基于超声波法的T梁厚度检测方法研究

谢盛明，汪继文，詹小丽，姜 维，邵 华

(1.舟山市交通质量监督局，舟山 316000;2.金华市交通工程质量监督站，金华 321000;3.浙江工业大学，杭州 310014)

引言

公路交通是连接人类社会的交通生命线，公路桥梁作为交通基础设施的咽喉工程，在公路交通运输中发挥至关重要的作用。由于上部荷载和周围环境的长时间作用，将导致桥梁使用性能衰退、结构安全和耐久性降低，甚至出现桥毁人亡事故。以桥梁上部主要承重构件——梁板为例，其客观也存在“生、老、病、死”的生存周期，因此对其实施及时有效的养护维修与管理，是保证桥梁健康、安全服役的关键。而采用科学的技术手段和方法对其进行有效的检测，是后期养护维修和管理的前提和基础。[1]

在现浇桥梁施工过程中，梁板的浇筑厚度非常重要，直接关系到桥梁上部结构的实体质量。在以往的施工过程中梁板的厚度控制是通过周边的模板或钢筋上标示的控制点进行混凝土的厚度控制。由于利用模板做控制点相对距离较远，利用钢筋做控制点，在浇筑过程中钢架网高度易受施工影响而下沉，在施工中无法实现对厚度的监控和检测，而梁板厚度达标对于桥梁的正常运行有着至关重要的作用，如果梁板厚度不足，在频繁重载交通作用下，存在冲剪和压溃破坏的可能，甚至可能会导致桥板断裂现象。如辽宁盘锦田庄台辽河大桥主梁破坏就是一个典型例子。针对桥梁梁板厚度检测问题，本研究利用超声波法对典型桥梁T梁梁板厚度检测进行研究探讨，并对其检测方法及其检测精度进行分析。

1 测试方法介绍——超声波法

发达国家的建设经验表明，通常桥梁在建成投入使用的20-30年后，将愈来愈多地面临耐久性降低和安全性不足的问题。[2]我国自20世纪80年代起，公路建设进入高速发展期，建设了大量各类桥梁，其中混凝土梁板占到90%以上。[3]桥梁梁板是桥梁上部结构主要承重构件，一般采用多层钢筋混凝土复合结构，由于钢筋的存在以及混凝土材料为非均匀多向介质，目前还没有一种较好的办法对桥梁梁板的厚度进行快速有效而准确的测试。本文针对以上问题，采用超声波法对预制的T型梁板腹板和横隔板进行厚度测试。

超声波法可用于检测材料的属性特性(表面波的传播速度或者材料弹性模量)。[4]无损检测用的超声波频率范围为0.2-25MHz，最常用的频段为0.5-10MHz。其中，较高的频率主要用于检测各向同性的细晶材料，检测灵敏度较高，例如使用10-18MHz的频率检测金属材料和陶瓷材料;较低的频率主要用于检测各向异性的材料，其波长较长，不会因波的散射导致波的信号过弱而无法被传感器识别和接受，例如使用1MHz以下的频率检测混凝土结构。

超声波对测法原理:对测法需使用两个探头，置于梁板的两侧，一个探头发射声波，一个探头接受声波。发射电路输出一个脉冲很窄的周期性脉冲波(一般近似认为半个正弦周期脉冲)，通过电缆传送至发射探头，激发探头上的压电片产生脉冲超声波，发射超声脉冲波时刻t1，经过n次反射后，在t2时刻被接收端感应到，经过压电片转换，将反射波再变成电信号，经放大器放大即可获得超声检测的波形图。在超声波传播速度Vc已测得或已预估得到的基础上，通过下式(1)、(2)可得混凝土板厚度h:

超声波检测设备轻便、简单，对检测人员无害;超声波可用于对薄板和超薄板的测试，且测试精度高，可达到0.1mm级精度(共振法);[5]超声波一般使用对测法，故而在进行构件检测时需要一对平行的工作面，保证发射端和接收端位于混凝土构件两侧对应位置。测试前，需进行画线定点等一系列辅助操作，检测过程较为繁琐;超声波以压电转换器为超声波激发声源，需要耦合剂共同参与工作，检测费用较高。

2 现场桥梁检测过程与结果

桥梁混凝土构件由于桥梁设计、施工环节出现问题，再加上运营期间的桥梁维修保养不及时，易导致桥梁梁板厚度相比标准厚度偏小的情况。在频繁重载作用下，易由薄弱部位逐步发展成严重受损部位，存在冲剪和压溃破坏的风险。无损检测是防止这类事故发生的有效手段。在此，采用超声波法(对测法)对金华20省道浦江联盟至古塘段改建工程3标段40m跨预制T型梁边梁进行了实地工程检测。

2.1 检测仪器、检测对象简介

所检测的预应力T型梁长40m，由于跨度较长，在纵向上采用变截面方式，梁的两端厚度为600mm，跨中区域厚度为200mm以及连接跨中和两端的厚度渐变段组成。测试部位主要包括T梁跨中区域200mm以及T梁横隔板，对于T梁上部翼缘，由于高度较高，现场仪器操作不便，因而未在此次检测范围内。

超声波检测仪器采用HC-HD90一体式楼板测厚仪，其是一款专用于检测混凝土梁板厚度的测试仪器。测试原理主要采用超声波对测，由发射探头发射超声波，检测仪主机接受带有混凝土厚度信息的超声波信号，经内部软件处理后实时得到混凝土梁板的厚度。HC-HD90一体式楼板测厚仪主要由检测仪主机、发射探头、延长杆等部件组成。HC-HD90具体仪器参数详见表1。

表1 HC-HD90技术指标

2.2 现场检测过程与结果

①检测T梁腹板跨中区域

距底端115cm处，使用HC-HD90一体式楼板测厚仪进行厚度测试。测试采用对测法，腹板上画有定位网格，网格横向有3条测线，即T5-T9，测线间距10cm，每条测线上布置5个测点，测点横向间距10cm。测试时，将声波传感器发射端置于腹板一测的测点上，将超声测厚仪主机置于构件另一侧对应点上，两者对中后，即可得测试数据。测试结果见下表2。

表2 超声波检测T梁跨中腹板厚度

②检测T梁横隔板

横板设计采用变截面方式:从上往下，靠近顶端翼缘板设计值为20cm，靠近横隔板下部设计值为18cm;从里往外，横隔板根部采用厚截面与T梁腹板相连接，靠近外侧采用薄界面与另一片T梁连接。使用超声波法检测T梁横隔板，测试方法同样采用对测法，测试步骤同上，测量结果如表3所示。实际厚度采用卷尺测量横隔板外侧裸露截面所得，仅与测点5测量厚度进行对比参照。

表3 超声波检测T梁横隔板厚度

3 超声波法测试精度评定

图1 超声波检测T梁跨中腹板

图2 超声波检测T梁横隔板

超声波检测T梁中间腹板厚度变化情况如图1所示，具体测点厚度、测线平均厚度见表2。横向测线平均厚度从T1测线239.7mm逐渐递变至T3测线233.2mm，测线平均厚度测量误差最小为16.6%，最大为20%，这说明使用超声波测厚仪测量T梁腹板的测试精度较差，测试误差整体偏大。

超声波检测T梁横隔板厚度变化情况如图2所示，具体测点厚度、测线平均厚度见表3。超声波测厚仪测试数据在T4处最大，由上往下、由内而外，厚度数据逐渐减小。在测试精度方面，将测线T4、T5、T6在测点5处的测量值与使用钢尺测得实际厚度(测点7)相比，其测试数据总体略微偏大，两者相差2.7%-3.5%，能满足工程上对精度的测试要求。同时，超声波检测数据稳定性好，数据整体趋势保持变小。

使用超声波检测T梁跨中腹板发现数据偏离实际情况较为严重，其可能存在原因在于腹板所在区域通过预应力管道，在未灌浆的情况下，导致该部位测量数据整体偏大，数据失真。对于使用超声波检测T梁横隔板与实际厚度吻合度较高，测量厚度与实际厚度存在一定偏差，偏离度保持一致且统一偏大。因此，可借鉴冲击回波法引入波速校正因子α。对于平板问题，冲击回波的校正因子β为0.96，同样在此处我们亦采用0.96，校正后测量厚度分别为 207.4mm、205mm、204mm，与对应的厚度偏差分别为 2.6mm、1mm、1mm，几乎完全吻合，校正后测试精度大大提高。

结论

T梁检测数据中，使用超声波法检测中间腹板(薄板)，其测量精度在16.6%-20%之间，测量数据偏离实际厚度较为严重，可能原因在于中间腹板区域恰好位于未灌浆预应力管道处，在管道未灌浆情况下，声波发生绕射，传播历程增加导致厚度增大;而使用超声回波法检测横隔板厚度，其测量精度在2.7-3.5%之间，能满足工程上对精度的要求，可用于T梁横隔板测量。考虑检测数据整体偏大，借鉴冲击回波法对应力波波速的矫正在此处亦引入波速矫正因子α=0.96，校正后与对应的厚度偏差分别为2.6mm、1mm、1mm，几乎完全吻合，校正后测试精度大大提高。

此外，超声波检测时在工作面上存在一定缺陷。超声波检测法需要一对相互平行的工作面，此外还需通过画线定点来确保发射端和接收端处于同一位置，才能获得较为准确的厚度信息，这导致了超声波检测过程较为繁琐、复杂。

[1]李荣均.桥梁结构检测及其承载力评定[D].北京:北京工业大学，2004.

[2]马彪.加固钢筋混凝土梁承载能力评估与数值模拟分析[D].武汉:武汉理工大学，2012.

[3]张劲泉.我国公路桥梁检测评价与加固技术的现状与发展[R].交通部公路科学研究院，2012.

[4]Heisey JS，Stokoe KH，Meyer AH.Moduli of pavement systems from spectral analysis of surface waves[J].Journal of transportation research board，No.852，Washington，D.C:Transportation Research Board of the National Academies;1982，6(2):22 –31.

[5]薄板超声波探伤[R].江苏南通市建筑工程质量检测中心，2010.