聲波CT成像技術在橋梁混凝土質量檢測中的應用研究

楊勁屾 張寒韜 黃歐龍

1. 玉溪市大戛高速公路投資建設開發有限公司 云南 新平 653400

2. 云南航天工程物探檢測股份有限公司 云南 昆明 650200

3. 32392部隊 云南 昆明 650222

橋梁工程結構混凝土質量是關系到橋梁安全的關鍵原因，在橋梁建設期，往往由于施工工序不合理，施工質量不合格等原因導致橋梁混凝土結構存在振搗不實、存有孔洞、出現蜂窩狀等問題。常用的橋梁混凝土襯砌質量檢測方法包含回彈法、超聲回彈綜合法等地球物理方法，但僅能反映混凝土的表面強度，無法全面評價混凝土整體強度。而取芯法，貫入法僅是對局部位置進行檢測，且具有破損性，也不能全面評價橋梁混凝土整體質量。聲波CT（層析成像）是依據聲波在介質中的傳播規和射線理論為基礎，在被檢測體外布置數據接受傳感器，通過激發聲波后，采集器接收到的數據進行數據處理，并建立聲波CT層析成像數學模型，應用反演算法進行重建成像，推演結構混凝土內部的缺陷位置和范圍，結構病害用二維或三維成像技術展示結構內部病害特征。該方法可對混凝土結構整體或局部進行全面、客觀的無損檢測；除能反映強度外，根據波速波幅等參數揭示混凝土內部均勻性、密實程度以及各種缺陷特征；檢測精度高、定位準、分辨率高；其成果直觀、明了，在很大程度上彌補了現有橋梁檢測技術手段之不足。

混凝土澆筑質量無損檢測是利用超聲波在傳播過程中遇到由各種介質缺陷形成的界面時會改變傳播方向和路徑，其能量會在缺陷處發生衰減，造成聲時、振幅、頻率變化的特性，對這些變化進行分析，實現對混凝土質量的檢測。傳統CT檢測儀，采用電纜方式傳輸各個觀測點的檢測信號，由中央主機進行數據采集和處理。該系統存在一個不便之處是電纜布線復雜，導致復雜環境下探測效率低下。本文應用質量檢測的聲波設備是無線聲波CT檢測儀，該設備通過無線數據傳輸完成數據采集，極大的提高了效率。

1 聲波CT技術原理

聲波CT技術也叫層析成像技術（CT，Tomography)，利用獲得的被測體的聲波CT數據，通過重構技術，重現物體內部波速的分布，從而推演物體內部的質量問題。場源包括X射線、地震波、電磁波、聲波等。

聲波CT層析成像技術基于波動力學，通過檢測儀器記錄聲波在激發點與接受點之間的傳播時間，利用聲波的傳播時間換算成介質的波速，然后通過沿線積分路徑進行反投影來重建介質速度參數的分布圖像。利用聲波CT一發多收系統，在橋梁混凝土一側發射，在另一側接收，獲取聲波在混凝土中的走時數據。基于射線理論，成像方法求解如下方程：

式中:lij為第i條射線在第j個單元內的路徑長度；Sj=1/Vj是第j個單元的慢度值；ti是第i條射線的走時值。應用SIRT方法求解方程1即可得到波速成像圖，通過混凝土構件中高低波速的分布情況即可直觀的分析混凝土不密實位置，判定其質量情況。

2 無線聲波CT檢測儀簡介

無線聲波CT設備包含控制總站、震源觸發子站和若干個檢測子站構成，設備構成圖如圖1，各站之間依靠無線網絡進行數據通訊，形成一個星形網絡。控制總站由微型計算機和無線通信模塊組成，負責向各子站發布命令，指揮系統工作，并回收采集數據，繪制檢測曲線。檢測子站由數據采集模塊和無線通信模塊組成，負責檢測信號的數據采集和傳送。震源觸發子站在激發時發出數據采集命令。

圖1 無線聲波CT質量檢測系統結構圖

3 工程應用

應用聲波CT技術檢測的混凝土為某高速公路特大橋箱梁，該箱梁左側存在細小裂縫，為查明該裂縫的影響范圍并與箱梁右側梁板質量進行對比，本次研究采用了聲波無線CT檢測儀對該箱梁兩側混凝土進行了質量檢測，獲得了橋梁箱梁混凝土質量檢測數據，對采集的數據先進行初至波拾取，獲得每個震源點的走時文件，應用SIRT算法對走時文件進行了圖像重構，獲得成像結果如圖2和圖3。

圖2 橋梁混凝土聲波CT成像成果（箱梁左側）

圖3 橋梁混凝土聲波CT成像圖（箱梁右側）

由圖1可知，箱梁左側梁板混凝土整體平均波速在3800m/s左右，無明顯低波速區域，說明檢測對象混凝土密實性較好，表面裂縫并無較大影響，可以正常使用。

由圖2可知，箱梁右側梁板混凝土整體波速在4000m/s左右，無明顯低波速區域，說明該梁板混凝土密實性較好，施工質量控制得當，可以正常使用。

4 結語

本文應用無線CT檢測儀對混凝土箱梁一側梁板進行了質量檢測，應用SIRT重構技術呈現了混凝土波速的分布，成果顯示混凝土波速正常，質量沒有問題。

應用聲波CT成像技術可以完整，清晰的呈現混凝土內部不同部位波速的分布，波速的高低表示混凝土的完整性和密實性，總體上能評價混凝土的質量。相比于回彈法，聲波CT成像更能全面的反應橋梁箱梁混凝土整體的質量，可推廣應用于橋梁混凝土質量檢測與評價。