声波检测技术在混凝土桥梁检测中的应用

2021-05-30

工程技术研究 2021年7期

江苏中基工程技术研究有限公司，江苏南通 226300

混凝土桥梁在环境中受温度、气候、雨水和大气腐蚀的作用，桥梁的负载和使用频率不断增加，导致桥梁的耐久性受到考验，在耦合作用增加的情况下，材料和结构的疲劳寿命加快衰减，桥梁会逐渐产生病害，并且这是一个不可逆的过程。对运营中的钢结构桥梁进行检测评估，生成检测结果和评估报告，并根据现阶段桥梁病害类型和病害程度，制订适合桥梁的加固措施和方案，对保护桥梁结构和提高桥梁承载能力具有重要作用。

1 声波检测技术原理及计算

声波检测技术是通过声音传播的特性来区分桥梁损伤部位，是比较通用的无损检测技术，其缺点是受外界声波干扰较大，而外界声音混杂，因此声波检测的主要技术难点是过滤掉非结构传播的声音，通过声音在结构物中传播的性质来判断其损伤位置。声波检测常用的方法包括超声波无损检测技术、冲击回声波发射检测技术。

冲击回声波检测技术的检测原理是通过冲击声波在桥梁检测结构中的传播、声波频率的变化来确定桥梁损伤位置，该方法取决于桥梁应力结构材料的传播原理，应用于测试的方式与超声波相似。冲击回声波的发生一般采用声波转换器来产生应力波（即脉冲回声波）和用桥梁机械力产生冲击回声波（即应力回声波）。冲击回声无损检测技术可以实时地反映桥梁结构强度和位置的缺陷。

混凝土结构中声波的波速计算公式如下：

式中：Vp为纵波波速，km/s；Vs为横波波速，km/s；E为弹性模量，MPa；σ为泊松比；ρ为混凝土的密度，g/cm3；μ为剪切模量，MPa。

声波波速Vp与混凝土自身抗压强度Rb存在一定的系数关系，表达式如下：

式中：参数α的取值为0.25～0.4；参数b的取值为3.0～3.5。通过对混凝土的各项性能指标进行测试（结果如表1所示）可知声波波速与混凝土的抗压强度存在回归关系：

式中：Rb为混凝土抗压强度，MPa；Vp为纵波波速，km/s。

2 工程概况

文章依据某预应力刚构桥进行分析，该桥全长550m，桥梁为单箱单室变高箱梁，梁顶宽度为22.5m、梁底宽度为11.5m，翼缘板处的悬臂为5.5m，张拉顺序由中跨向边跨进行。1#桥墩在进行张拉时中跨和边跨表现出底板崩裂的病害，经过加固处理后底板壁出现开裂病害。为验证合龙段是否存在结构缺陷，梁板强度是否达到设计要求，现决定对该桥进行声波检测。混凝土为脆性材料，在进行混凝土抗压强度验算时泊松比取值为0.18，混凝土的密度取值为2.6g/cm3。混凝土性能指标测试结果如表1所示。

表1 混凝土性能指标测试结果

3 声波检测板设计

为分析桥梁混凝土的质量缺陷，浇筑了尺寸为10m×1.5m×0.35m的声波检测板。通过设计缺陷与检测结果的对比，对声波检测技术进行相应的评价。

不同振捣程度、不同强度的声波检测板设计如图1、图2所示。通过分析该板波速图可知，未振、过振区波速为4.1km/s，轻振区波速要比未振、过振区的波速高。强度为C50的混凝土波速为5.2km/s；强度为C40的混凝土波速范围为4.4～5.2km/s；强度为C30的混凝土波速范围为3.5～4.4km/s。通过比较该结果与表1中的混凝土性能测试结果可知，二者试验结果一致。

图1 不同振捣测试板

图2 不同强度测试板

对桥梁缺陷进行检测的试验板如图3所示，通过分析该板波速图可知，波速较低的3个区域分别出现于尺寸为20cm×20cm、30cm×30cm的泡沫板以及尺寸为60cm×10cm×5cm的木板。声波线沿64cm的空心波纹管的外壁进行传播，不能检测出管内其他物体的存在。砖块的声波波速要高于低标号的混凝土，但无法确定是结构自身引起的。

图3 缺陷试验板

4 声波检测结果

（1）桥梁顶板。通过对桥梁顶板进行声波检测，得到如下结果：此次声波检测的面积为1350m2，顶板的声波速度为4.7km/s，说明混凝土整体强度不低于C45，通过上文公式计算可知该处混凝土强度达到C60，顶板翼缘处声波速度在2.4～4.0km/s，该处的声波速度较低，顶板的翼缘处是非主要承受荷载部位，因此对桥梁的整体稳定性影响较小。

（2）桥梁底板。通过对桥梁底板进行声波检测，得到如下结果：此次声波检测的面积为540m2，底板声波速度平均值为4.1km/s，经计算可知混凝土整体强度在C40～C45范围，底板声波速度分布不均，呈现出中间高两侧低的分布情况，且桥梁底板存在两条低波速区域，检测结果说明该桥底板的强度较低。

（3）桥梁腹板。通过对桥梁腹板进行声波检测，得到如下结果：此次声波检测的面积为324m2，左侧腹板波速为4.5km/s，经计算强度不小于C50，右侧腹板波速为4.7km/s，经计算强度不小于C60，两侧腹板声波分布较为均匀，且都存在波速异常区域，但对桥梁腹板的结构强度影响不大。