声波检测技术在混凝土桥梁检测中的应用

范大伟

（浙江华东测绘与工程安全技术有限公司，杭州310000）

1 引言

截至目前，我国的高速公路总里程已稳居世界首位，极大地推动了社会经济和交通运输事业的发展。高速公路建设过程中，桥梁工程占据着重要的地位，特别是在山区位置修建高速公路时，需建设桥梁来提高地区之间的联系和贯通，因此，高速公路桥梁工程的施工具有重大的意义和价值[1]。桥梁工程主要包括盖梁、箱梁、墩柱、桩基等，施工材料为钢筋混凝土，在桥梁施工以及运营阶段容易产生病害问题，且在桥梁结构检测应用过程中往往会受到外界环境、地形地貌、施工条件等因素的影响，无法较好地保证基础桩检测质量，为了保证桥梁检测的完整性和有效性，声波检测技术得到了广泛应用。本文为探究声波检测技术在桥梁工程中的应用，对声波检测原理进行了阐述，重点研究声波检测技术施工工艺，并在具体桥梁工程中进行应用。

2 声波检测技术概述

2.1 原理及特点

声波检测的原理主要是由于不同类型的弹性介质的密度和弹性常数等特性不同，声波在不同介质中传播的速率也不同[2]。当声波在岩土、混凝土等结构物中传播时，遵循弹性波传播定律。

利用声波技术进行混凝土桥梁检测时，要将声波发射至混凝土、基岩以及岩土等介质中，当混凝土介质中声波传播速率达到4 000 m/s 时，若混凝土表面存在纹理不均匀或裂缝时，声波的频率会急剧降低，即出现了散射现象[3]。当声波出现散射现象时，由于混凝土存在裂纹，声波的传播速率会不断降低，与质量合格的混凝土结构相比，此时的声波信号接收时间会较长。

综上所述，若混凝土桥梁结构存在质量缺陷，声波在混凝土中的传播过程中，振幅和速度均会发生改变，波形产生变化，可借此判断混凝土桥梁结构的缺陷情况[4]。

2.2 基本方法

2.2.1 透射波法

透射波法主要利用地震透射波进行检测，具有检测结果准确、清晰等特点，该方法在实际检测中通常会产生较多能量，且不容易受到外界环境因素的影响和干扰，可便于工作人员对桥梁质量问题的辨认和分析。透射波法应用过程中，首先对发射和接收两个探头距离进行测量，得出准确数据，以免后续测量时产生较大误差。当发射和接收两个探头之间的距离较远时，其检测难度则相对较大，无法得出测量数据，此时则可采用多点测量的方式进行检测。另外，当被检测桥梁存在较多裂缝，或受损程度较大时，声波的衰减会比较严重，此时若测量距离较大时，则应采用锤击法进行辅助检测，以得出准确数据信息。

2.2.2 反射波法

反射波法主要利用地震反射波进行检测。反射波法主要是利用发射换能器来发射声波，声波在混凝土结构中传播形成发射波信号，再利用接收换能器获得发射波信号（见图1），结合设备分析确定声波在被测结构中的传播速度，以此分析、评价混凝土结构的质量。值得注意的是，声波在混凝土桥梁中传播时容易受到波前的阻尼、凝滞的吸收作用、发散作用影响，还会受到波内稀疏部分和压缩部分之间热传、辐射的影响，因此，在检测应用时工作人员应对多方面因素进行充分分析，以提高数据的精度和准确性[5]。

图1 反射波法

3 声波检测混凝土桥梁施工注意事项

1）在进行声波混凝土桥梁缺陷检测时，应提前在声测管内部注满清水，可有效提高声波的传播速率和效率，进而有助于桥梁缺陷检测的准确性。

2）声波仪器由换能器和程序系统构成，所产生的声时和波形的清晰度应足够准确，因此，所选用的换能器精度和重量应满足设计要求[6]。

3）采用铅丝将声测管和钢筋笼主筋捆扎牢固，间距控制在3 m 左右，在钢筋笼主筋的两侧可加设U 形定位筋，避免钢筋笼与桩基产生碰撞而导致声测管倾斜，并且声测管的厚度和刚度应满足设计要求。

4）声波检测质量受混凝土龄期影响，因此，应确保在灌注混凝土结束的14 d 龄期内完成桥梁声波检测，以免影响桥梁缺陷检测准确度[7]。

5）声波声测管埋设时应将各声测管间平行对称，同时保证声学测量管应确保可在钢筋架内平稳运动。桩基直径决定了声测管数量，桩基直径小于800 mm 时，声测管设定为2 根，桩基直径大于1 600 mm 时，声测管数量不得少于4 根，桩基直径在800～1 500 mm 范围内时声测管数量控制为3 根。

4 工程实例

4.1 工程概况

某高速公路建设项目全线长86.459 km，设计行车速度为100 km/h，路基宽度26 m，路面以沥青混凝土结构形式为主，公路全线桥隧比为67.2%。该高速公路第三合同段内含有3 座大桥、7 座中桥，且中间由短路基连接，为加强桥梁运营整体质量和安全，本项目选取1 座长750 m 的大桥进行研究。该大桥梁体结构采用单箱单室三向预应力变高梁，梁顶和梁底的宽度分别为22.5 m、11.5 m，起哄翼缘板悬臂长5.5 m。现阶段该桥梁工程正进行跨中跨边合龙张拉施工，经过现场实地勘测后发现，桥梁5#墩柱施工时中跨位置出现混凝土崩解现象，通过及时加固维修处理，其底板位置仍有开裂现象。通过分析可知，是混凝土内部结构产生问题导致，因此，为对桥梁结构存在的缺陷进行进一步详细分析，拟决定采用声波检测技术对桥梁的各混凝土结构进行无损检测研究，其中，混凝土性能参数测试结果如表1 所示。

表1 混凝土性能参数测试结果

4.2 声波检测设计

为了对桥梁混凝土结构缺陷进行分析，现浇筑出1.5 m×0.35 m 的声波检测板，通过对比分析设计缺陷和检测结果评价声波检测技术。不同强度、不同振捣程度的声波检测板设计示意图如图2、图3 所示。通过分析波速图可得出，未振、过振区波速均为4.1 km/s，相比之下，轻振区波速要更高。C50混凝土强度的波速为5.2 km/s，C40 混凝土强度的波速在4.4～5.2 km/s，C30 混凝土强度的波速在3.5～4.4 km/s。与表1检测结果相比可知，两者试验结果相同。

图2 不同强度测试板

图3 不同振捣测试板

本项目桥梁缺陷检测试验板示意图如图4 所示，可得，较低波速的3 个区域主要存在于20 cm×20 cm 尺寸、30 cm×30 cm 尺寸的泡沫板和60 cm×10 cm×5 cm 尺寸的木板。声波主要借助64 cm 长的空心波纹管外壁为介质进行传播，因此，无法检测出管内部物质是否存在。另外，可得出低标号混凝土的声波波速要低于砖块。

图4 缺陷试验板

4.3 声波检测结果

4.3.1 混凝土桥梁顶板

本项目混凝土桥梁顶板声波检测结果得到：顶板声波速度为4.7 km/s，声波检测面积为1 350 m2，表明混凝土整体强度高于C45，当强度达到C60 时，顶板翼缘板处声波速度处于2.4～4.0 km/s，速度较低，由于顶板翼缘板为非主要承受荷载部位，所以，对桥梁整体稳定性影响性较小。

4.3.2 混凝土桥梁底板

本项目混凝土桥梁底板声波检测结果得到：底板声波速度为4.1 km/s，声波检测面积为540 m2，表明混凝土整体强度等级在C40～C45，且底板声波速度呈两边低中间高的趋势，且分布不均，存在两条低波速区域，表明该桥梁底板整体强度不高。

4.3.3 混凝土桥梁腹板

本项目混凝土桥梁腹板声波检测结果为：左侧腹板声波速度为4.5 km/s，声波检测面积为324 m2，表明混凝土整体强度高于C50；右侧腹板声波为4.7 km/s，混凝土整体强度高于C60，两侧的腹板声波分布均匀且均存在波速异常区域，但对腹板结构强度影响较低。

5 结语

本文主要研究了声波检测技术在混凝土桥梁检测中的应用，重点阐述了声波检测混凝土桥梁施工工艺，并结合实际提出声波检测过程中注意事项。结合实际工程分别对混凝土桥梁的顶板、底板以及腹板进行声波检测，得到桥梁顶板和腹板波速较高，且存在低波速区域，混凝土连续性良好，对桥梁结构影响较小，而底板声波速度呈两边低中间高的趋势，且分布不均，存在两条低波速区域，则会对桥梁结构造成一定影响。表明采用声波检测技术可有效反映混凝土桥梁结构强度、均匀性以及缺陷情况。