阮林祥，秦忱忱

（1.安徽中匯達路橋養(yǎng)護工程有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽百誠慧通科技股份有限公司,安徽 合肥 230000）

1 緒論

1.1 研究背景

承臺在橋梁建筑中起著關鍵的作用，它能夠承受墩身所傳遞的重力，一般承臺指的是橋墩下，基礎樁以上的結構，連接了橋墩和樁。荷載從上部結構傳到橋墩，通過承臺，然后分布給各個樁，最后傳給地基。橋梁的搭建離不開承臺的作用，所以研究承臺的作用及構造，及時檢查承臺的完好情況就變得尤為重要，目前國內外的檢測技術復雜多樣，各有各的優(yōu)勢，主要有沖擊回波測試、彈性波層析掃描（CT）法、回彈測法檢測等，其中彈性波層析掃描（CT）法對于承臺的損傷程度最小，能精準地測量承臺的抗壓及承受能力。下面對其主要原理及應用進行系統(tǒng)分析。

1.2 研究內容

本次研究的主要工作內容包括對承臺外觀質量進行檢查，初步判斷其病害情況，并做好相應記錄。主要檢查內容包括：

①混凝土表面是否存在露筋、空洞、夾雜、疏松和裂縫等病害；

②鋼筋間距及實際保護層厚度測量，并與設計值進行比較；

③承臺四周海床沖刷狀況。

通過無損檢測方法檢測3m高度范圍內的混凝土質量，判斷是否存在內部空洞和不密實區(qū)等病害，確定病害的位置和范圍，出具承臺檢測報告。

1.3 檢測所需儀器（表1）

本項目投入的主要儀器設備 表1

對承臺進行無損檢測，取得詳實、準確的檢測數據，采用科學合理的方法進行分析，做出現(xiàn)階段承臺技術狀況準確合理的評估，并提出“經濟、合理、科學”的處理方案及養(yǎng)護建議，供管理者決策。具體來說，檢測的主要目的有：

①對承臺現(xiàn)狀進行外觀檢測，初步了解承臺目前存在的病害情況；

②檢測承臺內部混凝土質量情況，判斷是否存在內部空洞和不密實區(qū)，確定其位置和范圍；

③對存在的病害進行分析，提出合理的處理方案及養(yǎng)護建議。見表2。

現(xiàn)場主要使用的儀器 表2

2 HM大橋概況概況

2.1 橋梁概況

杭州HM大橋于2003年11月14日正式開工，并于2007年6月26日全橋貫通，2008年5月1日正式通車。其北起浙江嘉興海鹽鄭家埭，南至寧波慈溪水路灣，全長36km，橫跨中國杭州灣海域，縮短了寧波至上海間的陸路距離約120km，是國道主干線（同三線）跨越杭州灣的便捷通道。全橋按雙向六車道高速公路設計，設計時速為100km/h，設計使用年限100年，總投資約118億元。

大橋的地理位置如圖4所示。

圖1 彈性波CT檢測儀

圖2 裂縫綜合測試儀

圖3 地質雷達

圖4 大橋地理位置標注

3 檢測方法

2.2 承臺概況

見表3、4，圖6～圖8。

杭州HM大橋下部結構構件分布組成表 表3

本次項目所涉及的承臺截面尺寸及數量表 表4

圖5 承臺上部結構橋跨布置圖

圖6 承臺截面尺寸/cm

圖7 F06承臺立面圖

圖8 F06承臺平面圖/mm

3.1 沖擊回波測試法

通過利用沖擊錘在結構物的表面沖擊激勵，產生彈性波，彈性波在結構物的分界面反射。利用相關分析技術或頻譜 技術（FFT、MEM等）抽出分界面的反射信號，并根據彈性波在健全部位的P波波速來推定結構物厚度等。

在被測混凝土結構的壁厚既知的前提下，利用彈性波的重復反射，可測出彈性波在被測混凝土試件的傳播時間和彈性波波速，該方法也稱“沖擊回波法”，具有測試效率高、測試結果客觀性強的特點，可優(yōu)先采用。

圖9 沖擊回波法測試方案

測試時以圓形承臺頂為測試面，等距布置測點，整個承臺頂面共布置三個同心圓測試面。

根據承臺病害情況，選擇在承臺頂面邊緣向內分別布置3條環(huán)形測線，布置位置由外向內分別為距承臺邊緣50cm、150cm、250cm，同一測圈相鄰兩側點之間間距為1m。3條測線布置的測點數由外向內分別為32個、30個、28個。測點及測線布置圖見圖10。

圖10 測線及測點布置圖/mm

3.2 彈性波層析掃描（CT）法

CT檢測剖面的布置充分考慮到測試范圍應覆蓋病害可能產生的混凝土內部深度范圍，同時，由于混凝土內鋼筋會影響CT超彈性波的測試精度，測試剖面應盡量避開鋼筋密集區(qū)域。

彈性波CT測試選取承臺表面為測試區(qū)域，測試的深度布置分為在承臺頂面向下50cm至110cm范圍內。選取承臺四個縱向剖面為測試面。

各測線布置為一側測點為彈性波發(fā)射點，編號依次為F0～F3，另一側測點為彈性波接收點，編號依次為S0～S3。檢測時，依次F0～F3點作為發(fā)射點利用錘擊發(fā)射彈性波信號，對應每一個發(fā)射點依次在S0～S3接收點接收彈性波信號，每一對發(fā)射接收點為一條測線，每一檢測剖面共進行16條測線檢測，獲取原始記錄波形64條，測線發(fā)射接收方式如圖11所示。

圖11 CT剖面測線布置示意圖（僅示意測線發(fā)射接收方式）

在承臺側面間隔45度布置測試面，共4個測試面。在每個測試面（承臺頂面豎直向下50cm至110cm范圍），等間距（相鄰測點間距20cm）布置測點.每條測試線4個點，每個測試面可測得16條彈性波CT原始波形，4個測試面共可測得64條彈性波CT原始波形。彈性波CT測點布置剖面圖見圖13，測面布置圖見圖12。

圖12 彈性波CT測試面布置平面圖

圖13 彈性波CT測點布置剖面圖

以橋墩橫橋向為剖面，下游側方向為測試起點，圍繞承臺逆時針方向依次對測面進行編號。即0度、45度、90度、135度這四個測試面。

測試面分為激勵端和授信端，每端共四個測點。激勵端測點編號從承臺頂面朝下依次為F0、F1、F2、F3，授信端測點編號從承臺頂面朝下依次為S0、S1、S2、S3。

具體編號詳見圖14、圖15。

圖14 彈性波CT測試面平面圖

圖15 彈性波CT測試面立面圖

檢測數據后處理中根據“走時成像原理”將速度函數信號作為投影數據，在有網格計算的數學模型下，利用同時迭代重建技術（SIRT）和約束最小二乘算法（ILST）等反演算法求解方程求出檢測斷面上彈性波速度的分布，即實現(xiàn)斷層掃描成像。若測試區(qū)域內有空洞或軟弱不密實區(qū)等缺陷，則彈性波的傳播時間會增長，通過測線的距離反演的速度會降低。不經過缺陷測線的速度幾乎不變。測線越多，解析精度和分辨率越高，應根據現(xiàn)場實際情況，選擇適量測線條數。實際操作中，可通過斷面上彈性波速度的分布來評價混凝土的質量，判斷混凝土內部可能存在的缺陷。

實現(xiàn)斷層掃描成像（CT）檢測剖面的布置應充分考慮到測試范圍需覆蓋可能產生混凝土內部病害的深度范圍。同時，由于混凝土內鋼筋會影響CT超彈性波的測試精度，測試剖面應盡量避開鋼筋密集區(qū)域。

3.3 回彈測法檢測

①對墻體或所要檢測的構件進行檢測時，選擇所要檢測構件的數量有具體的要求。一般來說，在選擇所要檢查的構件時，所選擇的構件數應占總數的30%左右。并且這些構件的檢測應遵循隨機抽取的原則，只有這樣才能夠使得數據具有一定的準確性和可參考性。

②單個構件測區(qū)數一般為10個，當受檢數量大于30個時，可根據兩個條件適當減少，不低于5個（工程現(xiàn)場，一般是10個測區(qū)和5個測區(qū)選得多）。

③相鄰測區(qū)的間距不應大于2m，測區(qū)離構件短部或施工縫的距離不宜大于0.5m，也不宜小于0.2m。

④當測量梁柱墻之類的，需要在兩個對稱面都布置測區(qū)（一般每側5個）。

⑤測區(qū)面積不宜大于0.04m2（一般20cm×20cm）。

⑥當需要進行取芯修正時，芯樣數量不少于6個，公稱直徑一般為100mm。在測量的過程中要根據芯樣的強度進行平均值的計算，并對數據進行分析，確保所使用的數據符合要求，并且所使用的數據如果產生較大偏差時應對有較大偏差的數據進行分析。

⑦碳化深度值測點數不少于構件測區(qū)數的30%（所以一般鑿3個坑測碳化深度，每個坑測量3次，讀數精確到0.5mm，所以一般碳化深度值為0-6之間每隔0.5mm）

⑧回彈值計算。在使用回彈儀軟件進行碳化深度的計算時，需要對碳化深度進行公式的輸入。由于各個地方對于碳化深度和回彈方向的參考標準不一，所以要根據地方的標準進行分別的設置。當發(fā)現(xiàn)碳化深度出現(xiàn)錯誤等情況時，應及時對產生錯誤的情況進行修正。

⑨測強曲線。對于測強曲線國家對于各個地方的測強曲線有統(tǒng)一的標準，但是由于地方性氣候的不同，一些地區(qū)會有專門的測強曲線，所以在測強曲線繪制時一定要根據當地的曲線特點進行分析。

3.4 外觀檢測（表5）

混凝土保護層厚度的判定標準 表5

主要針對海床沖刷后基樁外露段長度進行檢查，檢查時從承臺頂部下吊鉛錘探入樁側土層中，測量鉛錘剛入土時的下吊長度，結合承臺頂高程反算出當前海床的實際高程，并與設計值進行比較。檢測方式示意圖如圖16所示。

圖16 海床沖刷檢查方式示意圖

4 檢測結果

4.1 混凝土質量評定標準

①檢測可獲得測區(qū)混凝土的波速分布，用波速評價混凝土強度，可對比波速—強度曲線。波速—強度曲線有全國的、區(qū)域的、工程項目的，選取的優(yōu)先順序是：工程項目的波速強度曲線、區(qū)域的波速強度曲線、全國的波速-強度曲線。見圖17。

圖17 混凝土強度等級與波速的關系

②用波速評價混凝土質量的流程如下：

使用聲波層析成像法檢測得到測區(qū)混凝土波速分布圖像；

根據混凝土設計強度和選取的波速-強度曲線，確定標準波速值，作為混凝土質量評價的依據，目前國內應用的參考波速-強度曲線如表6所示；

混凝土波速與強度的實驗結果對照表 表6

波速在標準值以上的區(qū)域為合格區(qū)，不到標準值80%的區(qū)域稱為低速異常區(qū)；

根據射線密度與正交性分布，若檢測區(qū)域只有部分滿足完備性要求，那么只對滿足要求的區(qū)域進行解釋，不滿足的區(qū)域只做參考；

混凝土的平均波速Vα：

式中:Vα-混凝土的平均波速（m/s）；

Vj-網格內單元位置的波速（m/s）；

M-網格內單元總數。

混凝土的波速離散度Rb：

式中:Rb-波速離散度；

σ-標準差。

均勻混凝土的離散度宜小于10%。

針對調查對象的個人特征：性別、學歷、年級、專業(yè)、文獻檢索課程、本科就讀高校(是否985或211高校)、A類學術論文發(fā)表情況進行了描述性統(tǒng)計分析，具體如下：

③合格面積率Rs：

式中:Rs-合格面積率（%）；

Sn-達到標準值以上的單元所占的面積（m2）；

Sn-網格總面積（m2）。

當合格面積比率達到或超過80%時，可判定混凝土強度達到標準值。

最大缺陷尺度是混凝土質量評價的參數之一，最大缺陷尺度應不超過檢測面積的5%。

鋼筋的波速Vst（5700m/s)高于混凝土波速。若在鋼筋密集處，可對鋼筋的影響予以消除。

式中：V-直接量測的鋼筋混凝土構件波速值（m/s）；

Vc-可在波強曲線中得到對應強度的混凝土波速換算值（m/s）；

Vst-鋼筋波速(m/s)；

α-鋼筋在混凝土中所占的體積比(%)。

鋼筋在混凝土中所占的體積比α可根據鋼筋構造圖投影得到。當鋼筋體積比小于5%時，波速可不必修正。

4.2 沖擊回波法檢測

由圖18、圖19、圖20測試結果可知：外圓、中圓、內圓這三個測試面均未發(fā)現(xiàn)混凝土疑似缺陷區(qū)域。

圖18 外圓測試結果圖

圖19 中圓測試結果圖

圖20 內圓測試結果圖

4.3 彈性波CT測試法

各檢測區(qū)域的混凝土波速統(tǒng)計如表7所示。

各檢測剖面波速統(tǒng)計表 表7

由以上測試結果可知：

45度剖面檢測區(qū)域內混凝土的平均波速分別為3.374km/s，最小波速為2.907km/s，綜合考慮可以得出：45度剖面上海側方向，深度0.75m～0.85m范圍內存在部分低波速值區(qū)域，故判定此區(qū)域可能存在混凝土疑似缺陷（詳見圖22中框選區(qū)域）。

圖21 0度測試面測試結果圖

圖22 45度測試面測試結果圖

圖23 90度測試面測試結果圖

圖24 135度測試面測試結果圖

混凝土疑似缺陷區(qū)域平面位置見圖25中陰影區(qū)域，深度為承臺頂面以下0.75m～0.85m范圍內。

圖25 混凝土疑似缺陷區(qū)域平面圖

為了驗證混凝土無損檢測法判定疑似缺陷位置的準確性，將上述結果與已有的鉆芯法芯樣結果相對比。鉆芯法判定的結果詳見表8。

鉆芯法驗證結果 表8

鉆芯法取樣時，取芯位置及芯樣編號詳見圖26。

圖26 取芯位置及芯樣編號

5個芯樣照片詳見圖27。

圖27 芯樣照片

表9和表10檢測結果表明：

橫向鋼筋保護層厚度評定結果 表9

豎向鋼筋保護層厚度評定結果 表10

各層評定結果匯總 表11

C77#上游側承臺的橫向鋼筋保護層厚度平均值為90mm；縱向鋼筋保護層厚度平均值為118mm，依據《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011），該承臺的橫向鋼筋保護層厚度評定標度為2，表明此時的保護層厚度對結構耐久性有輕度影響；豎向鋼筋保護層厚度評定標度為1，表明此時的保護層厚度對結構耐久性的影響不顯著。

5 結論

45度剖面檢測區(qū)域內混凝土的平均波速分別為3.374km/s，最小波速為2.907km/s，綜合考慮可以得出：45度剖面上海側方向，深度0.75m～0.85m范圍內存在部分低波速值區(qū)域，故判定此區(qū)域可能存在混凝土疑似缺陷。為了更加準確地判定混凝土無損檢測法測得的疑似缺陷位置，將上述結果與鉆芯法得到的結果相對比，綜合判斷缺陷位置。經對比，混凝土無損檢測法判定的疑似缺陷位置與鉆芯法測得的缺陷位置基本相同。