陳炙樟

(潮州市交通運(yùn)輸工程質(zhì)量監(jiān)督站工作，廣東 潮州 521000)

1 引言

目前，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速推進(jìn)，公路網(wǎng)建設(shè)重心逐漸由東部平原地區(qū)向西部多山地區(qū)偏移。橋梁工程作為連接山區(qū)不同高程公路的主要建設(shè)形式，其建設(shè)過程容易受多種因素的影響。為保證橋梁工程的施工質(zhì)量，同時(shí)降低運(yùn)營期存在的安全隱患，有必要對(duì)橋梁進(jìn)行相應(yīng)的質(zhì)量檢測工作，從而更為合理地制定橋梁加固措施。聲波檢測作為橋梁檢測的主要形式，其能夠在不損傷混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)安全性的檢測?；诖?，本文分析了聲波檢測在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)檢測的原理，通過工程實(shí)例對(duì)聲波檢測在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

2 聲波檢測技術(shù)及原理

2.1 聲波檢測技術(shù)

聲波檢測利用聲波在不同介質(zhì)中具有不同的傳播特性來對(duì)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，作為一種無損檢測方法，聲波檢測已經(jīng)在混凝土橋梁檢測中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。目前，聲波檢測在混凝土橋梁檢測領(lǐng)域的應(yīng)用主要是基于反射法和透射法兩種形式開展。反射法因單一脈沖信號(hào)探測深度有限以及信號(hào)干擾影響較大等原因，一般僅用于對(duì)混凝土淺層裂縫以及表層損傷進(jìn)行檢測。相對(duì)而言，透射法通過增加換能器功率，提升信號(hào)處理技術(shù)，使聲波在穿越混凝土材料后能夠得到更為準(zhǔn)確的反饋，這也使其逐漸成了混凝土橋梁無損檢測的主要方法。

2.2 聲波檢測原理

聲波作為一種彈性脈沖波，當(dāng)其在混凝土彈性體中傳播時(shí)其波動(dòng)可視為是縱波和橫波疊加后的表現(xiàn)。一般而言，當(dāng)橋梁混凝土密實(shí)無裂縫時(shí)，聲波在混凝土中的傳播一致，不會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。然而當(dāng)混凝土存在空洞或裂縫時(shí)，由于聲波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)表現(xiàn)為不同的傳播速度和規(guī)律，聲波在達(dá)到不同介質(zhì)界面時(shí)便會(huì)出現(xiàn)不同的傳播速度或能量強(qiáng)度，因此，相應(yīng)的聲波接收系統(tǒng)也會(huì)收到不同于密實(shí)混凝土的聲波傳播規(guī)律。無損檢測中常用的方法是超聲波檢測和沖擊回波法檢測兩種形式，兩種方法較為類似，但考慮到?jīng)_擊回波法檢測僅需一個(gè)測試面，且使用更低的聲波進(jìn)行檢測合理避免了雜波的干擾，同時(shí)由于本文的工程實(shí)例中所采用的聲波檢測方法也為沖擊回波法，因此，后續(xù)主要針對(duì)沖擊回波法進(jìn)行論述。具體操作流程為采用小錘或鋼球敲擊混凝土表層使其產(chǎn)生一個(gè)低頻的應(yīng)力波，該應(yīng)力波到達(dá)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部時(shí)會(huì)被反射，采用傳感器對(duì)反射回來的應(yīng)力波進(jìn)行接收，隨后將其傳輸至內(nèi)置的高速數(shù)據(jù)采集的便攜式儀器中進(jìn)行存儲(chǔ)。

在采用該方法對(duì)橋梁混凝土密實(shí)度進(jìn)行檢測時(shí)，首先需要確定波速與混凝土強(qiáng)度間的量化關(guān)系。聲波可視為是縱波以及橫波經(jīng)過復(fù)雜疊加后的產(chǎn)物，在確定二者量化關(guān)系之前，首先需確定混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的波速大小，通常可通過式(1）和式(2）計(jì)算獲得：

式中，vp和vs分別為混凝土中的縱波及橫波傳播速度；ρ、μ 和E 分別為混凝土材料的密度、剪切模量和彈性模量；σ 為混凝土材料的泊松比。

相關(guān)研究表明[4-5]，一般而言，混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度Rb與其縱波速度vp間存在式(3）所示關(guān)系：

式中，a 和b 分別為回歸擬合參數(shù)。一般而言，擬合參數(shù)a 和b的取值范圍分別為0.25～0.4 和3～3.5。通過式(3）便可求得不同強(qiáng)度混凝土的標(biāo)準(zhǔn)縱波傳播速度。

3 聲波檢測技術(shù)在混凝土橋梁中的應(yīng)用

3.1 工程實(shí)例

省道S232 線古巷至鳳塘段改建工程的西山溪二橋，全長415 m，分離式單幅橋面寬度16.25 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，單箱雙室斷面，局部位置梁高為2.0～2.5 m，箱梁挑臂寬2.5 m，挑臂端部厚0.2 m，根部厚0.4 m，箱梁頂板厚0.25 m，底板厚0.22～0.4 m，腹板厚0.4～0.7 m。

在合龍張拉階段采取從中跨到邊跨的張拉順序。考慮到部分橋墩在施工過程中出現(xiàn)邊跨和中跨處混凝土出現(xiàn)多處底板裂縫，在多次加固后仍存在地板開裂問題，因此，擬采用聲波檢測技術(shù)對(duì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量檢測。值得一提的是在計(jì)算混凝土波速時(shí)泊松比取0.18，密度取2.6103kg/m3，彈性模量取值見表1?；炷恋膹?qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)一般能較好地為實(shí)例中的混凝土橋梁強(qiáng)度檢測提供參考，如表1所示，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30～C80 時(shí)，其縱波波速大概在3.7～4.8 km/s，通常認(rèn)為混凝土等級(jí)為C15～C25 時(shí)波速小于3.5 km/s，此時(shí)認(rèn)為混凝土存在嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)缺陷。

表1 混凝土性能參數(shù)測試結(jié)果

3.2 聲波檢測技術(shù)在混凝土橋梁檢測中的應(yīng)用

本項(xiàng)目主要針對(duì)混凝土橋梁的頂板、底板以及左、右腹板位置處的混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢測。檢測時(shí)嚴(yán)格按照儀器的使用規(guī)程進(jìn)行操作，本文分別針對(duì)不同位置處的檢測結(jié)果進(jìn)行分析。

橋梁頂板面積約為1 350 m2，經(jīng)測試該區(qū)域處的混凝土波速均值為4.72 km/s，混凝土的整體強(qiáng)度性能指標(biāo)滿足C50混凝土的強(qiáng)度要求。在頂板中間位置處的波速可達(dá)4.85 km/s，且波速分布較為均勻，混凝土指標(biāo)性能甚至滿足C60 強(qiáng)度指標(biāo)。但值得一提的是在頂板兩翼位置處的波速較低，大約在4.1～4.4 km/s 范圍波動(dòng)，且覆蓋區(qū)域大約在1.5～2.0 m。由于頂板的主要承載位置是中心位置，兩翼位置的承載要求較低，因此頂板位置處的混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

橋梁底板的檢測面積約為550 m2，混凝土的波速測試結(jié)果顯示波速均值為4.2 km/s，整體強(qiáng)度大約在C40～C50 混凝土強(qiáng)度指標(biāo)之間。該區(qū)域內(nèi)的波速波動(dòng)較大，僅中間位置處的波速在4.34 km/s 外，其余一半?yún)^(qū)域位置的波速均為4.14 km/s，因此，認(rèn)為該橋梁底板結(jié)構(gòu)處的強(qiáng)度最低，試驗(yàn)結(jié)束后，已要求覆布養(yǎng)護(hù)，后經(jīng)進(jìn)一步檢測，強(qiáng)度符合要求。

橋梁左腹位置處的檢測面積約為332 m2，混凝土檢測的波速均值為4.52 km/s，其強(qiáng)度滿足C50 混凝土強(qiáng)度指標(biāo)，且波速均勻，未出現(xiàn)明顯的低波速區(qū)域。因此，橋梁左腹位置處的混凝土強(qiáng)度滿足要求，且不存在空洞等缺陷。

橋梁右腹位置處的檢測面積與左腹位置處的檢測面積相同，均為332 m2，相應(yīng)的混凝土縱波波速為4.65 km/s，其強(qiáng)度可達(dá)C60 混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)，且波速均勻。但在右腹板上部位置處出現(xiàn)了寬約1.1 m 的低波速帶，該區(qū)域的波速均值為4.3 km/s，考慮到該低波速帶的影響區(qū)域較小且強(qiáng)度滿足C50混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)，因此，可認(rèn)為橋梁腹部處的混凝土強(qiáng)度均滿足要求。

3.3 聲波檢測板的設(shè)計(jì)

通過分析上述開展的混凝土波速檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，部位橋梁位置處的混凝土存在一定的質(zhì)量缺陷，為進(jìn)一步深化研究造成混凝土質(zhì)量缺陷的原因，本文開展了混凝土不同振實(shí)度、不同強(qiáng)度以及不同缺陷的試驗(yàn)板試驗(yàn)。試驗(yàn)板尺寸設(shè)計(jì)為10 m×1.5 m×0.35 m，鋼筋材料尺寸以8 mm 和20 mm 進(jìn)行模擬。圖1為混凝土不同振實(shí)度、強(qiáng)度以及缺陷的試驗(yàn)板設(shè)計(jì)圖。

通過對(duì)測試板進(jìn)行測試后發(fā)現(xiàn)對(duì)于振實(shí)度試驗(yàn)測試板而言，過振和未振區(qū)域的波速均較低，通常小于4.2 km/s，在輕振和正常振實(shí)條件下的波速較高，通常大于4.2 km/s。對(duì)于強(qiáng)度試驗(yàn)板而言，聲波在C50 混凝土中的傳播速度最快，可達(dá)5.3 km/s，在C30 的傳播速度最小，為3.4～3.9 km/s，C40 混凝土的聲波傳播速度介于二者之間。對(duì)于缺陷試驗(yàn)板而言，聲波在木板、30 cm×30 cm×30 cm 以及20 cm×20 cm×20 cm 的泡沫板中均表現(xiàn)出了較低的傳播速度，對(duì)于其他試件來說，由于尺寸效應(yīng)以及材料特性的影響，均無法準(zhǔn)確判斷是否存在缺陷。總而言之，上述的試驗(yàn)板檢測結(jié)果與實(shí)際橋梁混凝土測試結(jié)果較為接近。此外，通過分析試驗(yàn)板檢測過程中的聲波散射時(shí)程可發(fā)現(xiàn)混凝土試件散射的高頻能量是由于混凝土中存在部分小面積缺陷所引起的，導(dǎo)致混凝土試件在小范圍內(nèi)散射較強(qiáng)能量的主要原因是敲擊和端頭空洞所引起的。

4 結(jié)論

本文論述了聲波檢測的原理，通過工程實(shí)例對(duì)聲波檢測在混凝土橋梁檢測中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析。結(jié)果表明，沖擊回波法作為橋梁無損檢測的主要形式，能夠準(zhǔn)確地測定混凝土中的缺陷問題，在未來混凝土橋梁檢測過程中值得被推廣應(yīng)用。