声波CT技术在斜拉桥大体积混凝土检测中的应用

黄欧龙，曹国侯，苏建坤，李万宝

(1.南部战区 陆军第二工程科研设计院，云南 昆明 650222；2. 云南航天工程物探检测股份有限公司，云南 昆明 650217)

声波CT技术在斜拉桥大体积混凝土检测中的应用

黄欧龙1，曹国侯1，苏建坤2，李万宝2

(1.南部战区 陆军第二工程科研设计院，云南 昆明 650222；2. 云南航天工程物探检测股份有限公司，云南 昆明 650217)

混凝土结构表观及内部缺陷将严重影响桥梁工程的建设及后期运营安全，为获取某斜拉桥塔柱表面裂缝发展及延伸情况，引入了声波CT技术。首先对声波CT技术的基本原理及重要性进行介绍；然后通过裂缝检测声波CT技术对混凝土进行质量检测，得出塔柱内混凝土缺陷、密实性、均匀性等情况；最后通过对比分析，得出塔柱表面裂缝的发展状况，为保障施工质量，保证桥梁施工进度提供理论依据。两者对比结果充分证明了声波CT技术在混凝土检测中的有效性和全面性。

声波CT；裂缝检测；质量检测

1 引 言

随着我国交通建设的高速发展，道路要求等级不断提高，桥梁工程已被广泛应用于交通建设中。同时由于桥梁可以跨越峡谷、河流以及现有交通工程，因此，在现代交通建设中，桥梁建设起着非常重要的作用[1-4]。有研究表明大部分的混凝土桥梁的损坏是由裂缝造成的，有的裂缝很微小，肉眼察觉不到，这种级别的裂缝对结构不会产生大的影响，有的裂缝在荷载、气候环境及其他影响因素作用下，会使裂缝扩展延伸，引起桥梁保护层剥落，进而使钢筋产生锈蚀，影响混凝土的强度和刚度，破坏结构的完整性，影响桥梁耐久性及正常使用寿命，严重的可能造成桥梁坍塌的危险。因此对桥梁混凝土裂缝的检测十分有必要。

目前采用声波CT技术对桥梁混凝土进行质量检测是国内比较先进的办法，声波CT技术能够及时发现混凝土构件存在的各种缺陷，包括裂缝情况、密实性及均匀性等，通过声波CT技术，人们可以对桥梁混凝土病害位置进行及时处理，消除各种工程质量隐患，从而保证桥梁工程后续施工，保障后期的安全运营等。

2 声波CT技术

声波CT技术[5，6]是利用在物体外部观测得到的物理场量，通过特殊的数字处理技术，重现物体内部状态或物性参数的分布图像，从而解决被检测物内部结构的工程技术问题。所利用的场源己从早期医疗用的X射线扩展到光波、地震波、电磁波、声波及超声波。它是地球物理勘探技术、数字计算技术、计算机图形技术相结合的产物，一经产生便得到快速发展，便在工程技术界得到了广泛应用。目前各类工程混凝土质量检测用的是声波层析成像技术[7-9]。

声波CT技术的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。

3 工程概况

该桥梁跨越黄河，为大跨径双塔斜拉桥，主桥长1 000 m，宽28 m，主塔最高193.6 m。为双塔双索钢-混叠合梁斜拉桥。斜拉索扇形布置，桥面全宽为28.0 m。本桥采用“H”形主塔，主塔塔身由上塔柱、中塔柱、下塔柱、上横梁和下横梁等组成。

21号主塔总高度为193.6 m，塔身采用箱形变截面，从上至下分为上、中、下塔柱。其中下塔柱首节混凝土高度为5.8 m，其中实心段高3 m，截面尺寸由11.573 m×8.382 m减为11.124 m×8.082 m，混凝土采用设计C50混凝土强度。由于21号下塔柱首节混凝土(塔座顶)浇筑时间为冬季，温度低，塔座施工完成后，未能及时进行下塔柱施工，第二年拆模后发现下塔柱首节实心段存在裂缝现象，且右塔柱裂缝多于左塔。施工现场及塔柱裂缝照片如图1和图2所示。

图1 下塔柱现场施工照片Fig.1 The photo of the construction site of the lower pylon column

图2 下塔柱首节实心段裂缝Fig.2 The crack of the first solid section of the lower pylon column

4 检测方法

为查明21号下塔柱首节实心段裂缝的发展情况，探明其内部混凝土的密实情况及不均匀性，对该段塔柱进行裂缝检测和声波CT检测。

4.1 裂缝检测方法

对21号主塔下塔柱左、右塔柱分别进行裂缝分布检测，对裂缝进行编号、拍照、描绘；然后测量裂缝的宽度并记录；对具有代表性裂缝利用超声单面平测法进行深度检测[10,11]。

4.2 声波CT检测方法

对21号主塔右塔柱实心段布置了6个水平CT剖面，编号自下而上分别为Y1～Y6，沿长边布置了2个斜剖面，编号分别为Y7、Y8。左塔柱实心段布置了1个水平CT剖面，编号为Z1，沿长边布置2个斜剖面，编号为Z2、Z3。为兼顾检测精度及工作量，取激发点、检波点间距均为0.5 m。剖面测线布置示意图如图3所示。

水平剖面截面尺寸约为11.4 m×8.2 m，每个剖面激发点数为40个，检波点数为40个，射线条数为40×40=1 600条，斜剖面射线条数稍多，也粗略按1 600条计算。剖面射线分布图如图4所示。

5 检测结果分析

5.1 裂缝检测结果

根据现场检测结果得出，21号左塔柱代表性裂缝23条，裂缝最长为下游侧LF 9，长度为3.25 m，裂缝最宽为大里程侧LF5，宽度为0.35 mm，深度最深为下游侧LF4，深度为72.1 mm。其裂缝展布位置图如图5所示。

21号右塔柱代表性裂缝有32条，裂缝最长为下游侧LF6，长度为4.70 m，宽度最宽为小里程端LF4，宽度为0.25 mm，深度最深为大里程端LF6，深度为61.2 mm。其裂缝展布位置图如图6所示。

5.2 声波CT检测结果

通过检波器获取初至波的波形图，如图7所示为21号右塔柱侧面单炮激发波形图。通过对各检波器接收波形图进行处理、分析成图，得出剖面的检测CT成果图。图中红色、黄色为高波速区，表示混凝土浇筑质量较好；绿色、蓝色为低波速区，表示混凝土浇筑质量较差。特别是蓝色区域，波速(波的传播速度V，单位m/s)小于2 500 m/s，往往存在裂缝、空洞。

图3 声波CT测线布置示意图Fig.3 The schematic diagram of measuring layout lines by sonic CT

图4 射线分布Fig.4 The distribution map of the ray

图5 左塔柱裂缝展布Fig.5 The distribution map of the crack in left tower column

图6 右塔柱裂缝展布Fig.6 The distribution map of the crack in right tower column

如图8所示为右塔柱Y1水平剖面CT成果图，波速整体偏高，未发现明显贯通的低波速带，推测该剖面混凝土浇筑密实，均匀性好，整体浇筑质量较好。但在部分边、角浅层处存在零星低波速区，是由混凝土开裂或不密实引起的，但其开裂主要集中于塔柱表面。

图9所示为右塔柱左斜剖面CT检测成果图，波速整体偏高，未发现明显贯通的低波速带，推测该剖面混凝土浇筑密实，均匀性好，整体浇筑质量较好。但在部分边、角浅层处存在零星低波速区，是由混凝土开裂或不密实引起的，主要集中在大里程一侧，且分布较小，位于塔柱表层范围内。

图8 右塔柱Y1水平剖面CT检测成果Fig.8 The result map of Y1 horizontal plane in the right tower column by CT detection

图9 右塔柱Y7左斜剖面CT检测成果Fig.9 The result map of Y7 Left oblique plane in the right tower CT detection

5.3 对比分析

根据声波CT检测结果，生成声波检测三维展布图，并将声波CT技术检测与裂缝检测结果进行对比，此处选取右塔柱下游侧断面与大里程侧的裂缝分布图和声波CT检测结果进行对比，如图10和图11所示。

通过两侧面裂缝分布与声波CT检测结果对比图可以发现，声波CT检测结果与裂缝检测结果基本吻合。其中由于裂缝的存在，裂缝附近混凝土完整性较差，因此在声波检测结果中表现为一定范围的低波速区，呈绿色至蓝色。

根据右塔柱8个剖面的声波CT检测结果，绘制出右塔柱混凝土检测成果三维展布图，如图12所示。通过成果展布图可以发现，低速区主要分布在塔柱混凝土体表面一定范围内，并未向其内部延伸。说明该塔柱浇筑质量较好，仅在混凝土边角处存在裂缝或不密实情况，对部分裂缝须进行密封注浆处理。

另外，通过声波CT与裂缝检测结果对比表明，一方面声波CT检测与裂缝检测结果基本吻合；另一方面声波CT检测结果直观性以及全面性远超裂缝检测成果。声波CT检测技术在混凝土检测中具有更高的准确性与有效性， 能够对其内部空洞、密实性等情况进行探测，对混凝土进行全面评价，保障施工质量，保证运营安全。

图10 大里程侧检测结果对比Fig.10 Comparison of the detection result in far mileage

图11 下游侧检测结果对比Fig.11 Comparison of the detection result in the downstream

图12 右塔柱内部混凝土三维展布Fig.12 The three-dimensional distribution map of internal concrete in right tower column

6 结 论

目前我国交通建设发展越来越快，交通建设要求越来越高，作为交通建设的重要组成部分，桥梁工程正朝着高要求高标准的方向发展。因此对于桥梁工程安全施工、运营的要求越来越高，而桥梁裂缝检测能够提前发现桥梁工程中存在的工程问题，做到提前发现，及时治理。声波CT检测技术的应用，能够对桥梁裂缝的影响范围、发展规模以及混凝土内部的密实情况进行全面检测，并能够做到直观表达，据此能够针对桥梁结果采取有效的措施，保证施工运营安全，对在建桥梁工程的施工动态设计提供可靠的依据。该技术的推广将产生巨大的社会经济效益。

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The Application of Sonic Computed Tomography to Mass Concrete Detection of Cable-stayed Bridge

Huang Oulong1，Cao Guohou1，Su Jiankun2，Li Wanbao2

(1.SecondEngineeringInstituteofScientificResearchandEngineeringDesign,SouthMilitaryAreaGroundForce,KunmingYunnan650222,China；2.YunnanAerospaceEngineeringGeophysicalLimitedbyShareLtd,KunmingYunnan650217,China)

The defects of apparent and internal concrete structure will seriously affect the construction and operation safety of bridge engineer later. In order to obtain the surface crack development of a certain cable-stayed bridge tower,the sonic computed tomography is introduced in this paper. First the basic principles and importance of the technology of sonic computed tomography are presented. Then through the sonic computed tomography technology and crack detection to detect the quality of concrete,the defects,compactness and uniformity of concrete in the tower column can be found. At last,by contrastive analysis,we can obtain the development conditions of surface crack of tower column,which provides the theory basis to guarantee the construction quality and to ensure the progress of bridge construction. According to the comparison results,the validity and completeness of the technology of sonic computed tomography in the detection of concrete are well proved.

sonic computed tomography; crack detection; quality detection

1672—7940(2016)06—0794—05

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.06.017

黄欧龙(1980-)，男，工学硕士，工程师，主要研究方向为地下工程设计与防护研究。E-mail:karonhol@163.com

P631.5

A

2016-08-01