大跨度预应力连续钢构桥声波CT技术检测研究

薛 凯，孙少瑾，张庆明

(1重庆市路达公路设计咨询事务所重庆4000672辽宁省交通规划设计院辽宁1101663重庆建工集团有限责任公司重庆401122)

大跨度预应力连续钢构桥声波CT技术检测研究

薛 凯1，孙少瑾2，张庆明3

(1重庆市路达公路设计咨询事务所重庆4000672辽宁省交通规划设计院辽宁1101663重庆建工集团有限责任公司重庆401122)

本文介绍了用声波CT技术检测大跨度预应力连续钢构桥的一种方法，并以芙蓉江特大桥主桥为例，将主桥分为9个检测段，在每个检测段的顶板、底板、左右腹板布置了四个剖面对全桥进行混凝土整体浇筑质量检测。检测结果表明，检测区段内整体浇筑均匀性较好，各检测区内混凝土基本满足设计的要求，但在桥梁混凝土结构局部出现低强度异常区，建议进行妥善处理。

声波CT；检测；波速分布图；浇筑质量

引言

根据弹性波的运动学和动力学特征，弹性波层析成像方法可以分为两大类：一是以运动特征为基础的射线层析成像；二是以动力学特征为基础的波动方程层析成像。

作为反演声波穿透的射线层析成象，其基本思想是根据声波的射线几何运动学原理，将声波从发射点到接收点的旅行时间表达成探测区域介质速度参数的线积分，然后通过沿线积分路径进行反投影来重建介质速度参数的分布图像。

混凝土声波CT无损检测，就是根据声波射线的几何运动学原理，利用先进的声波发射、接收系统，在被检测块体的一端发射，在另一端接收，用声波扫描被检测体，然后利用计算机反演成像技术，呈现被检测体各微小单元范围内的混凝土声波速度，进而对被检测体作出质量评价。

声波CT技术可以检测桥梁工程中混凝土整体浇筑质量，其工作原理与医学CT类似。医学CT是利用X射线穿透人体，通过射线强度衰减的观测对人体组织成像。声波CT是利用声波穿透工程介质，通过声波走时和能量衰减的观测对工程结构成像。声波在穿透工程介质时，其速度快慢与介质的弹性模量、剪切模量、密度有关。介质密度大、强度高的其模量大，波速高、衰减小；破碎疏松介质的波速低、衰减大；波速可作为混凝土强度和缺陷评价的定量指标。声波CT特别适用于研究工程介质力学强度的分布，在桥梁工程检测中常被用来探查混凝土强度、空洞、不密实区等结构的质量缺陷。

表1 混凝土波速与抗压强度的实验测定结果

混凝土的声波速度可以作为评价混凝土抗压强度与密实度的定量指标。混凝土的波速与混凝土抗压强度有正相关系，已有大量理论研究和测试对比数据和回归关系。可用于在建桥梁的质量控制和运行桥梁的病害诊断，检测的分辨率可达分米级。可确定低强度的部位、范围、程度，为病害整治和施工质量控制、工艺改进提供依据。

目前固体介质CT层析成像技术日趋成熟，并较广泛地应用在地质、石油、煤炭、水电等缺陷识别领域。鉴于其较高的分辨率要求，仍处于研究阶段。在混凝土桥梁基桩的超声无损检测中，由于其主要缺陷是指对结构的稳定和承载能力具有影响的宏观缺陷。如不密实区、空洞、夹泥、离析等，因此现有的CT层析成像技术在使用超声波的情况下，其分辨率足以达到要求[4]。

表2 混凝土强度及力学指标与实验资料

图1 (卵石)试块声速-抗压强度回归分析图

图2 (碎石)试块声速-抗压强度回归分析图

由以上表1、表2及图1、图2可知，当梁体结构物混凝土标号为C60时，抗压强度为38.5MPa，纵波速度值应该在4.5km/s；此波速数值可以作为混凝土强度评价的参考值。区域性实测波速远低于4.5km/s时，可认为存在质量缺陷。下面主要介绍声波CT技术对芙蓉江特大桥主桥混凝土整体浇筑质量的检测情况。

1 工程概况

芙蓉江特大桥属重庆至贵州二级公路特大桥之一，大桥位于重庆市武隆县与彭水县交界的芙蓉江，桥位斜跨芙蓉江，桥址位于芙蓉江背斜西翼近轴部，大桥起始端为武隆县浩口乡浩口村，终点为彭水县大垭乡的刘露娅。该桥全长538.93m（K29+639.4～K30+178.33），桥型为主桥132+230+132m预应力混凝土连续刚构桥，引桥35m预应力混凝土简支箱梁。该桥设计荷载等级为公路-Ⅱ级，设计车速为40km/h。主桥箱梁为变截面单箱单室断面，箱梁顶面宽度9.0m，箱梁底宽5.0m；各墩与箱梁相接的根部断面梁高为13.5m，现浇段和合拢段梁高均为4.0m，其间梁底下缘按1.8次抛物线变化。引桥梁高1.8m，腹板厚50cm，顶板厚25cm，底板厚20cm。由于引桥位于半径135m的缓和曲线上，桥面及箱室随路线线性加宽。

下部结构桥墩较高，其中1#墩高106.5m，2#墩高54.5m。由于两墩高度相差较大，两墩在54.5m以上范围采用双肢等截面薄壁墩型式，壁厚2.0m，两肢净间距6.0m；1#墩在54.5m以下采用1：80变截面实体墩，以减小刚度相差太大的影响，见图3。

图3 芙蓉江特大桥全景

对该桥主桥混凝土整体浇筑质量及预应力管道注浆质量进行了专项检测，检测内容及检测部位如图4所示。

图4 红色区域为本次主要检测区段

2 声波CT技术的检测内容

本次声波CT工作布置在芙蓉江特大桥主桥494m范围内，现场将检测区域分为9个检测段，并在每个检测区的顶板、底板、左右腹板布置了四个声波CT剖面，共计36个剖面。道间距、激发点间距均为0.5m，全桥声波CT检测布置图。每个CT剖面为平面二维布置。

本次9个工作区的CT观测系统基本相同，桥梁箱梁顶、底、左右腹板观测系统描述如下。

2.1 检测区梁体顶板声波CT观测系统

各检测区梁体顶板声波CT观测系统的布置如图5所示：沿桥面左侧（从武隆至务川方向看）布置了64道检波器，道间距0.5m；横穿路面、沿桥面右侧布置激发点，激发点间距0.5m。

2.2 检测区梁体底板声波CT观测系统

各检测区梁体底板的声波CT观测是在桥箱内完成的。观测系统布置如图6所示：沿底板右侧（从武隆至务川方向）看布置了64道检波器，道间距0.5m；沿横向、沿底板左侧布置激发点，激发点间距0.5m。

图5 顶板声波CT布置示意图

图6 底板声波CT布置示意图

2.3 检测区梁体左（右）腹板声波CT观测系统

各检测区梁体左腹板声波CT观测系统的布置如图7所示：在左腹板梁体内布置了64道检波器，道间距0.5m；在左（右）腹板正上方路面上布置激发点，局部激发点布置在梁体腹板上，激发点间距0.5m。

图7 左（右）腹板声波CT布置示意图

2.4 完成工作量

本次桥梁结构声波CT检测实际完成的工作量为：声波CT剖面36个，累计声波射线101696条。

3 声波CT检测结果

3.1 第一区：武隆端现浇段（包括30#梁段和31#梁段）

经分析处理，得到该检测区顶底板和左右腹板声波CT波速分布图像（见图8、图9）。声波CT检测结果表明，该区梁体检测段混凝土平均波速较高，达到4.9km/s，混凝土整体浇筑均匀性较好。但底板局部区域有低波速带，波速低于4.0km/s。

3.2 第二区：1#“T”构边跨1/4L（包括13#、14#、15#、16#、17#梁段）

经分析处理，得到该检测区顶底板和左右腹板声波CT波速分布图像（见图10、图11）。声波CT检测结果表明，该区梁体检测段混凝土平均波速较高，达到4.84km/s，混凝土整体浇筑均匀性较好，但右腹板务川端13～14#梁段与底板结合部有混凝土局部波速低于3.8km/s的区域。

图8

图9

图10

图11

3.3 第三区：1#“T”构0#块以及左右侧1#、2#、3#梁段

经分析处理，得到该检测区顶底板和左右腹板声波CT波速分布图像（见图12、图13）。声波CT检测结果表明，该区梁体检测段混凝土平均波速较高，达到4.75km/s，混凝土整体浇筑均匀性较好，但顶板混凝土局部区域波速偏低，存在低于3.8km/s的区域。

图12

图13

3.4 第四区：1#“T”构中跨1/4L（包括13#、14#、15#、16#、17#梁段）

经分析处理，得到该检测区顶底板和左右腹板声波CT波速分布图像（见图14、图15）。声波CT检测结果表明，该区梁体检测段混凝土平均波速较高，达到4.86km/s，混凝土整体浇筑均匀性较好，但13#梁段顶板、左右腹板混凝土存在零星的低于3.8km/s的区域。

图14

图15

3.5 第五区：中跨跨中合拢段（包括29#块和30#块）

经分析处理，得到该检测区顶底板和左右腹板声波CT波速分布图像（见图16、图17）。声波CT检测结果表明，该区梁体检测段混凝土平均波速较高，达到4.59km/s，但顶板底板平均波速较低，混凝土整体浇筑均匀性一般。浇筑质量相对较差，武隆端29#梁段左腹板与底板结合部、务川端29#梁段顶板右侧存在较大的低于3.8km/s的低波速带。

图16

图17

4 结论和建议

本次声波CT方法检测结果表明检测区段内整体浇筑均匀性较好，各检测区内混凝土平均波速大于设计C60混凝土波速约为4.5km/s的要求。但在桥梁混凝土结构局部出现低波速异常区，主要分布在检测区段底板、顶板和中跨跨中合拢段左右腹板部位。这些部位如下：

（1）1#“T”边跨现浇段底板，有混凝土局部波速小于4.0km/ s的区域。

（2）1#“T”构边跨1/4L处（14#、13#梁段）右腹板与底板结合部，有约3×1m2混凝土局部波速低于3.8km/s的区域。

（3）1#“T”3#梁段，顶板混凝土存在局部波速偏低，在3.8km/s范围内。

（4）中跨跨中顶、底板、左腹板靠近底板部位，右腹板靠近顶板部位，有混凝土局部波速低于3.8km/s的区域。

建议对该桥梁混凝土结构局部出现的低波速异常区进行钻芯取样，以芯样抗压试验结果判断所检构件强度是否满足设计要求。对于混凝土强度不足的构件，通常可根据构件在变形和裂缝方面的表现、混凝土的设计强度等级、配筋情况、混凝土强度不足的幅度及混凝土结构设计和使用要求确定处理方案。

常用的加固方法有：增大截面加固法；外包钢加固法；外加预应力加固法；粘钢加固法；粘贴复合纤维材料加固法。

[1]JTG041,桥涵施工技术规范[S].

[2]JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3]刘向阳,等.用纵波波速推算混凝土抗压强度的对比试验及其分析[J].无损检测,1996.

[4]赵明阶,等.超声波CT成像技术及其在大型桥梁基桩无损检测中的应用[J].重庆交通学院学报,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

薛凯（1979-），工程师，主要从事设计咨询工作。