弹性波(CT)层析技术在桥梁检测中的应用

袁 浩 唐 英

(中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731)



弹性波(CT)层析技术在桥梁检测中的应用

袁 浩 唐 英

(中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731)

阐述了弹性波层析扫描(CT)检测技术的基本原理及特点，并采用该技术，检测了某高速铁路连续梁0号块混凝土内部质量，实践应用表明，弹性波在混凝土这种介质中传播时，混凝土的弹模及强度存在与波速相关的数学关系，与传统的无损检测方法相比具有明显的优越性。

连续梁，弹性波层析扫描，混凝土，质量检测

连续梁是一种应用最为广泛的桥型。连续梁的0号块体积较大，预应力钢束和钢筋密集。在施工浇筑过程中，一旦质量控制不严格，易发生漏振、漏浆等现象，导致混凝土形成蜂窝状不密实或空洞等内部缺陷，给运营安全造成极大隐患。

为了保证桥梁安全服役、促进交通运输科学发展，必须对此类缺陷进行准确的检测评估，以便为下一步的加固维修提供科学依据。由于针对的是已建成的桥梁主要部件，为了避免检测对结构造成二次损伤，应采取无损检测手段进行。针对于混凝土内部缺陷，现有无损检测手段仍然存在检测深度不足、检测精度不高的缺点，不能全面、整体以及深入的反映内部缺陷情况。而混凝土内部的缺陷容易导致结构受到严重的破坏。找到一种填补现有检测手段空白,能够准确定位、量化内部缺陷的检测手段,已成为科研、检测人员迫待解决的问题。

弹性波层析扫描(CT)检测技术应用于混凝土结构的缺陷检测在西方发达国家(如美国、日本等)开展的比较普遍[1]，其理论、技术日趋成熟。在我国地理勘探等行业，弹性波层析扫描(CT)检测技术已作为一项比较成熟的技术得以大量实践。将弹性波扫描的方法应用于0号块混凝土内部质量的检测,能够将内部缺陷全面、深入且准确地探测出来，为下一步的加固维修提供科学依据。本文在描述弹性波的层析扫描(CT)检测的基本原理的基础上，通过工程实践叙述其检测方法及证明其在连续梁0号块混凝土内部质量无损检测中的广阔应用前景。

1 弹性波层析扫描(CT)技术

1.1 弹性波层析扫描(CT)的基本原理

弹性波层析扫描(Computerized Tomography，简称CT)是一种全面、直观评价混凝土内部质量，且结果的可靠性和准确性均比较好的无损检测方法[2]，该检测方法基于弹性波(P波)理论。当弹性波处于不同类型的介质中时，反映出的传播特性也不相同，弹性波的传播速度、能量衰减及频谱成分和目标体的介质成分、结构和密度等因素相关[3]。当弹性波通过混凝土内部无缺陷位置(浇筑密实、强度较高)时，波速相对较高，声波能量衰减的也相对较慢；当弹性波通过混凝土内部有缺陷位置(浇筑不密实、强度较低)时，波速相对较低，声波能量衰减的也相对较快。

20世纪40年代末，美国的研究学者通过一系列试验研究，提出了弹性波波速评定混凝土质量的参考标准[4]，参考标准见表1。

表1 常用弹性波(P波)波速评定混凝土质量参考标准 m/s

上述标准并不能准确的适用于混凝土内部缺陷检测，因为在实际工程中，地区差异、级配大小的不同、采用骨料的区别都会对同一标号的混凝土内部弹性波传播速度产生影响，上述标准只表明在以往的研究中已经可以定性的描述出波速与混凝土质量的对应关系。在工程实践中为了得到准确的检测结果，采取在检测现场进行波速与受测混凝土强度对应关系准确标定的方法，得到波速和受测混凝土强度之间的相关性拟合曲线。

1.2 弹性波层析扫描(CT)的检测方法

在受检混凝土结构两个对立的测面布置测点，激发侧依次布置激振源，受激侧依次等量的布置受信点。激振点与受信点之间两两对穿形成弹性波射线，由弹性波射线编织成一个射线网(见图1)，由这个射线网所覆盖的范围我们称之为检测剖面，实践工作中，我们将检测剖面设置于想要探测混凝土质量的位置，合理设置网格密度。根据“走时成像原理”，将每条射线的速度函数信号数据投影在形成的网格模型下，利用计算机反演技术得到剖面上各个点位的弹性波波速值，以波速云图的方式展示，利用整个检测剖面的速度云图分布来找到缺陷位置(云图中低速异常区域)及准确量化其面积。

1.3 弹性波层析扫描(CT)技术在连续梁0号块混凝土内部质量检测中的适用性及检测流程

连续梁0号块混凝土内部缺陷的检测存在以下几个难点：1)0号块为大体积混凝土，检测深度要求大，一般超过5 m；2)0号块底部需布置支座上盖板、防落梁装置等，对内部混凝土形成遮盖，造成很多单测面检测手段不易实施；3)0号块内部钢筋密集、预埋件较多，影响使用超声波、电磁波类检测仪器的检测精度。弹性波层析扫描(CT)技术可以完全解决以上难点。冲击弹性波由外部激发，激振产生频率可达到4 kHz以上，检测深度可达混凝土内部10 m左右。检测采用剖面分层检测，剖面设置灵活，不易受结构表面遮盖物影响。

根据实践经验，连续梁0号块混凝土内部缺陷的检测宜按照以下流程进行，以便保证检测工作有序开展、检测内容全面、检测结果准确。首先，对0号块混凝土进行外观检测，包括混凝土的蜂窝、麻面，剥落、掉角，空洞、孔洞，裂缝等缺陷检测。对发现的病害做好现场记录及标记，初步确定病害范围，掌握病害特征。其次，进行弹性波层析扫描(CT)检测，对在外观检测中无法依靠肉眼观测到的内部混凝土质量进行检测，进一步确定缺陷区域及其深度范围。第三步，结合外观检测及CT检测成果，选取病害及缺陷区域最不利部位进行钻孔，采用内窥镜对其内部混凝土进行内窥检测，更加直观准确的掌握病害及缺损状况。最后，综合外观检测、CT检测及开孔内窥检测的检测成果，明确底板混凝土存在的病害缺陷的主要特征，分析桥梁现有缺损的范围、深度等，为下一步的加固设计和桥梁养护提供技术支持，为桥梁的管理与维护决策提供科学依据。

2 工程实例分析

2.1 层析扫描剖面设置

图2是一座连续梁0号块层析扫描的剖面布置图，该桥0号块在浇筑完成脱模后发现底板位置存在混凝土松散离析的缺陷区域，为探明该0号块底板内部混凝土质量情况，采取了本文1.2节所述检测方法，首先进行了外观检查，初步确定病害范围，掌握病害特征。底板外观检测缺陷展示如图3所示。

由外观检测成果展示图可知，在0号块底板肉眼可见位置，存在三个混凝土缺陷区域，分别为A区，B区，C区，其中A区缺陷区域面积约1.55 m2,B区缺陷区域面积约1.83 m2,C区缺陷区域面积约0.95 m2。本次检测在0号块底板深度范围内共布置了三个剖面，CT剖面均布置为矩形，激振点与受信点相距7.5 m，剖面覆盖整个0号块底板范围。

2.2 层析扫描检测结果及综合分析

本次层析扫描每个剖面各测得256条测线。通过现场标定，受测位置混凝土强度达到C50标准时，弹性波波速应超过4 200 m/s。本项目将上述指标作为最终检测结果的评定标准。

经软件处理后分析,每个深度的检测剖面得到一幅CT波速分布图像(见图4～图6)。图中用颜色展示波速的分布，颜色由深灰色到黑色代表弹性波波速由3.0 km/s到6.0 km/s。根据前面提到的评定标准，波速云图中浅灰至黑色区域均为低速异常区域即为混凝土缺陷区域，表示该区域混凝土不密实、质量差。

由各剖面波速分布图可知：1)在剖面1位置，即距离底板8 cm深的内部混凝土平均波速低，表明该区域混凝土质量差。该深度混凝土存在3个低速异常区域，缺陷区域范围覆盖底板表面混凝土缺陷区域(图中灰线包围范围为外观检查中探明的底面表面混凝土缺陷区域)，且侵入支座上座板及防落梁装置覆盖范围。其中，A区对应位置缺陷区域面积1.3 m2,B区对应位置缺陷区域面积2.6 m2,C区对应位置缺陷区域面积1.0 m2。2)在剖面2位置，即距离底板16 cm深的内部混凝土平均波速一般，表明混凝土施工质量较差。该深度混凝土同样存在3个低速异常区域，缺陷区域范围处于底板表面混凝土缺陷区域内，但面积较小。其中，A区对应位置缺陷区域面积0.1 m2,B区对应位置缺陷区域面积0.4 m2,C区对应位置缺陷区域面积0.5 m2。3)在剖面3位置，即距离底板28 cm深的内部混凝土平均波速较好，波速分布均匀，表明混凝土质量好。该深度混凝土不存在低速异常区域。

此后，在波速异常区域内进行钻孔验证，钻孔直至混凝土密实位置为止。采用内窥镜对其内部混凝土进行内窥观察，更加直观准确的掌握病害及缺损状况。钻孔结论为A区缺陷深度最大为21 cm,B区缺陷深度最大为20 cm,C区缺陷最大为19 cm。

综合外观检测、层析扫描检测及钻孔内窥检测成果分析可知：A区域混凝土松散离析缺陷在底板混凝土内呈锥形分布。越接近底板，缺陷区域面积越大，缺陷区域面积最大处约1.55 m2，深度约21 cm；B区域混凝土松散离析缺陷在底板混凝土内部呈锥形分布。越接近底板，缺陷区域面积越大，缺陷区域面积最大处约2.6 m2，深度约20 cm；C区域混凝土松散离析缺陷在底板混凝土内部呈锥形分布。越接近底板，缺陷区域面积越大，缺陷区域面积最大处约1.0 m2，深度约19 cm。

2.3 检测结论验证

由于检测结果表明该处混凝土内部存在较大缺陷，故现场施工单位进行了梁体顶升，拆除支座盖板及防落梁装置，对缺陷区域混凝土进行凿除以便进行后续加固维修。在凿除缺陷区域混凝土过程中，对缺陷区域混凝土面积、深度、性状进行了测量，实测尺寸均与无损检测结论能够较好符合。

3 结语

工程实践证明，可以将弹性波层析扫描(CT)技术应用到连续梁内部混凝土质量检测中,本文中介绍的以该技术为核心的检测方法具有以下优点：1)该检测方法整体性强，检测剖面覆盖范围广，不易产生遗漏；2)不仅能够反映受测位置混凝土强度大小，且能够反映其密实程度；3)能够形成界面友好的波速云图，方便对发现的内部缺陷进行定位及准确描述。

弹性波层析扫描(CT)技术为既有及新建桥梁的混凝土内部缺陷检测提供了可靠的手段。相信随着理论研究的深入以及硬件设施的不断完善，该技术将会有更加广阔的应用前景。

[1] 吕小彬,孙其臣,鲁一晖,等.基于冲击弹性波的CT技术的原理及在水工混凝土结构无损检测中的应用[J].水利水电技术，2013(10)：134-135.

[2] 吕小彬,鲁一晖,王荣鲁,等.冲击弹性波技术在大体积混凝土无损检测中的应用[A].水库大坝建设与管理中的技术进展——中国大坝协会2012学术年会论文集[C].成都：中国大坝协会,2012.

[3] 丁建芳,李苍松,何发亮.声波CT技术在桥梁病害评估中的应用[J].声学技术，2008,27(4)：91-93.

[4] Leslie JR,W J Cheeseman.An ultrasonic method for studying deterioration and cracking in concrete structures[J]. Amer Concrete Inst Proceedings，1949，46(1)：208-210.

Application of elastic wave CT technology in bridge detection

Yuan Hao Tang Ying

(China Railway Southwest Science Academy Co., Ltd, Chengdu 611731, China)

The paper describes basic principles and features of elastic wave CT detection technology, and detects internal quality of express railway continuous beam 0# concrete. Practical application proves that: when the elastic wave broadcasts in the media of concrete, there is mathematical relationship between concrete elastic modulus and strength and wave speed, which has obvious advantages comparing to traditional nondestructive examination method.

continuous beam, elastic wave CT scanning, concrete, quality detection

1009-6825(2017)08-0155-03

2017-01-03

袁 浩(1984- )，男，硕士，工程师； 唐 英(1964- )，女，教授级高级工程师

U446

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