薛 凱，孫少瑾，張慶明

(1重慶市路達(dá)公路設(shè)計(jì)咨詢事務(wù)所重慶4000672遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院遼寧1101663重慶建工集團(tuán)有限責(zé)任公司重慶401122)

大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)鋼構(gòu)橋聲波CT技術(shù)檢測(cè)研究

薛 凱1，孫少瑾2，張慶明3

(1重慶市路達(dá)公路設(shè)計(jì)咨詢事務(wù)所重慶4000672遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院遼寧1101663重慶建工集團(tuán)有限責(zé)任公司重慶401122)

本文介紹了用聲波CT技術(shù)檢測(cè)大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)鋼構(gòu)橋的一種方法，并以芙蓉江特大橋主橋?yàn)槔?，將主橋分?個(gè)檢測(cè)段，在每個(gè)檢測(cè)段的頂板、底板、左右腹板布置了四個(gè)剖面對(duì)全橋進(jìn)行混凝土整體澆筑質(zhì)量檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，檢測(cè)區(qū)段內(nèi)整體澆筑均勻性較好，各檢測(cè)區(qū)內(nèi)混凝土基本滿足設(shè)計(jì)的要求，但在橋梁混凝土結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)低強(qiáng)度異常區(qū)，建議進(jìn)行妥善處理。

聲波CT；檢測(cè)；波速分布圖；澆筑質(zhì)量

引言

根據(jù)彈性波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，彈性波層析成像方法可以分為兩大類：一是以運(yùn)動(dòng)特征為基礎(chǔ)的射線層析成像；二是以動(dòng)力學(xué)特征為基礎(chǔ)的波動(dòng)方程層析成像。

作為反演聲波穿透的射線層析成象，其基本思想是根據(jù)聲波的射線幾何運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，將聲波從發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的旅行時(shí)間表達(dá)成探測(cè)區(qū)域介質(zhì)速度參數(shù)的線積分，然后通過(guò)沿線積分路徑進(jìn)行反投影來(lái)重建介質(zhì)速度參數(shù)的分布圖像。

混凝土聲波CT無(wú)損檢測(cè)，就是根據(jù)聲波射線的幾何運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，利用先進(jìn)的聲波發(fā)射、接收系統(tǒng)，在被檢測(cè)塊體的一端發(fā)射，在另一端接收，用聲波掃描被檢測(cè)體，然后利用計(jì)算機(jī)反演成像技術(shù)，呈現(xiàn)被檢測(cè)體各微小單元范圍內(nèi)的混凝土聲波速度，進(jìn)而對(duì)被檢測(cè)體作出質(zhì)量評(píng)價(jià)。

聲波CT技術(shù)可以檢測(cè)橋梁工程中混凝土整體澆筑質(zhì)量，其工作原理與醫(yī)學(xué)CT類似。醫(yī)學(xué)CT是利用X射線穿透人體，通過(guò)射線強(qiáng)度衰減的觀測(cè)對(duì)人體組織成像。聲波CT是利用聲波穿透工程介質(zhì)，通過(guò)聲波走時(shí)和能量衰減的觀測(cè)對(duì)工程結(jié)構(gòu)成像。聲波在穿透工程介質(zhì)時(shí)，其速度快慢與介質(zhì)的彈性模量、剪切模量、密度有關(guān)。介質(zhì)密度大、強(qiáng)度高的其模量大，波速高、衰減小；破碎疏松介質(zhì)的波速低、衰減大；波速可作為混凝土強(qiáng)度和缺陷評(píng)價(jià)的定量指標(biāo)。聲波CT特別適用于研究工程介質(zhì)力學(xué)強(qiáng)度的分布，在橋梁工程檢測(cè)中常被用來(lái)探查混凝土強(qiáng)度、空洞、不密實(shí)區(qū)等結(jié)構(gòu)的質(zhì)量缺陷。

表1 混凝土波速與抗壓強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

混凝土的聲波速度可以作為評(píng)價(jià)混凝土抗壓強(qiáng)度與密實(shí)度的定量指標(biāo)。混凝土的波速與混凝土抗壓強(qiáng)度有正相關(guān)系，已有大量理論研究和測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)和回歸關(guān)系?？捎糜谠诮蛄旱馁|(zhì)量控制和運(yùn)行橋梁的病害診斷，檢測(cè)的分辨率可達(dá)分米級(jí)?？纱_定低強(qiáng)度的部位、范圍、程度，為病害整治和施工質(zhì)量控制、工藝改進(jìn)提供依據(jù)。

目前固體介質(zhì)CT層析成像技術(shù)日趨成熟，并較廣泛地應(yīng)用在地質(zhì)、石油、煤炭、水電等缺陷識(shí)別領(lǐng)域。鑒于其較高的分辨率要求，仍處于研究階段。在混凝土橋梁基樁的超聲無(wú)損檢測(cè)中，由于其主要缺陷是指對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和承載能力具有影響的宏觀缺陷。如不密實(shí)區(qū)、空洞、夾泥、離析等，因此現(xiàn)有的CT層析成像技術(shù)在使用超聲波的情況下，其分辨率足以達(dá)到要求[4]。

表2 混凝土強(qiáng)度及力學(xué)指標(biāo)與實(shí)驗(yàn)資料

圖1 (卵石)試塊聲速-抗壓強(qiáng)度回歸分析圖

圖2 (碎石)試塊聲速-抗壓強(qiáng)度回歸分析圖

由以上表1、表2及圖1、圖2可知，當(dāng)梁體結(jié)構(gòu)物混凝土標(biāo)號(hào)為C60時(shí)，抗壓強(qiáng)度為38.5MPa，縱波速度值應(yīng)該在4.5km/s；此波速數(shù)值可以作為混凝土強(qiáng)度評(píng)價(jià)的參考值。區(qū)域性實(shí)測(cè)波速遠(yuǎn)低于4.5km/s時(shí)，可認(rèn)為存在質(zhì)量缺陷。下面主要介紹聲波CT技術(shù)對(duì)芙蓉江特大橋主橋混凝土整體澆筑質(zhì)量的檢測(cè)情況。

1 工程概況

芙蓉江特大橋?qū)僦貞c至貴州二級(jí)公路特大橋之一，大橋位于重慶市武隆縣與彭水縣交界的芙蓉江，橋位斜跨芙蓉江，橋址位于芙蓉江背斜西翼近軸部，大橋起始端為武隆縣浩口鄉(xiāng)浩口村，終點(diǎn)為彭水縣大埡鄉(xiāng)的劉露婭。該橋全長(zhǎng)538.93m（K29+639.4～K30+178.33），橋型為主橋132+230+132m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，引橋35m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁。該橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅱ級(jí)，設(shè)計(jì)車(chē)速為40km/h。主橋箱梁為變截面單箱單室斷面，箱梁頂面寬度9.0m，箱梁底寬5.0m；各墩與箱梁相接的根部斷面梁高為13.5m，現(xiàn)澆段和合攏段梁高均為4.0m，其間梁底下緣按1.8次拋物線變化。引橋梁高1.8m，腹板厚50cm，頂板厚25cm，底板厚20cm。由于引橋位于半徑135m的緩和曲線上，橋面及箱室隨路線線性加寬。

下部結(jié)構(gòu)橋墩較高，其中1#墩高106.5m，2#墩高54.5m。由于兩墩高度相差較大，兩墩在54.5m以上范圍采用雙肢等截面薄壁墩型式，壁厚2.0m，兩肢凈間距6.0m；1#墩在54.5m以下采用1：80變截面實(shí)體墩，以減小剛度相差太大的影響，見(jiàn)圖3。

圖3 芙蓉江特大橋全景

對(duì)該橋主橋混凝土整體澆筑質(zhì)量及預(yù)應(yīng)力管道注漿質(zhì)量進(jìn)行了專項(xiàng)檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容及檢測(cè)部位如圖4所示。

圖4 紅色區(qū)域?yàn)楸敬沃饕獧z測(cè)區(qū)段

2 聲波CT技術(shù)的檢測(cè)內(nèi)容

本次聲波CT工作布置在芙蓉江特大橋主橋494m范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)將檢測(cè)區(qū)域分為9個(gè)檢測(cè)段，并在每個(gè)檢測(cè)區(qū)的頂板、底板、左右腹板布置了四個(gè)聲波CT剖面，共計(jì)36個(gè)剖面。道間距、激發(fā)點(diǎn)間距均為0.5m，全橋聲波CT檢測(cè)布置圖。每個(gè)CT剖面為平面二維布置。

本次9個(gè)工作區(qū)的CT觀測(cè)系統(tǒng)基本相同，橋梁箱梁頂、底、左右腹板觀測(cè)系統(tǒng)描述如下。

2.1 檢測(cè)區(qū)梁體頂板聲波CT觀測(cè)系統(tǒng)

各檢測(cè)區(qū)梁體頂板聲波CT觀測(cè)系統(tǒng)的布置如圖5所示：沿橋面左側(cè)（從武隆至務(wù)川方向看）布置了64道檢波器，道間距0.5m；橫穿路面、沿橋面右側(cè)布置激發(fā)點(diǎn)，激發(fā)點(diǎn)間距0.5m。

2.2 檢測(cè)區(qū)梁體底板聲波CT觀測(cè)系統(tǒng)

各檢測(cè)區(qū)梁體底板的聲波CT觀測(cè)是在橋箱內(nèi)完成的。觀測(cè)系統(tǒng)布置如圖6所示：沿底板右側(cè)（從武隆至務(wù)川方向）看布置了64道檢波器，道間距0.5m；沿橫向、沿底板左側(cè)布置激發(fā)點(diǎn)，激發(fā)點(diǎn)間距0.5m。

圖5 頂板聲波CT布置示意圖

圖6 底板聲波CT布置示意圖

2.3 檢測(cè)區(qū)梁體左（右）腹板聲波CT觀測(cè)系統(tǒng)

各檢測(cè)區(qū)梁體左腹板聲波CT觀測(cè)系統(tǒng)的布置如圖7所示：在左腹板梁體內(nèi)布置了64道檢波器，道間距0.5m；在左（右）腹板正上方路面上布置激發(fā)點(diǎn)，局部激發(fā)點(diǎn)布置在梁體腹板上，激發(fā)點(diǎn)間距0.5m。

圖7 左（右）腹板聲波CT布置示意圖

2.4 完成工作量

本次橋梁結(jié)構(gòu)聲波CT檢測(cè)實(shí)際完成的工作量為：聲波CT剖面36個(gè)，累計(jì)聲波射線101696條。

3 聲波CT檢測(cè)結(jié)果

3.1 第一區(qū)：武隆端現(xiàn)澆段（包括30#梁段和31#梁段）

經(jīng)分析處理，得到該檢測(cè)區(qū)頂?shù)装搴妥笥腋拱迓暡–T波速分布圖像（見(jiàn)圖8、圖9）。聲波CT檢測(cè)結(jié)果表明，該區(qū)梁體檢測(cè)段混凝土平均波速較高，達(dá)到4.9km/s，混凝土整體澆筑均勻性較好。但底板局部區(qū)域有低波速帶，波速低于4.0km/s。

3.2 第二區(qū)：1#“T”構(gòu)邊跨1/4L（包括13#、14#、15#、16#、17#梁段）

經(jīng)分析處理，得到該檢測(cè)區(qū)頂?shù)装搴妥笥腋拱迓暡–T波速分布圖像（見(jiàn)圖10、圖11）。聲波CT檢測(cè)結(jié)果表明，該區(qū)梁體檢測(cè)段混凝土平均波速較高，達(dá)到4.84km/s，混凝土整體澆筑均勻性較好，但右腹板務(wù)川端13～14#梁段與底板結(jié)合部有混凝土局部波速低于3.8km/s的區(qū)域。

圖8

圖9

圖10

圖11

3.3 第三區(qū)：1#“T”構(gòu)0#塊以及左右側(cè)1#、2#、3#梁段

經(jīng)分析處理，得到該檢測(cè)區(qū)頂?shù)装搴妥笥腋拱迓暡–T波速分布圖像（見(jiàn)圖12、圖13）。聲波CT檢測(cè)結(jié)果表明，該區(qū)梁體檢測(cè)段混凝土平均波速較高，達(dá)到4.75km/s，混凝土整體澆筑均勻性較好，但頂板混凝土局部區(qū)域波速偏低，存在低于3.8km/s的區(qū)域。

圖12

圖13

3.4 第四區(qū)：1#“T”構(gòu)中跨1/4L（包括13#、14#、15#、16#、17#梁段）

經(jīng)分析處理，得到該檢測(cè)區(qū)頂?shù)装搴妥笥腋拱迓暡–T波速分布圖像（見(jiàn)圖14、圖15）。聲波CT檢測(cè)結(jié)果表明，該區(qū)梁體檢測(cè)段混凝土平均波速較高，達(dá)到4.86km/s，混凝土整體澆筑均勻性較好，但13#梁段頂板、左右腹板混凝土存在零星的低于3.8km/s的區(qū)域。

圖14

圖15

3.5 第五區(qū)：中跨跨中合攏段（包括29#塊和30#塊）

經(jīng)分析處理，得到該檢測(cè)區(qū)頂?shù)装搴妥笥腋拱迓暡–T波速分布圖像（見(jiàn)圖16、圖17）。聲波CT檢測(cè)結(jié)果表明，該區(qū)梁體檢測(cè)段混凝土平均波速較高，達(dá)到4.59km/s，但頂板底板平均波速較低，混凝土整體澆筑均勻性一般。澆筑質(zhì)量相對(duì)較差，武隆端29#梁段左腹板與底板結(jié)合部、務(wù)川端29#梁段頂板右側(cè)存在較大的低于3.8km/s的低波速帶。

圖16

圖17

4 結(jié)論和建議

本次聲波CT方法檢測(cè)結(jié)果表明檢測(cè)區(qū)段內(nèi)整體澆筑均勻性較好，各檢測(cè)區(qū)內(nèi)混凝土平均波速大于設(shè)計(jì)C60混凝土波速約為4.5km/s的要求。但在橋梁混凝土結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)低波速異常區(qū)，主要分布在檢測(cè)區(qū)段底板、頂板和中跨跨中合攏段左右腹板部位。這些部位如下：

（1）1#“T”邊跨現(xiàn)澆段底板，有混凝土局部波速小于4.0km/ s的區(qū)域。

（2）1#“T”構(gòu)邊跨1/4L處（14#、13#梁段）右腹板與底板結(jié)合部，有約3×1m2混凝土局部波速低于3.8km/s的區(qū)域。

（3）1#“T”3#梁段，頂板混凝土存在局部波速偏低，在3.8km/s范圍內(nèi)。

（4）中跨跨中頂、底板、左腹板靠近底板部位，右腹板靠近頂板部位，有混凝土局部波速低于3.8km/s的區(qū)域。

建議對(duì)該橋梁混凝土結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)的低波速異常區(qū)進(jìn)行鉆芯取樣，以芯樣抗壓試驗(yàn)結(jié)果判斷所檢構(gòu)件強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于混凝土強(qiáng)度不足的構(gòu)件，通?？筛鶕?jù)構(gòu)件在變形和裂縫方面的表現(xiàn)、混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)、配筋情況、混凝土強(qiáng)度不足的幅度及混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用要求確定處理方案。

常用的加固方法有：增大截面加固法；外包鋼加固法；外加預(yù)應(yīng)力加固法；粘鋼加固法；粘貼復(fù)合纖維材料加固法。

[1]JTG041,橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]劉向陽(yáng),等.用縱波波速推算混凝土抗壓強(qiáng)度的對(duì)比試驗(yàn)及其分析[J].無(wú)損檢測(cè),1996.

[4]趙明階,等.超聲波CT成像技術(shù)及其在大型橋梁基樁無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2001.

Acoustic CT Technology Detection on Long-Span Prestressed Continuous Rigid Bridge

Taking the main bridge of Furong River Bridge as an example,the author of this paper describes acoustic CT technique detection of long-span prestressed continuous rigid bridge.The main bridge is divided into nine detection sections,and the four profiles of each detection segments(roof,bottom,left and right web)are laid out to test the overall quality of the full-bridge concrete pouring.The results shows that overall casting in each detection section is in uniformity,the concrete within the detection region meets the basic design requirements.But a low-intensity anomaly is detected in certain parts of the concrete bridge structure.This anomaly is recommended to be properly handled later on.

acoustic CT;detection;velocity distribution;casting quality

U448.22

A

1671-9107（2011）10-0016-05

10.3969／j.issn.1671-9107.2011.10.016

2011-06-30

薛凱（1979-），工程師，主要從事設(shè)計(jì)咨詢工作。