相控阵超声成像技术在既有建筑加固改造工程检测中的应用

李华良（上海市建筑科学研究院有限公司， 上海 201108）

目前对既有建筑混凝土构件的加固改造较常使用的方法为增大截面法，即根据实际情况和条件选用人工浇筑、喷射技术活自密实技术进行施工，也有采用灌浆技术进行施工。新旧混凝土结合面施工时，由于施工面积大，钢筋分布密集，各种预埋件繁多，尤其是后浇混凝土板厚度只有 10 cm甚至更薄，若浇注混凝土前对原混凝土面清理不彻底，或后浇混凝土流动性较差，且振捣不充分，很容易在界面附近及钢筋周围形成各类缺陷，包括孔洞、脱空、浮土杂质等，会对加固结构受力性能产生不利影响。同时，由于新旧混凝土龄期、强度以及弹模不一致，易在后期服役过程中因收缩速率的不一致产生开裂，影响结构安全。目前，国内对于新旧混凝土界面非破损检测方法较少，同时，由于浇筑面积大，工况复杂，用传统超声法检测时难以实现对测。即使能够实现，由于超声波探头较小，单次检测覆盖区域有限，寻找缺陷费时费力。PS 1000 或地质雷达等先进仪器可以实现单面区域的连续平测扫描，但由于基于电磁波原理，对钢筋的存在十分敏感，也无法取得良好效果。目前在加固改造工程中，主要还是通过检查新增混凝土浇筑质量缺陷进行评定，对于结合面结合质量目前主要还是通过锤击或超声检测来进行判断。

南京长江大桥公路桥靠近两侧桥头的引桥及回龙桥采用双曲拱桥形式。双曲拱桥的改造方案为主拱圈加固采用在拱肋外侧外包混凝土和拱脚段拱背现浇混凝土，其中拱肋外包混凝土施工是本工程的关键工艺，技术难度大，事关加固成败。

相控阵超声成像技术已应用于装配式建筑的混凝土叠合面的检测，取得较好的效果，但目前还未有应用于既有建筑加固改造新旧混凝土结合质量检测的例子。本文通过相控阵超声成像技术检测双曲拱肋加固质量，得出相应的结论，为今后加固改造结合面质量评价提供可靠依据。

1 相控阵超声成像技术原理

相控阵超声成像技术是通过控制换能器阵中各阵元激励（或接收）脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射（或接收）声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，完成超声成像的技术。其采用多通道的脉冲回波技术，一个通道发送，其余通道接收回波，每个通道轮流发送。一个完整测量包含众多扫描信号，这些扫描信号利用合成孔径聚焦超声成像（SAFT）技术。从工作过程看，可以分为数据采集、存贮，以及数据处理、图像重建这两步。较用接收到的回波信号直接生成图像的技术复杂许多，优势是可以应用小孔径换能器和较低的工作频率获得方位的高分辨率，即可以在“近场”区（菲涅尔区）具有不错的分辨率，在“远场”区也能保持同样的高方位分辨率。同时，在图像重建过程中，易于应用各种图像处理技术用于不同成像对象，以提高图像清晰度及信噪比，突破了经典理论的限制。相较于传统超声检测方法，相控阵成像法具有以下特点。① 可实现单面区域连续扫描。② 使用非耦合声波接触技术，无须使用任何耦合剂。③ 可在一定程度上克服混凝土结构中钢筋的影响，相对钢筋而言，对缺陷更为敏感。④ 可较为准确的定位缺陷位置和范围。

2 相控阵超声成像检测设备及参数

2.1 设备及参数

检测设备采用瑞士 Proceq 公司生产的 Pundit 250 Array 相控阵超声成像仪，该设备包含一个 Pundit Array 传感器和一个 Pundit 触摸屏显示器。Pundit Array 传感器的超声发射通道有 8 排，每排 3 个，总计 24 个，每排发射通道距离 30 mm。检测所用设备技术规格如表 1 所示。

表 1 传感器及触摸屏显示器技术规格表

2.2 超声波速的获取及叠层距离的确认

超声波速是检测中非常重要的参数。因施工工艺、材料等因素及钢筋网密度不同使得超声波速在不同混凝土中传播波速有一定的变化范围。因此，现场实测超声波速在现场实体结构检测中十分重要。

现场获取波速的方法是将 Pundit Array 传感器与Pundit 触摸屏显示器用数据线连接，进入测试工作状态。将 Pundit Array 传感器按在被测构件表面，进入标定界面，按开始键进行声速标定，当声速稳定时，按保存键进行声速保存，随机选取具有代表性的部位，在测线方向重复以上步骤，测定 5 个声速值，当 5 个声速值无异常值时，保存标定设置，5 个声速平均值即作为该构件检测的超声波速。

相控阵超声成像技术以线性扫描方式获取检测图像，在全景 B-Scan 模式中，可根据实际需要设置叠层距离，叠层距离取 0.03 的倍数，0.03 为相邻两排发射通道间距。叠层距离越小，传感器单次扫描的长度越大；叠层距离越大，传感器扫描的精度越高、全景扫描图像的完整性越好。

3 相控阵超声成像检测实例

3.1 检测方案

使用相控阵超声成像仪对南京长江大桥双曲拱桥结构增大截面的拱肋采用相控阵超声成像法进行检测，现场使用相控阵超声成像仪采集数据时，采用 B-Scan 模式，应先确定测线的起始点位，将传感器紧贴被测构件的表面，叠层距离取 0.03 m，即以 18 cm 的步距沿测线前进扫描并保存。本次检测采用抽检方式进行检测，每个拱肋布置 3 个检测位，每个检测位的底面及两侧面各布置 2.00 m 测线，测线布设示意如图 1 所示。定性描述加固界面是否存在不密实、脱空，并对疑似区域给出位置描述；定性描述后浇混凝土密实度，对可能存在的明显欠密实区给出位置描述。

图 1 拱肋测线布置位置示意图

3.2 数据处理、分析

3.2.1 数据处理流程

相控阵超声成像检测数据处理包括预处理（标记里程位置矫正，信号零点矫正，添加标题、标识等）和处理分析，其图像处理流程如图 3 所示。其目的在于尽可能高的消除杂波在超声成像扫描图像中的干扰，突出有用的异常信息来帮助解释。

本次检测图像数据的处理采用 Pundit 250 Array 相控阵超声成像仪配套的 Proceq PL-Link 3.0 软件处理器。处理流程见图 2。

图 2 相控阵超声成像仪图像数据处理流程图

3.2.2 数据处理分析

相控阵超声成像检测时，仪器记录超声波速在界面反射波的相位关系，实现焦点和声速方位的变化，完成超声成像。当混凝土内部存在缺陷时，在混凝土及空气层界面由于介质密度的变化，引起声速反射，同时还会导致脉冲的反向，在图像上的直观反映为该区域存在强烈的反射信号，同时回波方向反向。

同时参照相关无损检测规程，对混凝土内部缺陷评定分为不密实及脱空。当扫描超声反射信号强、脉冲反向，获得的图像出现非连续、点状高亮区域，该缺陷为混凝土内部不密实。当扫描超声反射信号强、脉冲反向，且左右位置超声信号相近，获得的图像出现连续、带状高亮区域，该缺陷为混凝土内部脱空。

3.3 桥梁拱肋结构加固修复检测

3.3.1 桥梁拱肋结构加固修复概况

该桥双曲拱桥结构的加固方案，依据 GB 50550—2010《建筑结构加固工程施工质量验收规范》采用增大截面法。主要通过对所有拱肋外包钢筋混凝土，增加结构刚度，提高桥梁承载能力，同时可以提高原结构的耐久性。其工艺为通过筑模浇筑自流平混凝土增大拱肋截面。首先人工清除拱肋表面松动的混凝土，其次采用高压射流技术，凿除破损的混凝土，并凿毛接合面。对于锈蚀钢筋表面的氧化层利用钢刷予以清除。在保持结合面湿润但无自由水的情况下灌注高强自流平混凝土。中间拱肋底面加厚约 8～10 cm，两侧面各加宽约5～8 cm；边拱肋底面加厚约 8～10 cm，外侧面尺寸不变，内侧面加宽约 10 cm。拱肋增大截面施工顺序由拱脚向拱顶进行。双曲拱桥结构施工加固如图 3 所示。

图 3 拱肋加固施工图

3.2.2 检测结果与分析

通过对相控阵超声图像的分析，布设测线区域的加固混凝土内部致密、新浇筑混凝土与旧混凝土结合良好的区域典型超声成像扫描图如图 4 所示。

图 4 拱肋超声成像扫描图

从图 4 可以看出，超声检测图像清晰连续，无明显反射图像高亮区域，且波形连续、波幅未发生明显突变。这说明该检测区域新浇混凝土内部致密无缺陷，新浇混凝土与旧混凝土结合紧密，无脱空的情况发生。

但对于存在缺陷区域，超声检测图像表现为存在明显高亮区域，且该区域的波形发生反转波幅发生突变，缺陷点位超声成像扫描图如图 5、图 6 所示。

图 5 拱肋缺陷超声成像扫描图

图 6 拱肋缺陷超声成像扫描图

从图 5 可以看出，在距起始位置 0.1～1.4 m 区域内，超声图像区域存在一系列高亮区。这说明该区域内存在缺陷，同时缺陷呈现均匀点状分布。且缺陷位置均为距表面3～5 cm深度区域，说明缺陷为新浇混凝土的内部缺陷。根据位置及分布可推断为拱肋外包钢筋处混凝土存在内部蜂窝等孔洞缺陷。

从图 6 可以看出，在距起始位置 0.111～0.150 m 区域，超声图像区域存在高亮区，且该区域回波方向发生反转。这说明该区域内存在缺陷，同时结合缺陷深度，在0.7～1.0 m 之间，可推断该缺陷位于新旧混凝土结合面处。

现场对该构件缺陷区域进行取芯验证，从验证的芯样图像可以看出，在筑模加固用的自流平混凝土及旧混凝土界面存在一区域未紧密黏结，存在空隙，现场验证结果与超声非破损检测结果相吻合。相控阵超声检测均未发现脱空现象。

采用相控阵超声成像技术，对南京长江大桥双曲拱桥结构的加固质量进行检测分析，将缺陷类型、部位与数量汇总如表 2 所示。

表 2 大桥相控阵超声检测缺陷汇总

4 结 语

通过相控阵超声成像检测及数据图像分析实例，结合验证结果，得到以下结论。

（1）通过对拱肋的相控阵超声成像检测，南京长江大桥双曲拱桥结构的加固施工结构中，共检测出 12 处不密实区域。其中，混凝土内部 5 处，混凝土结合面 7 处，未检出存在脱空区域。

（2）相控阵超声成像技术在建筑结构检测领域是一种比较新颖、先进的无损检测技术，检测实例表明该技术对单个检测作业面可取得很好的检测效果。该方法不仅适用于装配式建筑的新旧混凝土结合面，也适用于既有建筑加固改造工程中的新旧混凝土结合面实体结构的检测，是今后既有建筑加固改造工程无损检测的发展方向。其可为客观评价既有建筑加固改造工程的新旧混凝土结合质量提供可靠的依据。