HM大桥水中区承台无损检测方法研究

阮林祥，秦忱忱

（1.安徽中汇达路桥养护工程有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽百诚慧通科技股份有限公司,安徽 合肥 230000）

1 绪论

1.1 研究背景

承台在桥梁建筑中起着关键的作用，它能够承受墩身所传递的重力，一般承台指的是桥墩下，基础桩以上的结构，连接了桥墩和桩。荷载从上部结构传到桥墩，通过承台，然后分布给各个桩，最后传给地基。桥梁的搭建离不开承台的作用，所以研究承台的作用及构造，及时检查承台的完好情况就变得尤为重要，目前国内外的检测技术复杂多样，各有各的优势，主要有冲击回波测试、弹性波层析扫描（CT）法、回弹测法检测等，其中弹性波层析扫描（CT）法对于承台的损伤程度最小，能精准地测量承台的抗压及承受能力。下面对其主要原理及应用进行系统分析。

1.2 研究内容

本次研究的主要工作内容包括对承台外观质量进行检查，初步判断其病害情况，并做好相应记录。主要检查内容包括：

①混凝土表面是否存在露筋、空洞、夹杂、疏松和裂缝等病害；

②钢筋间距及实际保护层厚度测量，并与设计值进行比较；

③承台四周海床冲刷状况。

通过无损检测方法检测3m高度范围内的混凝土质量，判断是否存在内部空洞和不密实区等病害，确定病害的位置和范围，出具承台检测报告。

1.3 检测所需仪器（表1）

本项目投入的主要仪器设备 表1

对承台进行无损检测，取得详实、准确的检测数据，采用科学合理的方法进行分析，做出现阶段承台技术状况准确合理的评估，并提出“经济、合理、科学”的处理方案及养护建议，供管理者决策。具体来说，检测的主要目的有：

①对承台现状进行外观检测，初步了解承台目前存在的病害情况；

②检测承台内部混凝土质量情况，判断是否存在内部空洞和不密实区，确定其位置和范围；

③对存在的病害进行分析，提出合理的处理方案及养护建议。见表2。

现场主要使用的仪器 表2

2 HM大桥概况概况

2.1 桥梁概况

杭州HM大桥于2003年11月14日正式开工，并于2007年6月26日全桥贯通，2008年5月1日正式通车。其北起浙江嘉兴海盐郑家埭，南至宁波慈溪水路湾，全长36km，横跨中国杭州湾海域，缩短了宁波至上海间的陆路距离约120km，是国道主干线（同三线）跨越杭州湾的便捷通道。全桥按双向六车道高速公路设计，设计时速为100km/h，设计使用年限100年，总投资约118亿元。

大桥的地理位置如图4所示。

图1 弹性波CT检测仪

图2 裂缝综合测试仪

图3 地质雷达

图4 大桥地理位置标注

3 检测方法

2.2 承台概况

见表3、4，图6～图8。

杭州HM大桥下部结构构件分布组成表 表3

本次项目所涉及的承台截面尺寸及数量表 表4

图5 承台上部结构桥跨布置图

图6 承台截面尺寸/cm

图7 F06承台立面图

图8 F06承台平面图/mm

3.1 冲击回波测试法

通过利用冲击锤在结构物的表面冲击激励，产生弹性波，弹性波在结构物的分界面反射。利用相关分析技术或频谱 技术（FFT、MEM等）抽出分界面的反射信号，并根据弹性波在健全部位的P波波速来推定结构物厚度等。

在被测混凝土结构的壁厚既知的前提下，利用弹性波的重复反射，可测出弹性波在被测混凝土试件的传播时间和弹性波波速，该方法也称“冲击回波法”，具有测试效率高、测试结果客观性强的特点，可优先采用。

图9 冲击回波法测试方案

测试时以圆形承台顶为测试面，等距布置测点，整个承台顶面共布置三个同心圆测试面。

根据承台病害情况，选择在承台顶面边缘向内分别布置3条环形测线，布置位置由外向内分别为距承台边缘50cm、150cm、250cm，同一测圈相邻两侧点之间间距为1m。3条测线布置的测点数由外向内分别为32个、30个、28个。测点及测线布置图见图10。

图10 测线及测点布置图/mm

3.2 弹性波层析扫描（CT）法

CT检测剖面的布置充分考虑到测试范围应覆盖病害可能产生的混凝土内部深度范围，同时，由于混凝土内钢筋会影响CT超弹性波的测试精度，测试剖面应尽量避开钢筋密集区域。

弹性波CT测试选取承台表面为测试区域，测试的深度布置分为在承台顶面向下50cm至110cm范围内。选取承台四个纵向剖面为测试面。

各测线布置为一侧测点为弹性波发射点，编号依次为F0～F3，另一侧测点为弹性波接收点，编号依次为S0～S3。检测时，依次F0～F3点作为发射点利用锤击发射弹性波信号，对应每一个发射点依次在S0～S3接收点接收弹性波信号，每一对发射接收点为一条测线，每一检测剖面共进行16条测线检测，获取原始记录波形64条，测线发射接收方式如图11所示。

图11 CT剖面测线布置示意图（仅示意测线发射接收方式）

在承台侧面间隔45度布置测试面，共4个测试面。在每个测试面（承台顶面竖直向下50cm至110cm范围），等间距（相邻测点间距20cm）布置测点.每条测试线4个点，每个测试面可测得16条弹性波CT原始波形，4个测试面共可测得64条弹性波CT原始波形。弹性波CT测点布置剖面图见图13，测面布置图见图12。

图12 弹性波CT测试面布置平面图

图13 弹性波CT测点布置剖面图

以桥墩横桥向为剖面，下游侧方向为测试起点，围绕承台逆时针方向依次对测面进行编号。即0度、45度、90度、135度这四个测试面。

测试面分为激励端和授信端，每端共四个测点。激励端测点编号从承台顶面朝下依次为F0、F1、F2、F3，授信端测点编号从承台顶面朝下依次为S0、S1、S2、S3。

具体编号详见图14、图15。

图14 弹性波CT测试面平面图

图15 弹性波CT测试面立面图

检测数据后处理中根据“走时成像原理”将速度函数信号作为投影数据，在有网格计算的数学模型下，利用同时迭代重建技术（SIRT）和约束最小二乘算法（ILST）等反演算法求解方程求出检测断面上弹性波速度的分布，即实现断层扫描成像。若测试区域内有空洞或软弱不密实区等缺陷，则弹性波的传播时间会增长，通过测线的距离反演的速度会降低。不经过缺陷测线的速度几乎不变。测线越多，解析精度和分辨率越高，应根据现场实际情况，选择适量测线条数。实际操作中，可通过断面上弹性波速度的分布来评价混凝土的质量，判断混凝土内部可能存在的缺陷。

实现断层扫描成像（CT）检测剖面的布置应充分考虑到测试范围需覆盖可能产生混凝土内部病害的深度范围。同时，由于混凝土内钢筋会影响CT超弹性波的测试精度，测试剖面应尽量避开钢筋密集区域。

3.3 回弹测法检测

①对墙体或所要检测的构件进行检测时，选择所要检测构件的数量有具体的要求。一般来说，在选择所要检查的构件时，所选择的构件数应占总数的30%左右。并且这些构件的检测应遵循随机抽取的原则，只有这样才能够使得数据具有一定的准确性和可参考性。

②单个构件测区数一般为10个，当受检数量大于30个时，可根据两个条件适当减少，不低于5个（工程现场，一般是10个测区和5个测区选得多）。

③相邻测区的间距不应大于2m，测区离构件短部或施工缝的距离不宜大于0.5m，也不宜小于0.2m。

④当测量梁柱墙之类的，需要在两个对称面都布置测区（一般每侧5个）。

⑤测区面积不宜大于0.04m2（一般20cm×20cm）。

⑥当需要进行取芯修正时，芯样数量不少于6个，公称直径一般为100mm。在测量的过程中要根据芯样的强度进行平均值的计算，并对数据进行分析，确保所使用的数据符合要求，并且所使用的数据如果产生较大偏差时应对有较大偏差的数据进行分析。

⑦碳化深度值测点数不少于构件测区数的30%（所以一般凿3个坑测碳化深度，每个坑测量3次，读数精确到0.5mm，所以一般碳化深度值为0-6之间每隔0.5mm）

⑧回弹值计算。在使用回弹仪软件进行碳化深度的计算时，需要对碳化深度进行公式的输入。由于各个地方对于碳化深度和回弹方向的参考标准不一，所以要根据地方的标准进行分别的设置。当发现碳化深度出现错误等情况时，应及时对产生错误的情况进行修正。

⑨测强曲线。对于测强曲线国家对于各个地方的测强曲线有统一的标准，但是由于地方性气候的不同，一些地区会有专门的测强曲线，所以在测强曲线绘制时一定要根据当地的曲线特点进行分析。

3.4 外观检测（表5）

混凝土保护层厚度的判定标准 表5

主要针对海床冲刷后基桩外露段长度进行检查，检查时从承台顶部下吊铅锤探入桩侧土层中，测量铅锤刚入土时的下吊长度，结合承台顶高程反算出当前海床的实际高程，并与设计值进行比较。检测方式示意图如图16所示。

图16 海床冲刷检查方式示意图

4 检测结果

4.1 混凝土质量评定标准

①检测可获得测区混凝土的波速分布，用波速评价混凝土强度，可对比波速—强度曲线。波速—强度曲线有全国的、区域的、工程项目的，选取的优先顺序是：工程项目的波速强度曲线、区域的波速强度曲线、全国的波速-强度曲线。见图17。

图17 混凝土强度等级与波速的关系

②用波速评价混凝土质量的流程如下：

使用声波层析成像法检测得到测区混凝土波速分布图像；

根据混凝土设计强度和选取的波速-强度曲线，确定标准波速值，作为混凝土质量评价的依据，目前国内应用的参考波速-强度曲线如表6所示；

混凝土波速与强度的实验结果对照表 表6

波速在标准值以上的区域为合格区，不到标准值80%的区域称为低速异常区；

根据射线密度与正交性分布，若检测区域只有部分满足完备性要求，那么只对满足要求的区域进行解释，不满足的区域只做参考；

混凝土的平均波速Vα：

式中:Vα-混凝土的平均波速（m/s）；

Vj-网格内单元位置的波速（m/s）；

M-网格内单元总数。

混凝土的波速离散度Rb：

式中:Rb-波速离散度；

σ-标准差。

均匀混凝土的离散度宜小于10%。

针对调查对象的个人特征：性别、学历、年级、专业、文献检索课程、本科就读高校(是否985或211高校)、A类学术论文发表情况进行了描述性统计分析，具体如下：

③合格面积率Rs：

式中:Rs-合格面积率（%）；

Sn-达到标准值以上的单元所占的面积（m2）；

Sn-网格总面积（m2）。

当合格面积比率达到或超过80%时，可判定混凝土强度达到标准值。

最大缺陷尺度是混凝土质量评价的参数之一，最大缺陷尺度应不超过检测面积的5%。

钢筋的波速Vst（5700m/s)高于混凝土波速。若在钢筋密集处，可对钢筋的影响予以消除。

式中：V-直接量测的钢筋混凝土构件波速值（m/s）；

Vc-可在波强曲线中得到对应强度的混凝土波速换算值（m/s）；

Vst-钢筋波速(m/s)；

α-钢筋在混凝土中所占的体积比(%)。

钢筋在混凝土中所占的体积比α可根据钢筋构造图投影得到。当钢筋体积比小于5%时，波速可不必修正。

4.2 冲击回波法检测

由图18、图19、图20测试结果可知：外圆、中圆、内圆这三个测试面均未发现混凝土疑似缺陷区域。

图18 外圆测试结果图

图19 中圆测试结果图

图20 内圆测试结果图

4.3 弹性波CT测试法

各检测区域的混凝土波速统计如表7所示。

各检测剖面波速统计表 表7

由以上测试结果可知：

45度剖面检测区域内混凝土的平均波速分别为3.374km/s，最小波速为2.907km/s，综合考虑可以得出：45度剖面上海侧方向，深度0.75m～0.85m范围内存在部分低波速值区域，故判定此区域可能存在混凝土疑似缺陷（详见图22中框选区域）。

图21 0度测试面测试结果图

图22 45度测试面测试结果图

图23 90度测试面测试结果图

图24 135度测试面测试结果图

混凝土疑似缺陷区域平面位置见图25中阴影区域，深度为承台顶面以下0.75m～0.85m范围内。

图25 混凝土疑似缺陷区域平面图

为了验证混凝土无损检测法判定疑似缺陷位置的准确性，将上述结果与已有的钻芯法芯样结果相对比。钻芯法判定的结果详见表8。

钻芯法验证结果 表8

钻芯法取样时，取芯位置及芯样编号详见图26。

图26 取芯位置及芯样编号

5个芯样照片详见图27。

图27 芯样照片

表9和表10检测结果表明：

横向钢筋保护层厚度评定结果 表9

竖向钢筋保护层厚度评定结果 表10

各层评定结果汇总 表11

C77#上游侧承台的横向钢筋保护层厚度平均值为90mm；纵向钢筋保护层厚度平均值为118mm，依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011），该承台的横向钢筋保护层厚度评定标度为2，表明此时的保护层厚度对结构耐久性有轻度影响；竖向钢筋保护层厚度评定标度为1，表明此时的保护层厚度对结构耐久性的影响不显著。

5 结论

45度剖面检测区域内混凝土的平均波速分别为3.374km/s，最小波速为2.907km/s，综合考虑可以得出：45度剖面上海侧方向，深度0.75m～0.85m范围内存在部分低波速值区域，故判定此区域可能存在混凝土疑似缺陷。为了更加准确地判定混凝土无损检测法测得的疑似缺陷位置，将上述结果与钻芯法得到的结果相对比，综合判断缺陷位置。经对比，混凝土无损检测法判定的疑似缺陷位置与钻芯法测得的缺陷位置基本相同。