右腹板混凝土结构存在较高的声波波速，分别为4.73km/s、4.41km/s、4.62km/s，且混凝土强度均达到C50~C70设计值，混凝土结构有较好的质量和连续性，不存在贯通性低速结构缺陷。而箱梁底板声波波速均值较低，约4.07km/s，仅相当于表1中C30~C40强度水平，波速分布不均匀，且在底板和腹板结合处存在大规模条带性声波传输速度较低区域，最低速度仅为3.1km/s，质量缺陷十分明显，且对桥梁结构承载力存在不利影响。这些条带性低速区域内裂缝发育，必须引起施工方足够的重视。为进一步分析本桥梁混凝土结构质量缺陷，进行不同强度的声波检测试验板的浇筑，浇筑尺寸均为10m×1.5m×0.35m，内部钢筋均采用直径8mm和20mm。声波检测试验板设计情况详见图1~图3。通过进行上述三片混凝土试验板声波检测，并将检测结果和设计缺陷进行对比，从而对本桥梁工程声波检测技术准确性进行评价。本桥梁工程声波检测不同强度试验板设计如图2所示，不同强度试验板CT剖面波速图表明，声波在未振和过振区域传输速度较低，且均在4.1km/s以下，轻振区域声波波速稍高，在4.1km/s以上。且标号C50的混凝土结构中声波波速最高，达到5.2km/s，C40混凝土波速居中，在4.4~5.2km/s之间，C30强度的混凝土结构中波速最低，在3.5~4.4km/s之间，这与表1混凝土力学性能指标试验测试结果相符。本桥梁工程声波检测缺陷试验板设计如图3所示，缺陷试验板CT剖面波速分布结果显示的3个较大的低速区域与设计梁20cm×20cm泡沫板、30cm×30cm泡沫板和60cm×10cm×5cm木板3个缺陷区域具有对应关系。试验所布置的检波器、激发点间距25cm，并采用0.25m×0.25m计算网格，由于分辨率过大，难以分辨出10cm×10cm泡沫板中的异常体；对于长65cm、直径15cm的空心波纹管，由于横截面较小，高速声波检测射线几乎全部绕过外侧壁传播，也未能分辨出空心波纹管中的异常体；对于结构中体积小的砖块，声波波速比低标号混凝土高，虽然检测结果图中颜色较深，似乎表现为高速，但并不能确定是否是由砖块本身引起[4]。上述声波CT检测试验结果均与桥梁工程实际相符，且声波波速分布图能更加清晰、准确地反映出桥梁结构本身浇筑的均匀性、混凝土强度及缺陷等情况。对三片混凝土结构强度试验板所进行的声波散射时程记录进行分析，上部是二维瞬态谱，下部是散射能量，且二维瞬态谱横轴表示距离（波速传播时间），纵轴表示频率。声波散射时程记录结果反映出不同传播时间所对应的不同频率能量分布，进而通过能量的强弱反映混凝土试件强度缺陷脱空的严重程度。横轴（也就是波速散射时间轴）表示散射能量所出现的空间位置，混凝土结构试件散射波高频能量主要由小面积缺陷造成[5]。试验结果表明，引起混凝土试件1~2m范围内强散射能量的原因主要为敲击影响及端头附近空区，表明波纹管3.0~3.4m、4.2~4.9m、7.0~7.4m、10.5~11.2m处存在缺陷，缺陷长度共计2.2m。
4结语
根据本桥梁工程混凝土梁板质量声波检测及波纹管注浆检测结果可以看出，声波检测技术对桥梁工程整体浇筑质量及波纹管注浆缺陷大小、位置定位较为准确，符合工程实际。声波无损检测技术在桥梁混凝土结构病害检测领域具有广泛的应用前景。目前，包括声发射技术、机敏混凝土检测、电化学测试、振动测试等在内的无损检测技术已经在国内桥梁结构无损检测方面有所应用，实践证明，只有将无损检测技术与外观检测、动静载试验等结合应用，才能对桥梁混凝土结构病害状况进行全面准确评价。
参考文献：
[1]陆益军，方俊，王晓妮.基于超声波检测技术和声波散射衰减方法的混凝土内部缺陷研究[J].工程技术研究，2020，5（2）：29-33.
[2]李杰.超声波在桥梁裂缝检测中的应用[J].交通世界，2019（17）：107-108.
[3]全国无损检测标准化技术委员会.无损检测超声检测1号校准试块：GB/T19799.1—2015[S].北京：中国标准出版社，2015.
[4]商弢.无损检测技术在公路桥梁中的应用[J].交通世界，2020（10）：76-77.
[5]字平.道路桥梁无损检测技术的应用[J].建筑技术开发，2019，46（9）：144-145.
作者：彭汉彬 黄坤 单位：江西省公路工程检测中心
