声波检测技术在混凝土桥梁检测中的应用

陆 林

（苏州东振路桥工程有限公司中心试验室，江苏 苏州 215000 ）

1 工程概况

某桥梁主桥长为550m，为预应力混凝土连续刚构桥，梁体为单箱单室三向变高箱梁，底宽为11.5m、顶宽为22.5m，翼缘板悬臂长为5.5m，在实施合龙张拉时，应按照从中跨到边跨的顺序。在对1#桥墩进行张拉施工过程中，边跨和中跨的混凝土存在底板崩裂现象，对其进行加固后，仍存在底板壁开裂问题，因此应采用声波检测技术对其进一步实施检测。

2 声波波速与混凝土桥梁结构强度之间的关系

声波检测技术也称为声波透析成像技术。声波在混凝土内部传递的过程中，其波速、波频以及波速会发生相应的变化，通过对这些信号进行数字处理，可以了解混凝土桥梁内部的主要构造，分析混凝土桥梁结构的病害，本文主要研究波速与混凝土桥梁结构强度之间的关系。声波波速主要分为横波和纵波两种，通过声波波速的研究可以了解混凝土桥梁结构强度，纵波和横波波速计算公式为：

其中：剪切模量为μ（MPa）；混凝土密度为ρ（g/cm3）；泊松比为σ；弹性模量为E（MPa）；横波波速为Vs（km/s）；纵波波速为Vp（km/s）。本文中混凝土密度为2.6g/cm³ ，泊松比为0.18。

通常波速与标准试块抗压强度之间存在正相关关系，公式为：

其中：纵波波速为Vp（km/s）；回归参数为α、b；混凝土抗压强度为Rb（MPa）。由于不同区域混凝土骨料成分也各不相同，因此其抗压强度回归参数也不尽相同，通常b 取值应在3.0～3.5 的范围内，α取值应在0.25～0.40 的范围内。

在该工程中，声波波速以及混凝土抗压强度回归关系为：

3 对声波检测技术的运用

3.1 声波检测技术在混凝土桥梁顶板检测中的应用

在对本桥梁顶板进行声波检测时，其面积为1310m2，通过检测可知该顶板波速均值为4.69km/s，当混凝土强度大于C45 时，顶梁板主体中间位置混凝土强度和声波波速较高，其波速大于4.81km/s，且分布连续、均匀。但是顶板两翼的位置波速较低，顶板右翼位置存在较为明显地低波速带，宽度为2～3m，波速为2.3～4.1km/s，由于该部分非主要受力部位，因此其并不会对桥梁结构整体稳定性产生影响。

3.2 声波检测技术在混凝土桥梁底板检测中的应用

对桥梁底板进行声波检测时，其面积为540m2，混凝土强度设计值范围为C40～C45，其波速均值是4.10km/s。底板的强度和波速分为非常不均匀，中间位置的波速均值大于4.10km/s，四周有50%左右的面积区域波速小于3.1km/s。由于底板腹板和两翼之间相互连接，因此其对梁体强度有较大的影响。根据检测结果可知，底板右侧腹板和边缘连接处存在波速均值小于2km/s的低波速区域，宽度为2～3m，左侧连接处存在波速均值小于3km/s 的低波速区域，宽度为1～1.5m，该两处区域为底板裂缝存在的主要位置。

3.3 声波检测技术在混凝土桥梁左腹板检测中的应用

对桥梁左腹板进行声波检测时，其面积为324 m2，混凝土强度大于C50，其波速均值为4.5km/s，较为均匀，因此可知左腹板的施工质量良好。但是在大里程和小里程侧存在局部性高低速异常区域，主要位于左腹板下方，但是由于异常幅度较小，因此不会对腹板稳定性产生过大的影响。

3.4 声波检测技术在混凝土桥梁右腹板检测中的应用

对桥梁右腹板进行声波检测时，其面积为324m2，混凝土强度为C60，其声波波速均值为4.70km/s，分布均匀，且与左腹板相比，其强度和波速较高，因此该处质量较好。与下部相比，上部波速较低，且上部有一条低速异常区域，宽度为1m，波速均值为4.1km/s，下部波速均大于4.6km/s。综上，该桥梁右腹板没有严重病害，强度较高，质量良好。

4 检测结果要析

以上述左右腹板、底板以及顶板的检测结果进行分析可知，箱梁左右腹板和顶板混凝土的检测波速较高，分别为4.4.2km/s、4.62km/s 以及4.73km/s，且混凝土强度均符合C50～C70 的设计要求，且混凝土结构具有良好的连续性和质量，没有出现贯通性低速结构缺陷。但是底板波速均值为4.07km/s，与其他部位相比波速较低，且分布较为不均匀，而在其与腹板的连接处波速为3.1km/s，波速较低，因此可知此处质量缺陷较为明显，会对桥梁质量产生较大明显。通过深层检查可知，这些低速条带区域内的裂缝为发育状态，需施工单位实施治理。

为了对本桥梁的混凝土结构所存在的质量缺陷进行进一步的分析，试验人员应制备不同强度的试验板，并对其进行声波测试。在对试验板进行制备时，应使用直径为20mm 和8mm 的钢筋，其尺寸为10m×1.5m×0.35m。图1～图3 为试验板的主要设计情况。对三种不同的混凝土试验板实施声波检测，并对比其设计缺陷和检测结果，可以对本工程中的桥梁声波检测准确性进行判断和分析。

图1 为不同振捣情况下试验板的设计图，图2 为本工程对不同强度试验板进行声波检测的主要设计图，通过对试验板的CT 剖面波速图进行分析可知，在过振和未振区域声波的传播速率都比较低，都小于4.1km/s，而声波在轻振区域的波速较高，均大于4.1km/s。混凝土标号为C50 时，波速达到最高，为5.2km/s，混凝土强度为C30 时，其波速最低，范围在3.5～4.4km/s 之间，混凝土强度为C40 时，波速范围为4.4～5.2km/s。

图1 振捣不同的试验板设计图

图2 强度不同的试验板设计图

图3 为对声波检测缺陷试验板的设计图，通过对缺陷试验板的CT 剖面波速进行分析可知，低速较为明显的三个区域分别对应设计梁的60cm× 10cm×5cm 木板、30cm×30cm 泡沫板以及20cm×20cm 泡沫板。在试验过程中，对激发点和检波器进行布置的间距应为25cm，所使用的计算网格0.25m×0.25m，由于其分辨率较大，因此无法对10cm×10cm 泡沫板的异常进行判断；空心波纹管的直径为15cm、长度为65cm，其横截面较小，使用高速声波检测射线进行检测时，会绕过全部的外侧壁，因此无法对空心波纹管的异常进行判断；在对低体积砖块实施检测时，以低标号混凝土相比，其波速较高，在检测结果途中显示为高速，但是并不能对砖块内是否存在缺陷进行判断。

图3 声波检测缺陷试验板的设计图

4 结语

（1）以桥梁工程实际为依据，对声波CT 检测试验结果进行分析可知，其与施工实际相符，通过波速分布图可以对桥梁浇筑均匀性、混凝土缺陷及强度等情况进行更加准确和清晰的判断。

（2）通过对不同强度试验板进行试验和分析可知，其声波散射时程下部为散射能量，上部为二维瞬态谱，二维瞬态谱的纵轴为频率，横轴为传播时间（距离）。通过对声波散射时程进行记录，可以对频率能量的时间分布进行分析，并以此对混凝土缺陷进行分析。根据试验结果可知，在混凝土试件1～2m 处出现强散射能量的主要原因是因为端头附近存在空区或敲击产生的影响，从中可看出在波纹管10.5～11.2m、7～7.4m、4.2～4.9m 以及3.0～3.4m的位置存在缺陷，总长度为2.2m。

综上，在对混凝土桥梁进行检测过程中，声波无损检测技术具有较大的前景，该种技术可以使桥梁波纹管注浆位置定位、缺陷大小以及梁板浇筑质量检测精确度进一步提高，可以为今后桥梁工程施工提供借鉴。