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(蘇交科集團(tuán)股份有限公司 江蘇南京 210019)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，混凝土橋梁建設(shè)規(guī)模和數(shù)量也不斷增加，人們對(duì)混凝土的質(zhì)量要求也越來越高，為了使橋梁建設(shè)質(zhì)量進(jìn)一步提高，檢測(cè)單位應(yīng)對(duì)混凝土橋梁實(shí)施檢測(cè)，確保橋梁運(yùn)行安全性。在混凝土橋梁檢測(cè)過程中，聲波檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)波紋管注漿缺陷以及整體澆筑質(zhì)量等進(jìn)行分析。因此，檢測(cè)單位應(yīng)以工程實(shí)際情況為基礎(chǔ)，使用聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的病害并進(jìn)行處理。

1 混凝土橋梁檢測(cè)過程中聲波檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

在混凝土橋梁檢測(cè)過程中，傳統(tǒng)的檢測(cè)方式不但存在誤差較大的問題，還會(huì)對(duì)橋梁造成傷害。隨著科技的發(fā)展，聲波檢測(cè)技術(shù)越來越成熟，相較于傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)，聲波檢測(cè)技術(shù)可以在不破壞橋梁結(jié)構(gòu)的前提下，對(duì)潛在問題進(jìn)行檢測(cè)，且具有檢測(cè)誤差較小的特點(diǎn)。與此同時(shí)，在聲波檢測(cè)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用過程中，還具有檢測(cè)成本較低、檢測(cè)時(shí)間較短以及檢測(cè)工作效率較高等優(yōu)點(diǎn)。因此，該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)在混凝土橋梁檢測(cè)過程中應(yīng)用越來越廣泛。通過使用聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)混凝土橋梁實(shí)施檢測(cè)，可以使檢測(cè)準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高，及時(shí)發(fā)現(xiàn)混凝土橋梁存在的缺陷，不但可以為混凝土橋梁質(zhì)量控制提供借鑒，還可以為混凝土橋梁后期保養(yǎng)和維護(hù)提供參考。

2 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和聲波波速的關(guān)系

通過對(duì)橋梁定期實(shí)施檢測(cè)，不但可以了解橋梁的使用狀態(tài)，還可以為后續(xù)橋梁養(yǎng)護(hù)奠定基礎(chǔ)。使用聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)橋梁實(shí)施檢測(cè)過程中，可以在不破壞橋梁本身結(jié)構(gòu)的前提下，對(duì)區(qū)域?qū)嵤└采w性檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量隱患，為混凝土橋梁質(zhì)量控制和橋梁使用過程的保養(yǎng)和維修提供借鑒。聲波檢測(cè)技術(shù)主要以混凝土中聲波傳遞過程中波動(dòng)、波速等數(shù)據(jù)變化情況為基礎(chǔ)，通過對(duì)其進(jìn)行處理，達(dá)到分析橋梁內(nèi)部構(gòu)造的目的[1]。在實(shí)施聲波檢測(cè)過程中，為了準(zhǔn)確地判斷隱患所在的具體位置，檢測(cè)人員應(yīng)將一些非結(jié)構(gòu)傳播聲音過濾掉，并對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和波速之間的關(guān)系進(jìn)行分析，在此過程中，檢測(cè)人員可以從縱波和橫波兩個(gè)方向出發(fā)進(jìn)行分析，主要公式如下。

式（1）中，Vp為縱波波速，單位：km/s；Vs為橫波波速，單位：km/s；E為彈性模量，單位：MPa；ρ為混凝土密度，單位：g/cm3；μ為剪切模量，單位：MPa；σ為泊松比。在混凝土橋梁檢測(cè)過程中，泊松比、剪切模量以及彈性模量都是表示介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)，由于混凝土為脆性材料，因此，在混凝土橋梁試驗(yàn)過程中，混凝土密度取2.6 g/cm3，泊松比取0.18。

在具體工程檢測(cè)過程中，其標(biāo)準(zhǔn)試塊的波速和抗壓強(qiáng)度之間呈正相關(guān)關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，兩者之間為冪指數(shù)關(guān)系，關(guān)系式如下。

式（2）中，Vp為縱波波速（單位：km/s）；α、b為回歸參數(shù)；Rb為混凝土抗壓強(qiáng)度（單位：MPa）。由于不同地區(qū)其混凝土骨料組成不同，因此抗壓強(qiáng)度回歸參數(shù)也各不相同，通常情況下，回歸參數(shù)b的取值范圍為3.0～3.5，回歸參數(shù)α的取值范圍為0.25～0.40。

在檢測(cè)過程中，檢測(cè)人員應(yīng)以混凝土力學(xué)性能指標(biāo)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析。通常情況下，當(dāng)混凝土橋梁強(qiáng)度等級(jí)為C30～C80時(shí)，聲波縱波波速范圍應(yīng)為3.7～4.8 km/s，其抗壓強(qiáng)度范圍為16.7～50.2 MPa，檢測(cè)人員可以將該數(shù)值作為參考值，對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。與此同時(shí)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C15～C25 時(shí)，其聲波波速應(yīng)大于3.5 km/s，若檢測(cè)所得到的聲波波速小于3.5 km/s，則該區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)可能存在缺陷。。

3 聲波檢測(cè)技術(shù)的基本方法

在混凝土橋梁聲波檢測(cè)過程中，主要檢測(cè)內(nèi)容包括表面損傷層厚度、混凝土結(jié)合面質(zhì)量、混凝土內(nèi)部不密實(shí)區(qū)和空洞、裂縫深度、混凝土強(qiáng)度等內(nèi)容。當(dāng)前聲波檢測(cè)技術(shù)的基本方法主要分為如下幾種。

3.1 透射波法

在混凝土橋梁檢測(cè)過程中，相較于反射波法和折射波法，透射波法所獲得的能量更大，其具有各類波形易于辨認(rèn)，波形干擾較小、清晰等特點(diǎn)。在使用透射波法進(jìn)行檢測(cè)過程中，檢測(cè)人員應(yīng)對(duì)發(fā)射探頭和接收探頭之間的距離進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)其測(cè)量精確度進(jìn)行控制，防止產(chǎn)生檢測(cè)誤差[2]。若兩者之間的距離無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)，檢測(cè)人員應(yīng)采取多點(diǎn)測(cè)定的方式進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)被測(cè)混凝土存在裂縫或較大的損壞導(dǎo)致聲波衰減系數(shù)增加，或檢測(cè)距離較大時(shí)，檢測(cè)人員可使用錘擊法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。通過使用透射波法可以得到聲波的波速情況，進(jìn)而達(dá)到檢測(cè)混凝土橋梁質(zhì)量的目的。

3.2 反射波法

使用接收換能器和發(fā)射換能器對(duì)混凝土橋梁質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)人員應(yīng)先使用發(fā)射換能器發(fā)射超聲波，超聲波在混凝土中傳播并產(chǎn)生反射波，使用接收換能器接收反射波，通過分析反射波的波速等可以得到混凝土橋梁的質(zhì)量情況。在該檢測(cè)過程應(yīng)用過程中，為了便于追蹤反射波，保障波形的穩(wěn)定性，檢測(cè)人員應(yīng)對(duì)接收探頭和發(fā)射探頭之間的距離進(jìn)行控制[3]。與此同時(shí)，在發(fā)射探頭測(cè)區(qū)中，反射波法可以對(duì)截面相距較近的反射波進(jìn)行分辨，具有干擾較小的特點(diǎn)。當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)與發(fā)射探頭距離較近時(shí)，反射波射線方向通常與反射面的法線一致，波形更清晰，可以使檢測(cè)準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高。

聲波在混凝土傳播過程中，由于波前的阻尼和凝滯等吸收作用以及發(fā)散作用，波內(nèi)壓縮部分和稀疏部分之間的輻射和熱傳導(dǎo)作用，在反射波形成過程中，隨著距離的增加，入射波的振幅也會(huì)出現(xiàn)按指數(shù)規(guī)律衰減的情況。與此同時(shí)，混凝土裂縫長(zhǎng)度和寬度、破碎程度，界面曲率，層理以及節(jié)理等因素也會(huì)導(dǎo)致振幅出現(xiàn)衰減，因此，在計(jì)算過程中，檢測(cè)人員應(yīng)綜合考慮各種因素，使計(jì)算準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高。

4 聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

在某橋梁施工過程中，其施工總長(zhǎng)度為550 m，頂部實(shí)際寬度為22.5 cm，底部實(shí)際寬度為11.5 cm。在實(shí)施合攏張拉施工過程中，施工人員嚴(yán)格按照施工方案和規(guī)范進(jìn)行施工，但是中跨和邊跨混凝土底板出現(xiàn)了崩裂的問題，通過對(duì)其實(shí)施加固處理后，仍存在開裂問題，為了保障其施工質(zhì)量，應(yīng)使用聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)該混凝土橋梁實(shí)施檢測(cè)。

4.1 在混凝土橋梁頂板檢測(cè)中聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

該橋梁頂板總面積共1 310 m2，測(cè)得的平均波速為4.69 km/s，由此可知該橋梁頂板混凝土強(qiáng)度大于C45。通過觀察可知，頂板中間位置的波速較高，最高可達(dá)4.81 km/s，且分布呈現(xiàn)出均勻連續(xù)的特點(diǎn)，而頂板兩翼波速值則相對(duì)較低，出現(xiàn)了較為明顯的低波速帶，寬度為2～3 m，其波速大小為2.3～4.1 km/s，由于該位置非橋梁的主要荷載區(qū)域，受力相對(duì)較小，因此不會(huì)對(duì)橋梁穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

4.2 在混凝土橋梁底板檢測(cè)中聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

該橋梁底板檢測(cè)總面積共為540 m2，測(cè)得的平均波速為4.10 km/s。使用聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)其底板進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通過觀察可知，該橋梁底板呈現(xiàn)出中間高、兩側(cè)低的分布狀態(tài)，波速分布不均勻，且存在明顯的低波速區(qū)域，由此可知其底板強(qiáng)度相對(duì)較低。與此同時(shí)，通過對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析可知，底板左側(cè)存在寬度為1～1.5 m的低波速帶，波速小于3 km/s；底板右側(cè)存在寬度為2～3 m的低波速帶，波速小于2 km/s。結(jié)合實(shí)際施工情況進(jìn)行分析可知，該橋梁底板位置存在裂縫，檢測(cè)單位應(yīng)對(duì)底板裂縫及時(shí)進(jìn)行處理，保證其使用質(zhì)量和安全性[4]。

4.3 在混凝土橋梁左腹板檢測(cè)中聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

該橋梁左腹板檢測(cè)總面積為324 m2，混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)大于C50，通過檢測(cè)可知左腹板的平均波速為4.5 km/s，符合混凝土強(qiáng)度等級(jí)要求。與此同時(shí)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知其左腹板下方幅度較小，但是整體施工質(zhì)量較好，不會(huì)對(duì)其整體穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。

4.4 在混凝土橋梁右腹板檢測(cè)中聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

該橋梁右腹板檢測(cè)總面積為324 m2，其混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)大于C60。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，右腹板的平均波速為4.70 km/s，而且數(shù)據(jù)分布較為均勻，相較于左腹板，其波速和強(qiáng)度較高，其使用效果和質(zhì)量較好。但是，在其上部存在一個(gè)寬度為1 m的低速異常區(qū)域，波速為4.1 km/s，通過對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步檢查，并沒有發(fā)現(xiàn)病害，且該處強(qiáng)度符合要求，由此可知，該橋梁右腹板質(zhì)量滿足要求。

5 分析檢測(cè)結(jié)果

通過對(duì)該橋梁頂板、底板、右腹板以及左腹板實(shí)施聲波檢測(cè)可知，該橋梁結(jié)構(gòu)右腹板、左腹板以及頂板沒有明顯的結(jié)構(gòu)缺陷。但是在對(duì)底板進(jìn)行檢測(cè)過程中，其波速存在分布不均勻的情況，且存在較為明顯的低速帶，通過進(jìn)一步的分析可知，該橋梁底板處存在裂縫，且裂縫處于發(fā)育狀態(tài)。為了保障橋梁施工質(zhì)量，使橋梁運(yùn)行安全性進(jìn)一步提高，檢測(cè)單位應(yīng)對(duì)橋梁底板裂縫進(jìn)行合理處理[5]。

為了對(duì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中的質(zhì)量問題進(jìn)一步分析，檢測(cè)人員應(yīng)以實(shí)際施工情況為基礎(chǔ)，制定不同強(qiáng)度的試驗(yàn)板，并對(duì)其進(jìn)行聲波檢測(cè)試驗(yàn)[6]。在對(duì)試驗(yàn)板進(jìn)行制作過程中，所用的鋼筋直徑為8 mm 和20 mm，試驗(yàn)板的設(shè)計(jì)情況見圖1和圖2。其中，圖1是以不同振搗條件下的試驗(yàn)板設(shè)計(jì)圖，圖2 是以不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土試驗(yàn)板的設(shè)計(jì)圖。使用聲波檢測(cè)技術(shù)分別對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)可知，聲波在非震蕩區(qū)和震蕩區(qū)的傳播速度較低，均不超過4.1 km/s，但是在輕微震蕩區(qū)中，聲波的傳播速度相對(duì)較快，均大于4.1 km/s。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30 時(shí)，波速相對(duì)較低，為3.5～4.4 km/s；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50時(shí)，其波速達(dá)到最大值，為5.2 km/s。與此同時(shí)，試驗(yàn)板中缺陷較為明顯，通過對(duì)不同缺陷的試驗(yàn)板進(jìn)行聲波檢測(cè)，可以了解各缺陷的主要表現(xiàn)，為實(shí)際工程缺陷分析提供借鑒。通過對(duì)3個(gè)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)板的聲波散射時(shí)程進(jìn)行記錄可知，其下部為散射能量，上部為二維瞬態(tài)譜，且二維瞬態(tài)譜縱軸表示頻率，橫軸表示波速傳播時(shí)間（距離）。通過對(duì)聲波散射時(shí)程結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析可知，當(dāng)傳播時(shí)間不同時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的頻率能量分布也各不相同，因此，檢測(cè)人員可以以能量強(qiáng)弱為依據(jù)，對(duì)混凝土試件缺陷、強(qiáng)度進(jìn)行分析。在此過程中，通過對(duì)波速散射時(shí)間軸（橫軸）中散射能量所在的空間位置進(jìn)行分析可知，小面積缺陷是導(dǎo)致該混凝土結(jié)構(gòu)試件出現(xiàn)散射波高頻能量的主要原因。

圖1 不同振搗前提下的試驗(yàn)板設(shè)計(jì)圖

圖2 不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)的試驗(yàn)板設(shè)計(jì)圖

除此之外，通過對(duì)該橋梁工程聲波檢測(cè)缺陷試驗(yàn)板進(jìn)行模擬，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，在對(duì)缺陷試驗(yàn)板CT剖面波速進(jìn)行分析時(shí)，3 個(gè)低速區(qū)域主要位于設(shè)計(jì)梁木板（60 cm×10 cm×5 cm）、泡沫板（30 cm×30 cm）、泡沫板（20 cm×20 cm）位置處。在該試驗(yàn)中，激發(fā)點(diǎn)和檢波器之間的距離為0.25 m，并使用0.25 m×0.25 m的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行分析，由于其分辨率較大，無(wú)法準(zhǔn)確分辨泡沫板（10 cm×10 cm）中的異常體；與此同時(shí)，對(duì)直徑為15 cm、長(zhǎng)度為65 cm的空心波紋管實(shí)施檢測(cè)時(shí)，由于其橫截面相對(duì)較小，導(dǎo)致幾乎全部的高速聲波檢測(cè)射線都繞過外側(cè)壁實(shí)施傳播，無(wú)法準(zhǔn)確分辨空心波紋管中的異常體；在使用聲波檢測(cè)法對(duì)結(jié)構(gòu)中體積相對(duì)較小的磚塊進(jìn)行檢測(cè)過程中，其聲波波速大于混凝土的標(biāo)號(hào)，該處所顯示顏色較深，波速較高，但是不能完全確定該現(xiàn)象是否是由磚塊本身引起的。

通過對(duì)比橋梁工程實(shí)際情況和聲波CT 檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)結(jié)果的聲波波速分布圖準(zhǔn)確性和清晰度較高，可以準(zhǔn)確反映橋梁工程的混凝土缺陷、強(qiáng)度以及澆筑均勻性等情況，試驗(yàn)結(jié)果符合實(shí)際情況。

6 結(jié)語(yǔ)

檢測(cè)單位應(yīng)選擇合理的檢測(cè)方式對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，由于聲波檢測(cè)技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，在混凝土橋梁檢測(cè)過程中，其應(yīng)用越來越廣泛。在使用聲波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)過程中，檢測(cè)人員應(yīng)以實(shí)際施工情況為基礎(chǔ)，對(duì)混凝土橋梁的各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，并以聲波檢測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)混凝土橋梁中可能存在的缺陷進(jìn)行合理判斷。與此同時(shí)，為了使檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高，檢測(cè)人員還應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際要求制定試驗(yàn)板，并以試驗(yàn)板檢測(cè)結(jié)果為依據(jù)，對(duì)混凝土橋梁缺陷原因及特點(diǎn)進(jìn)行分析，保障橋梁的建設(shè)質(zhì)量，使橋梁使用安全性進(jìn)一步提高，促進(jìn)我國(guó)橋梁工程事業(yè)的發(fā)展。