尹永勝，姜竹昌

(山東高速建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250101)

在實(shí)際工程中，混凝土構(gòu)件內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)蜂窩、孔洞、離析、低強(qiáng)度等問(wèn)題[1-4]。無(wú)損檢測(cè)法[5]能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程中的質(zhì)量問(wèn)題，常用的無(wú)損檢測(cè)法有沖擊回波法、聲發(fā)射法、超聲脈沖法等[6]。其中沖擊回波法是一種基于彈性應(yīng)力波的測(cè)試方法，而彈性應(yīng)力波的波長(zhǎng)較大，為識(shí)別結(jié)構(gòu)缺陷，測(cè)試方法的波長(zhǎng)一般不能超過(guò)結(jié)構(gòu)缺陷的8倍，因此沖擊回波法無(wú)法有效識(shí)別鋼混組合梁結(jié)合部位的初始混凝土澆筑缺陷。聲發(fā)射法可以定量描述裂縫的發(fā)展機(jī)制及損傷發(fā)展過(guò)程，門進(jìn)杰等[7]認(rèn)為聲發(fā)射法可用于鋼筋混凝土損傷擴(kuò)展的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，但對(duì)于鋼混組合梁結(jié)合部位的初始缺陷無(wú)法有效檢測(cè)。超聲脈沖法不易進(jìn)行定量判斷，須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)，對(duì)檢測(cè)人員有較高專業(yè)要求。常用的超聲波檢測(cè)技術(shù)[8-10]分為平測(cè)法和對(duì)測(cè)法，均為單點(diǎn)發(fā)射、單點(diǎn)接收的測(cè)試方式，得到的測(cè)試評(píng)估結(jié)果存在分辨率低且測(cè)試誤差大等缺點(diǎn)。

超聲CT技術(shù)采用多點(diǎn)發(fā)射、多點(diǎn)接收方式，測(cè)試數(shù)據(jù)豐富，可有效揭示缺陷部位及范圍。檀永杰等[11]采用超聲CT測(cè)試了鋼管混凝土的界面脫空，取得較好的識(shí)別效果，鋼管混凝土的界面脫空縫隙相對(duì)較小，研究表明超聲CT測(cè)試技術(shù)具有技術(shù)有效性。

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋又被稱為波形鋼腹板PC橋[12-14]，剪力鍵與底板混凝土結(jié)合位置的施工質(zhì)量對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定至關(guān)重要。腹板和底板的剪力鍵部位易發(fā)生不密實(shí)現(xiàn)象，分析其原因有：①該部位的剪力鍵通常存在翼緣，翼緣的存在導(dǎo)致該部位混凝土無(wú)法有效振搗，進(jìn)而出現(xiàn)混凝土澆筑不密實(shí)現(xiàn)象。②剪力鍵部位的鋼筋配筋密集，同時(shí)剪力鍵構(gòu)造本身較為復(fù)雜，存在部分縱肋或橫肋，導(dǎo)致混凝土難以澆筑密實(shí)。

因此須針對(duì)施工過(guò)程中頂板混凝土剪力鍵布置區(qū)域開(kāi)展相應(yīng)的混凝土密實(shí)性評(píng)估[15-18]，保證該區(qū)域內(nèi)混凝土質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。針對(duì)波形鋼腹板和頂?shù)装褰Y(jié)合部位，目前還未有采用超聲CT測(cè)試技術(shù)檢測(cè)混凝土密實(shí)性的相關(guān)研究成果。

1 工程背景

高廣高速公路小清河3號(hào)橋?yàn)?跨(90 m+150 m+90 m)預(yù)應(yīng)力波形鋼腹板連續(xù)箱梁橋，單幅主梁采用單箱單室直腹板變截面形式，箱梁頂板寬度為12.75 m，底板寬度為6.75 m，跨中位置梁高為4.2 m，支座位置梁高為9.2 m，按1.8次拋物線過(guò)渡，波形鋼腹板厚度為16～30 mm，橋梁總體布置如圖1所示。

小清河3號(hào)橋波形鋼腹板與底板采用角鋼+閉合箍筋剪力鍵連接，波形鋼腹板底板連接部位示意如圖2所示，角鋼與閉合箍筋剪力鍵局部構(gòu)造示意如圖3所示。

剪力鍵的鋼板厚度為18 mm，共設(shè)置2個(gè)貫通孔。貫通孔的直徑為55 mm，間距為200 mm，貫穿鋼筋的直徑為7 mm，角鋼尺寸如圖4所示。其中，鋼箱與角鋼之間采用四面連續(xù)角焊縫連接。角鋼+閉合箍筋連接件與混凝土整體尺寸如圖5所示。

2 測(cè)試原理

2.1 反演法

斷層截面與投影的幾何布置如圖6所示，對(duì)截面進(jìn)行離散化處理，將網(wǎng)格疊加在圖像f(x，y)上。小網(wǎng)格中的像素值f(x，y)為常量，因此第M個(gè)單元的常量值用xM表示。對(duì)于迭代法，射線的定義略有不同，具體而言此時(shí)通過(guò)x、y平面的射線具有一定的寬度τ，圖中用陰影加重了第i根射線加以說(shuō)明，在大多數(shù)情況下，射線的寬度近似等于圖像的像素單元寬度。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)精度要求和測(cè)試條件，以V(x，y)為二維模型的速度分布函數(shù)，在成像截面共測(cè)量了N條射線。根據(jù)射線CT的理論成像公式，首先將成像區(qū)域劃分為M個(gè)單元，成像方法可以歸納為求解式(1)。

(1)

式中，lNM為第N條射線在第M個(gè)單元內(nèi)的路徑長(zhǎng)度；SM=1/VM，為第M個(gè)單元的平均慢度值；TN為第N條射線的實(shí)測(cè)走時(shí)值。

2.2 迭代重構(gòu)算法

通過(guò)快速射線追蹤技術(shù)和SIRT算法求解式(1)可以實(shí)現(xiàn)CT成像，具體步驟如下。

(2) 各單元內(nèi)的長(zhǎng)度lij和射線走時(shí)Tc利用射線追蹤技術(shù)進(jìn)行計(jì)算。

(2)

若測(cè)量區(qū)域內(nèi)的波速變化范圍已知，則可以將Smin

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

3.1 檢測(cè)方案

在小清河大橋開(kāi)展超聲CT的主要檢測(cè)區(qū)域?yàn)闃蛄鹤蠓陀曳缰形恢玫?7號(hào)塊底板剪力鍵部位，共4處位置。左腹板檢測(cè)區(qū)域?yàn)?號(hào)，右腹板檢測(cè)區(qū)域?yàn)?號(hào)，每個(gè)測(cè)區(qū)選取A1～A10共10個(gè)發(fā)射測(cè)點(diǎn)以及B1～B10共10個(gè)接收測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距為2 cm，全橋縱向檢測(cè)區(qū)域示意如圖7所示、17號(hào)塊截面檢測(cè)示意如圖8所示。

3.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的每條路徑長(zhǎng)度和聲時(shí)，計(jì)算實(shí)際測(cè)區(qū)每條路徑的聲速，再根據(jù)等效映射測(cè)區(qū)的長(zhǎng)度，測(cè)區(qū)轉(zhuǎn)化如圖9所示，通過(guò)式(3)反算出等效映射測(cè)區(qū)每條路徑的聲時(shí)。

(3)

式中，Sij為轉(zhuǎn)化測(cè)區(qū)i號(hào)發(fā)射測(cè)點(diǎn)到j(luò)號(hào)接收測(cè)點(diǎn)的長(zhǎng)度；tij為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中i號(hào)發(fā)射測(cè)點(diǎn)到j(luò)號(hào)接收測(cè)點(diǎn)聲時(shí)；sij為實(shí)際測(cè)區(qū)中i號(hào)發(fā)射測(cè)點(diǎn)到j(luò)號(hào)接收測(cè)點(diǎn)的長(zhǎng)度。

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)校核，其基本原理為：用測(cè)點(diǎn)間距S作為橫坐標(biāo)，測(cè)點(diǎn)聲時(shí)T作為縱坐標(biāo)作圖，其時(shí)距曲線應(yīng)過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)中存在離散很大的樣點(diǎn)時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行校正；若擬合直線不通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，其截距T0為延時(shí)，須對(duì)測(cè)點(diǎn)聲時(shí)進(jìn)行校核(即T-T0)， 超聲CT數(shù)據(jù)延時(shí)校核如圖10所示。

左幅小里程測(cè)試結(jié)果如圖11所示，左幅大里程測(cè)試結(jié)果如圖12所示，右幅小里程測(cè)試結(jié)果如圖13所示，右幅大里程測(cè)試結(jié)果如圖14所示，實(shí)測(cè)部位低速區(qū)如圖15所示。圖像中的縱坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)距離與總厚度的比值，橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)距離與寬度的比值。

由圖11～圖15可知：

(1) 左幅小里程測(cè)區(qū)波速分布較均勻，未出現(xiàn)明顯低速區(qū)，剪力鍵部位混凝土密實(shí)度良好，無(wú)明顯不密實(shí)現(xiàn)象。

(2) 左幅大里程測(cè)區(qū)平均波速均穩(wěn)定在5 000 m/s 左右，其中1號(hào)測(cè)區(qū)波束分布較平均，無(wú)不密實(shí)現(xiàn)象，2號(hào)測(cè)區(qū)下方出現(xiàn)低速區(qū)，分析原因可能是此處貫穿鋼筋作用，導(dǎo)致超聲波經(jīng)過(guò)此區(qū)域時(shí)發(fā)生變化，該區(qū)域占總體區(qū)域面積不足5%，其余位置波速分布均勻，對(duì)整體的影響可忽略不計(jì)，整體密實(shí)性良好。

(3) 右幅小里程1號(hào)測(cè)區(qū)波速分布均勻，無(wú)明顯低速區(qū)，混凝土密實(shí)性良好，2號(hào)測(cè)區(qū)左上方出現(xiàn)小區(qū)域的低速區(qū)，出現(xiàn)位置位于底板頂面混凝土與鋼板連接處，但該區(qū)域占總體區(qū)域面積不足5%，對(duì)總體的影響可忽略不計(jì)，總體密實(shí)性良好。

(4) 右幅大里程1號(hào)測(cè)區(qū)左上方存在低速區(qū)，但其占比較小，而且出現(xiàn)位置位于底板混凝土邊緣，其余位置波速分布均勻，不影響總體密實(shí)性，2號(hào)測(cè)區(qū)波速分布均勻，未出現(xiàn)低速區(qū)，剪力鍵部位混凝土密實(shí)性良好。

(5) 同時(shí)應(yīng)注意混凝土是由砂漿、骨料及界面組成的三向復(fù)合材料，其內(nèi)部密實(shí)性存在較強(qiáng)的隨機(jī)性，即使在結(jié)構(gòu)對(duì)稱并且施工工藝接近的情況下，各個(gè)測(cè)區(qū)的顯示結(jié)果也有所差異。

4 結(jié)語(yǔ)

超聲CT測(cè)試技術(shù)能夠圖形化顯示測(cè)區(qū)的混凝土波速場(chǎng)，可直觀判別測(cè)區(qū)混凝土缺陷的分布范圍。采用A1～A10共10個(gè)發(fā)射測(cè)點(diǎn)和B1～B10共10個(gè)接收測(cè)點(diǎn)，單個(gè)測(cè)區(qū)測(cè)得100組數(shù)據(jù)的超聲CT測(cè)試方案，能有效反演測(cè)區(qū)的混凝土波速場(chǎng)，即能有效識(shí)別混凝土材質(zhì)的不均勻性。

4個(gè)測(cè)區(qū)的測(cè)試結(jié)果表明所測(cè)橋梁的相應(yīng)部位混凝土澆筑較為密實(shí)，無(wú)混凝土澆筑不密實(shí)現(xiàn)象。