相控陣超聲成像技術在既有建筑加固改造工程檢測中的應用

李華良（上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 201108）

目前對既有建筑混凝土構件的加固改造較常使用的方法為增大截面法，即根據實際情況和條件選用人工澆筑、噴射技術活自密實技術進行施工，也有采用灌漿技術進行施工。新舊混凝土結合面施工時，由于施工面積大，鋼筋分布密集，各種預埋件繁多，尤其是后澆混凝土板厚度只有 10 cm甚至更薄，若澆注混凝土前對原混凝土面清理不徹底，或后澆混凝土流動性較差，且振搗不充分，很容易在界面附近及鋼筋周圍形成各類缺陷，包括孔洞、脫空、浮土雜質等，會對加固結構受力性能產生不利影響。同時，由于新舊混凝土齡期、強度以及彈模不一致，易在后期服役過程中因收縮速率的不一致產生開裂，影響結構安全。目前，國內對于新舊混凝土界面非破損檢測方法較少，同時，由于澆筑面積大，工況復雜，用傳統超聲法檢測時難以實現對測。即使能夠實現，由于超聲波探頭較小，單次檢測覆蓋區域有限，尋找缺陷費時費力。PS 1000 或地質雷達等先進儀器可以實現單面區域的連續平測掃描，但由于基于電磁波原理，對鋼筋的存在十分敏感，也無法取得良好效果。目前在加固改造工程中，主要還是通過檢查新增混凝土澆筑質量缺陷進行評定，對于結合面結合質量目前主要還是通過錘擊或超聲檢測來進行判斷。

南京長江大橋公路橋靠近兩側橋頭的引橋及回龍橋采用雙曲拱橋形式。雙曲拱橋的改造方案為主拱圈加固采用在拱肋外側外包混凝土和拱腳段拱背現澆混凝土，其中拱肋外包混凝土施工是本工程的關鍵工藝，技術難度大，事關加固成敗。

相控陣超聲成像技術已應用于裝配式建筑的混凝土疊合面的檢測，取得較好的效果，但目前還未有應用于既有建筑加固改造新舊混凝土結合質量檢測的例子。本文通過相控陣超聲成像技術檢測雙曲拱肋加固質量，得出相應的結論，為今后加固改造結合面質量評價提供可靠依據。

1 相控陣超聲成像技術原理

相控陣超聲成像技術是通過控制換能器陣中各陣元激勵（或接收）脈沖的時間延遲，改變由各陣元發射（或接收）聲波到達（或來自）物體內某點時的相位關系，實現聚焦點和聲束方位的變化，完成超聲成像的技術。其采用多通道的脈沖回波技術，一個通道發送，其余通道接收回波，每個通道輪流發送。一個完整測量包含眾多掃描信號，這些掃描信號利用合成孔徑聚焦超聲成像（SAFT）技術。從工作過程看，可以分為數據采集、存貯，以及數據處理、圖像重建這兩步。較用接收到的回波信號直接生成圖像的技術復雜許多，優勢是可以應用小孔徑換能器和較低的工作頻率獲得方位的高分辨率，即可以在“近場”區（菲涅爾區）具有不錯的分辨率，在“遠場”區也能保持同樣的高方位分辨率。同時，在圖像重建過程中，易于應用各種圖像處理技術用于不同成像對象，以提高圖像清晰度及信噪比，突破了經典理論的限制。相較于傳統超聲檢測方法，相控陣成像法具有以下特點。① 可實現單面區域連續掃描。② 使用非耦合聲波接觸技術，無須使用任何耦合劑。③ 可在一定程度上克服混凝土結構中鋼筋的影響，相對鋼筋而言，對缺陷更為敏感。④ 可較為準確的定位缺陷位置和范圍。

2 相控陣超聲成像檢測設備及參數

2.1 設備及參數

檢測設備采用瑞士 Proceq 公司生產的 Pundit 250 Array 相控陣超聲成像儀，該設備包含一個 Pundit Array 傳感器和一個 Pundit 觸摸屏顯示器。Pundit Array 傳感器的超聲發射通道有 8 排，每排 3 個，總計 24 個，每排發射通道距離 30 mm。檢測所用設備技術規格如表 1 所示。

表 1 傳感器及觸摸屏顯示器技術規格表

2.2 超聲波速的獲取及疊層距離的確認

超聲波速是檢測中非常重要的參數。因施工工藝、材料等因素及鋼筋網密度不同使得超聲波速在不同混凝土中傳播波速有一定的變化范圍。因此，現場實測超聲波速在現場實體結構檢測中十分重要。

現場獲取波速的方法是將 Pundit Array 傳感器與Pundit 觸摸屏顯示器用數據線連接，進入測試工作狀態。將 Pundit Array 傳感器按在被測構件表面，進入標定界面，按開始鍵進行聲速標定，當聲速穩定時，按保存鍵進行聲速保存，隨機選取具有代表性的部位，在測線方向重復以上步驟，測定 5 個聲速值，當 5 個聲速值無異常值時，保存標定設置，5 個聲速平均值即作為該構件檢測的超聲波速。

相控陣超聲成像技術以線性掃描方式獲取檢測圖像，在全景 B-Scan 模式中，可根據實際需要設置疊層距離，疊層距離取 0.03 的倍數，0.03 為相鄰兩排發射通道間距。疊層距離越小，傳感器單次掃描的長度越大；疊層距離越大，傳感器掃描的精度越高、全景掃描圖像的完整性越好。

3 相控陣超聲成像檢測實例

3.1 檢測方案

使用相控陣超聲成像儀對南京長江大橋雙曲拱橋結構增大截面的拱肋采用相控陣超聲成像法進行檢測，現場使用相控陣超聲成像儀采集數據時，采用 B-Scan 模式，應先確定測線的起始點位，將傳感器緊貼被測構件的表面，疊層距離取 0.03 m，即以 18 cm 的步距沿測線前進掃描并保存。本次檢測采用抽檢方式進行檢測，每個拱肋布置 3 個檢測位，每個檢測位的底面及兩側面各布置 2.00 m 測線，測線布設示意如圖 1 所示。定性描述加固界面是否存在不密實、脫空，并對疑似區域給出位置描述；定性描述后澆混凝土密實度，對可能存在的明顯欠密實區給出位置描述。

圖 1 拱肋測線布置位置示意圖

3.2 數據處理、分析

3.2.1 數據處理流程

相控陣超聲成像檢測數據處理包括預處理（標記里程位置矯正，信號零點矯正，添加標題、標識等）和處理分析，其圖像處理流程如圖 3 所示。其目的在于盡可能高的消除雜波在超聲成像掃描圖像中的干擾，突出有用的異常信息來幫助解釋。

本次檢測圖像數據的處理采用 Pundit 250 Array 相控陣超聲成像儀配套的 Proceq PL-Link 3.0 軟件處理器。處理流程見圖 2。

圖 2 相控陣超聲成像儀圖像數據處理流程圖

3.2.2 數據處理分析

相控陣超聲成像檢測時，儀器記錄超聲波速在界面反射波的相位關系，實現焦點和聲速方位的變化，完成超聲成像。當混凝土內部存在缺陷時，在混凝土及空氣層界面由于介質密度的變化，引起聲速反射，同時還會導致脈沖的反向，在圖像上的直觀反映為該區域存在強烈的反射信號，同時回波方向反向。

同時參照相關無損檢測規程，對混凝土內部缺陷評定分為不密實及脫空。當掃描超聲反射信號強、脈沖反向，獲得的圖像出現非連續、點狀高亮區域，該缺陷為混凝土內部不密實。當掃描超聲反射信號強、脈沖反向，且左右位置超聲信號相近，獲得的圖像出現連續、帶狀高亮區域，該缺陷為混凝土內部脫空。

3.3 橋梁拱肋結構加固修復檢測

3.3.1 橋梁拱肋結構加固修復概況

該橋雙曲拱橋結構的加固方案，依據 GB 50550—2010《建筑結構加固工程施工質量驗收規范》采用增大截面法。主要通過對所有拱肋外包鋼筋混凝土，增加結構剛度，提高橋梁承載能力，同時可以提高原結構的耐久性。其工藝為通過筑模澆筑自流平混凝土增大拱肋截面。首先人工清除拱肋表面松動的混凝土，其次采用高壓射流技術，鑿除破損的混凝土，并鑿毛接合面。對于銹蝕鋼筋表面的氧化層利用鋼刷予以清除。在保持結合面濕潤但無自由水的情況下灌注高強自流平混凝土。中間拱肋底面加厚約 8～10 cm，兩側面各加寬約5～8 cm；邊拱肋底面加厚約 8～10 cm，外側面尺寸不變，內側面加寬約 10 cm。拱肋增大截面施工順序由拱腳向拱頂進行。雙曲拱橋結構施工加固如圖 3 所示。

圖 3 拱肋加固施工圖

3.2.2 檢測結果與分析

通過對相控陣超聲圖像的分析，布設測線區域的加固混凝土內部致密、新澆筑混凝土與舊混凝土結合良好的區域典型超聲成像掃描圖如圖 4 所示。

圖 4 拱肋超聲成像掃描圖

從圖 4 可以看出，超聲檢測圖像清晰連續，無明顯反射圖像高亮區域，且波形連續、波幅未發生明顯突變。這說明該檢測區域新澆混凝土內部致密無缺陷，新澆混凝土與舊混凝土結合緊密，無脫空的情況發生。

但對于存在缺陷區域，超聲檢測圖像表現為存在明顯高亮區域，且該區域的波形發生反轉波幅發生突變，缺陷點位超聲成像掃描圖如圖 5、圖 6 所示。

圖 5 拱肋缺陷超聲成像掃描圖

圖 6 拱肋缺陷超聲成像掃描圖

從圖 5 可以看出，在距起始位置 0.1～1.4 m 區域內，超聲圖像區域存在一系列高亮區。這說明該區域內存在缺陷，同時缺陷呈現均勻點狀分布。且缺陷位置均為距表面3～5 cm深度區域，說明缺陷為新澆混凝土的內部缺陷。根據位置及分布可推斷為拱肋外包鋼筋處混凝土存在內部蜂窩等孔洞缺陷。

從圖 6 可以看出，在距起始位置 0.111～0.150 m 區域，超聲圖像區域存在高亮區，且該區域回波方向發生反轉。這說明該區域內存在缺陷，同時結合缺陷深度，在0.7～1.0 m 之間，可推斷該缺陷位于新舊混凝土結合面處。

現場對該構件缺陷區域進行取芯驗證，從驗證的芯樣圖像可以看出，在筑模加固用的自流平混凝土及舊混凝土界面存在一區域未緊密黏結，存在空隙，現場驗證結果與超聲非破損檢測結果相吻合。相控陣超聲檢測均未發現脫空現象。

采用相控陣超聲成像技術，對南京長江大橋雙曲拱橋結構的加固質量進行檢測分析，將缺陷類型、部位與數量匯總如表 2 所示。

表 2 大橋相控陣超聲檢測缺陷匯總

4 結 語

通過相控陣超聲成像檢測及數據圖像分析實例，結合驗證結果，得到以下結論。

（1）通過對拱肋的相控陣超聲成像檢測，南京長江大橋雙曲拱橋結構的加固施工結構中，共檢測出 12 處不密實區域。其中，混凝土內部 5 處，混凝土結合面 7 處，未檢出存在脫空區域。

（2）相控陣超聲成像技術在建筑結構檢測領域是一種比較新穎、先進的無損檢測技術，檢測實例表明該技術對單個檢測作業面可取得很好的檢測效果。該方法不僅適用于裝配式建筑的新舊混凝土結合面，也適用于既有建筑加固改造工程中的新舊混凝土結合面實體結構的檢測，是今后既有建筑加固改造工程無損檢測的發展方向。其可為客觀評價既有建筑加固改造工程的新舊混凝土結合質量提供可靠的依據。