混凝土桥梁检测中超声波技术的实践应用

罗 洋

（贵州交咨工程检测有限公司，贵州 贵阳 550014）

0 引言

在施工过程中，混凝土会受到拌和、运输、浇筑、振捣、养护、脱模等因素的影响，出现质量控制较为困难的现象[1]。为提高混凝土桥梁的使用寿命，有关单位提出了多种针对混凝土桥梁的质量验收与缺陷检测方法。目前，较为常用的检测方法有钻芯取样法、大应变法、静荷载法、小应变法等，但是这些检测方法在实际应用中多存在过程繁琐、检测成本高、检测结果精度低等缺陷，而且部分检测方法仅适合小规模采样，所以很难在混凝土桥梁检测中取得理想的效果。对于很多大型混凝土工程项目，仅凭表面检验不能准确判定其可靠性，还需要对其内部密实度进行测试，以确定其结构的安全性[2]。基于此，有关单位提出了超声波检测技术，此项技术在实际应用中具有检测效率高、实施方便、结果准确等优势，能够对隐蔽性较强、复杂程度较高、易产生质量缺陷等特点的混凝土桥梁进行精确检测。实践证明，此项工作对于保证混凝土桥梁质量具有重要的现实意义。但超声波技术的应用研究多局限于理论层面，基于此，本文以贵州省贵阳市长江路二期桥梁工程项目为例，引进超声波技术，开展工程检测方法的设计研究，以期为工程质量的高精度验收提供技术指导。

1 超声波检测前准备与设备选型

为确保超声波检测技术的应用可以达到预期效果，在开展相关研究前，应先进行准备工作。

1.1 现场检查布置与处理

在进行超声波检测技术检测前，需安排技术人员检查混凝土桥梁的设计图纸，收集桥梁工程所在地的地质数据与水文数据，记录桥梁的桩基设计数据（包括桩径、桩长等），了解并及时掌握工程施工中存在的异常情况，制定与之匹配的超声波技术检测方案[3]。检测前应做好对混凝土龄期的控制，确保施工后混凝土龄期>14 d 后，再对其进行检测[4]。检测前，按照图1 布置超声波检测现场。

图1 混凝土桥梁超声波检测现场

在检测前，应做好对声测管的清洗，确保换能装置可以在检测过程中顺畅升降。可采用在声测管内灌满清水的方式，作为检测中的偶合剂，避免因声测管内出现污水导致超声波衰减程度增加。

为提高超声波检测结果的精度，应使用直径>换能器的圆钢管进行声测管的疏通处理，完成疏通后，记录疏通的深度，通过此种方式，可以根据声测管内部与外部的差值，计算内外径厚度[5]。在此过程中应注意控制混凝土桥梁的量测精度在±1 mm 范围内。

1.2 设备选型

在进行超声波检测设备的准备工作时，选用超声波便携式局放检测仪、20 k 超声波转换器作为主要设备，设备参数见表1～表2[6]。

表1 超声波便携式局放检测仪技术参数

表2 超声波转换器技术参数

完成对超声波检测过程中仪器设备的选型后，需要在正式检测前，进行装置的在线调节。

1.3 检测管线选择与埋设注意事项

在进行混凝土桥梁超声波检测管线埋设的设计工作时，应注意混凝土桥梁埋设管线的主材需优先选择金属材质，根据检测需求，对管线采用螺纹的方式进行连接[7]。同时，声测管线可参照钢筋笼的绑扎方式进行绑扎，绑扎后埋设的封闭位置应至少深于柱身300 mm，从而避免在检测过程中杂物进入到管线中。埋设时，根据混凝土桥梁的规模、桥梁桩基的桩径，进行声测管线数量的设计，当桥梁桩基的桩径<0.8 m 时，埋设的混凝土桥梁检测管线数量为2 根，当桥梁桩基的桩径在0.8 m～2.0 m 时，埋设的数量为3 根，当桥梁桩基的桩径>2.0 m 时，埋设的数量为4 根。

2 基于声波传播衰减系数的桥梁内部缺陷识别

在测点发射超声波，并在接收端进行声波的接收与展示[8]。在此过程中应明确超声波的波形与弹性波动范围遵循弹性波动理论。可以在考虑剪切波应力变化特性的基础上，从弹性波动角度计算混凝土桥梁检测中超声波的横波与纵波传播速度。计算公式如下：

式（1）～（2）中：v1为混凝土桥梁检测中超声波的横波传播速度，m/s；λ 为质点振动频率，Hz；μ 为质点传播影响条件；ρ 为混凝土密度，kg/m3；E 为混凝土杨氏模量，Pa；σ 为泊松比；v2为混凝土桥梁检测中超声波的纵波传播速度，m/s；G 为混凝土剪切模量，Pa。已知混凝土桥梁检测中超声波的传播速度后，根据其速度进行混凝土桥梁力学强度的评价[9]。考虑到超声波在质点发生碰撞会在一定程度上消耗能量，因此得出声波传播衰减能量计算公式如下：

式（3）中：α 为声波传播衰减能量，dB；Am为超声波在传播过程中的振动幅度，m；e 为振动碰撞次数；l为超声波传播距离，m。结合计算得到的声波传播衰减能量和实际测量的衰减值进行超声波的反馈，当反馈的波形具有振幅大、频率高、声时短等特点时，说明混凝土桥梁无缺陷，反之，当反馈的波形具有振幅小、频率低、声时长等特点时，说明混凝土桥梁存在内部缺陷[10]。在实际检测中可以根据混凝土桥梁的实际规模设定检测中反馈超声波的声时范围，以此为依据，进行基于声波传播衰减系数的混凝土桥梁内部缺陷识别。

3 实例应用分析

为实现对本文设计的方法在实际应用中效果的检验，以贵州省贵阳市长江路二期桥梁工程项目为例，引进超声波技术，对混凝土桥梁工程进行质检。

3.1 现场调研与分析

为确保检验结果的真实性与可靠性，在开展相关研究前，应结合工程的实际情况与建设需求，对该工程项目的基本情况进行现场调研与分析。工程项目基本情况见表3。

表3 混凝土桥梁工程基本情况

施工过程中，根据工程实际情况，在桥梁的上弧、下弧钢管内采用灌注施工的方式，灌注C60 混凝土，灌注施工时，辅助泵送设备、顶升设备，从桥梁两侧同时开始灌注，使用输送泵将混凝土从低到高进行顶升处理。考虑到混凝土桥梁的弦管较高，因此，在现场采取三级泵送的方式进行施工。

完成施工后，为实现对混凝土桥梁建设质量的检验，在与工程施工方综合商议后，决定使用本文设计的方法进行混凝土桥梁的检测，包括桥梁中混凝土的密实度、脱空情况、结构质量等。通过此种方式，确定混凝土桥梁是否存在异常，为后续的化学补灌施工等提供技术层面的指导。

3.2 测区划分及检测点布置

经过施工现场大量的勘察与调研，结合工程实际情况，在桥梁的支点截面、跨中位置、分段灌注接缝位置等处，划分测区并布置超声波检测点。在此基础上，采用扫描立面、测点加密等处理方法，以内部填充的混凝土四角与边缘作为检测的重点，以确保超声波可以充分扫描到被测区域。检测中考虑到混凝土桥梁的钢箱梁两端呈现封闭状态，直接检测设备与探测仪器无法进入该区域，在此情况下，在混凝土桥梁外侧的翼板下缘位置发射超声波，并在混凝土桥梁面板上进行接收，以实现对检测中测区的划分，相关内容见图2。

图2 混凝土桥梁测区划分

从图2 可以看出，在混凝土桥梁外侧的翼板下缘位置发射超声波后，在桥面测点位置进行超声波的接收。检测前，应根据工程的实际情况，做好混凝土桥面的清理工作，准备检测过程中所需要的仪器设备，并进行管线埋设，通过对超声波在传播过程中衰减系数的计算，实现对混凝土桥梁的无损检测，完成基于本文方法的桥梁内部缺陷检测。

在上述内容的基础上，将1 段～2 段作为C1 测区，2 段～3 段作为C2 测区，3 段～4 段作为C3 测区，4 段～5 段作为C4 测区，5 段～6 段作为C5 测区，6段～7 段作为C6 测区。按照上述步骤，发射超声波。

3.3 超声波波形曲线分析

当混凝土桥梁中混凝土无缝隙且厚度变化均匀、一致时，超声波的传播路径为最短直线，此过程为：发射超声波→超声波穿过混凝土层→超声波穿过钢腹板→超声波直线穿过内填层→穿过钢顶板与混凝土面板层，此时，超声波的波形曲线见图3。

图3 超声波检测无缺陷且厚度一致的混凝土桥梁波形

当混凝土桥梁中混凝土存在内部缺陷或有缝隙时，超声波无法通过缝隙传播，而是需要通过其他路径传播。由于混凝土桥梁中存在孔隙与内部缺陷，导致超声波检测中的超声波传播距离呈现增加趋势，波幅呈大幅度衰减，甚至可能会出现波相位发生变化的问题。此时，超声波的波形曲线见图4。

图4 超声波检测有缝隙等畸变现象的混凝土桥梁波形

3.4 桥梁内部缺陷检测

将上述内容作为参照，进行测区的检测。根据超声波的声时，进行混凝土桥梁畸变分级的判定，相关内容见表4。

表4 混凝土桥梁超声波检测结果与畸变分级

从表4 的结果可以看出，C1～ C6 混凝土桥梁超声波检测声时呈现逐步递增趋势，说明随着测区与超声波发射距离的增加，混凝土桥梁面层接收到超声波的时间越长，但根据超声波反馈的波形图，进行声波检测结果的综合判定，发现C3～C6 区段存在混凝土桥梁脱空问题。在检测到混凝土桥梁质量问题所在区域后，根据检测结果，进行脱空位置的混凝土灌浆施工，完成施工后，按照相同的步骤，进行混凝土桥梁的超声波二次检测，统计检测结果，详见表5。

表5 灌浆后混凝土桥梁超声波检测结果

从表5 可以看出，完成混凝土桥梁的灌浆施工后，C1～ C6 混凝土桥梁超声波检测结果综合判定为“正常”，说明使用本文设计的方法作为参照，可以掌握混凝土桥梁的质量情况。

4 结语

混凝土桩基础是我国轨道交通桥梁的主要构成，也是桥梁质量验收的关键。混凝土基础结构的质量可直接影响到桥梁的强度、稳定性、耐久性、桥梁的使用性能、年限等。由于施工能力和技术水平的限制，易造成桥梁桩基础的混凝土强度不达标、混凝土离析等质量问题。为提高混凝土桥梁质量，本文以某混凝土桥梁工程为例，引进超声波技术，通过超声波检测前准备与设备选型、混凝土桥梁检测管线埋设、基于声波传播衰减系数的混凝土桥梁内部缺陷识别，开展桥梁工程检测方法的设计研究。经验证，使用本文设计的方法作为参照，可以掌握混凝土桥梁的质量情况，以此种方式，为桥梁工程质检工作的规范化实施提供进一步的指导。