混凝土橋梁檢測中超聲波技術的實踐應用

羅 洋

（貴州交咨工程檢測有限公司，貴州 貴陽 550014）

0 引言

在施工過程中，混凝土會受到拌和、運輸、澆筑、振搗、養護、脫模等因素的影響，出現質量控制較為困難的現象[1]。為提高混凝土橋梁的使用壽命，有關單位提出了多種針對混凝土橋梁的質量驗收與缺陷檢測方法。目前，較為常用的檢測方法有鉆芯取樣法、大應變法、靜荷載法、小應變法等，但是這些檢測方法在實際應用中多存在過程繁瑣、檢測成本高、檢測結果精度低等缺陷，而且部分檢測方法僅適合小規模采樣，所以很難在混凝土橋梁檢測中取得理想的效果。對于很多大型混凝土工程項目，僅憑表面檢驗不能準確判定其可靠性，還需要對其內部密實度進行測試，以確定其結構的安全性[2]。基于此，有關單位提出了超聲波檢測技術，此項技術在實際應用中具有檢測效率高、實施方便、結果準確等優勢，能夠對隱蔽性較強、復雜程度較高、易產生質量缺陷等特點的混凝土橋梁進行精確檢測。實踐證明，此項工作對于保證混凝土橋梁質量具有重要的現實意義。但超聲波技術的應用研究多局限于理論層面，基于此，本文以貴州省貴陽市長江路二期橋梁工程項目為例，引進超聲波技術，開展工程檢測方法的設計研究，以期為工程質量的高精度驗收提供技術指導。

1 超聲波檢測前準備與設備選型

為確保超聲波檢測技術的應用可以達到預期效果，在開展相關研究前，應先進行準備工作。

1.1 現場檢查布置與處理

在進行超聲波檢測技術檢測前，需安排技術人員檢查混凝土橋梁的設計圖紙，收集橋梁工程所在地的地質數據與水文數據，記錄橋梁的樁基設計數據（包括樁徑、樁長等），了解并及時掌握工程施工中存在的異常情況，制定與之匹配的超聲波技術檢測方案[3]。檢測前應做好對混凝土齡期的控制，確保施工后混凝土齡期>14 d 后，再對其進行檢測[4]。檢測前，按照圖1 布置超聲波檢測現場。

圖1 混凝土橋梁超聲波檢測現場

在檢測前，應做好對聲測管的清洗，確保換能裝置可以在檢測過程中順暢升降。可采用在聲測管內灌滿清水的方式，作為檢測中的偶合劑，避免因聲測管內出現污水導致超聲波衰減程度增加。

為提高超聲波檢測結果的精度，應使用直徑>換能器的圓鋼管進行聲測管的疏通處理，完成疏通后，記錄疏通的深度，通過此種方式，可以根據聲測管內部與外部的差值，計算內外徑厚度[5]。在此過程中應注意控制混凝土橋梁的量測精度在±1 mm 范圍內。

1.2 設備選型

在進行超聲波檢測設備的準備工作時，選用超聲波便攜式局放檢測儀、20 k 超聲波轉換器作為主要設備，設備參數見表1～表2[6]。

表1 超聲波便攜式局放檢測儀技術參數

表2 超聲波轉換器技術參數

完成對超聲波檢測過程中儀器設備的選型后，需要在正式檢測前，進行裝置的在線調節。

1.3 檢測管線選擇與埋設注意事項

在進行混凝土橋梁超聲波檢測管線埋設的設計工作時，應注意混凝土橋梁埋設管線的主材需優先選擇金屬材質，根據檢測需求，對管線采用螺紋的方式進行連接[7]。同時，聲測管線可參照鋼筋籠的綁扎方式進行綁扎，綁扎后埋設的封閉位置應至少深于柱身300 mm，從而避免在檢測過程中雜物進入到管線中。埋設時，根據混凝土橋梁的規模、橋梁樁基的樁徑，進行聲測管線數量的設計，當橋梁樁基的樁徑<0.8 m 時，埋設的混凝土橋梁檢測管線數量為2 根，當橋梁樁基的樁徑在0.8 m～2.0 m 時，埋設的數量為3 根，當橋梁樁基的樁徑>2.0 m 時，埋設的數量為4 根。

2 基于聲波傳播衰減系數的橋梁內部缺陷識別

在測點發射超聲波，并在接收端進行聲波的接收與展示[8]。在此過程中應明確超聲波的波形與彈性波動范圍遵循彈性波動理論。可以在考慮剪切波應力變化特性的基礎上，從彈性波動角度計算混凝土橋梁檢測中超聲波的橫波與縱波傳播速度。計算公式如下：

式（1）～（2）中：v1為混凝土橋梁檢測中超聲波的橫波傳播速度，m/s；λ 為質點振動頻率，Hz；μ 為質點傳播影響條件；ρ 為混凝土密度，kg/m3；E 為混凝土楊氏模量，Pa；σ 為泊松比；v2為混凝土橋梁檢測中超聲波的縱波傳播速度，m/s；G 為混凝土剪切模量，Pa。已知混凝土橋梁檢測中超聲波的傳播速度后，根據其速度進行混凝土橋梁力學強度的評價[9]。考慮到超聲波在質點發生碰撞會在一定程度上消耗能量，因此得出聲波傳播衰減能量計算公式如下：

式（3）中：α 為聲波傳播衰減能量，dB；Am為超聲波在傳播過程中的振動幅度，m；e 為振動碰撞次數；l為超聲波傳播距離，m。結合計算得到的聲波傳播衰減能量和實際測量的衰減值進行超聲波的反饋，當反饋的波形具有振幅大、頻率高、聲時短等特點時，說明混凝土橋梁無缺陷，反之，當反饋的波形具有振幅小、頻率低、聲時長等特點時，說明混凝土橋梁存在內部缺陷[10]。在實際檢測中可以根據混凝土橋梁的實際規模設定檢測中反饋超聲波的聲時范圍，以此為依據，進行基于聲波傳播衰減系數的混凝土橋梁內部缺陷識別。

3 實例應用分析

為實現對本文設計的方法在實際應用中效果的檢驗，以貴州省貴陽市長江路二期橋梁工程項目為例，引進超聲波技術，對混凝土橋梁工程進行質檢。

3.1 現場調研與分析

為確保檢驗結果的真實性與可靠性，在開展相關研究前，應結合工程的實際情況與建設需求，對該工程項目的基本情況進行現場調研與分析。工程項目基本情況見表3。

表3 混凝土橋梁工程基本情況

施工過程中，根據工程實際情況，在橋梁的上弧、下弧鋼管內采用灌注施工的方式，灌注C60 混凝土，灌注施工時，輔助泵送設備、頂升設備，從橋梁兩側同時開始灌注，使用輸送泵將混凝土從低到高進行頂升處理。考慮到混凝土橋梁的弦管較高，因此，在現場采取三級泵送的方式進行施工。

完成施工后，為實現對混凝土橋梁建設質量的檢驗，在與工程施工方綜合商議后，決定使用本文設計的方法進行混凝土橋梁的檢測，包括橋梁中混凝土的密實度、脫空情況、結構質量等。通過此種方式，確定混凝土橋梁是否存在異常，為后續的化學補灌施工等提供技術層面的指導。

3.2 測區劃分及檢測點布置

經過施工現場大量的勘察與調研，結合工程實際情況，在橋梁的支點截面、跨中位置、分段灌注接縫位置等處，劃分測區并布置超聲波檢測點。在此基礎上，采用掃描立面、測點加密等處理方法，以內部填充的混凝土四角與邊緣作為檢測的重點，以確保超聲波可以充分掃描到被測區域。檢測中考慮到混凝土橋梁的鋼箱梁兩端呈現封閉狀態，直接檢測設備與探測儀器無法進入該區域，在此情況下，在混凝土橋梁外側的翼板下緣位置發射超聲波，并在混凝土橋梁面板上進行接收，以實現對檢測中測區的劃分，相關內容見圖2。

圖2 混凝土橋梁測區劃分

從圖2 可以看出，在混凝土橋梁外側的翼板下緣位置發射超聲波后，在橋面測點位置進行超聲波的接收。檢測前，應根據工程的實際情況，做好混凝土橋面的清理工作，準備檢測過程中所需要的儀器設備，并進行管線埋設，通過對超聲波在傳播過程中衰減系數的計算，實現對混凝土橋梁的無損檢測，完成基于本文方法的橋梁內部缺陷檢測。

在上述內容的基礎上，將1 段～2 段作為C1 測區，2 段～3 段作為C2 測區，3 段～4 段作為C3 測區，4 段～5 段作為C4 測區，5 段～6 段作為C5 測區，6段～7 段作為C6 測區。按照上述步驟，發射超聲波。

3.3 超聲波波形曲線分析

當混凝土橋梁中混凝土無縫隙且厚度變化均勻、一致時，超聲波的傳播路徑為最短直線，此過程為：發射超聲波→超聲波穿過混凝土層→超聲波穿過鋼腹板→超聲波直線穿過內填層→穿過鋼頂板與混凝土面板層，此時，超聲波的波形曲線見圖3。

圖3 超聲波檢測無缺陷且厚度一致的混凝土橋梁波形

當混凝土橋梁中混凝土存在內部缺陷或有縫隙時，超聲波無法通過縫隙傳播，而是需要通過其他路徑傳播。由于混凝土橋梁中存在孔隙與內部缺陷，導致超聲波檢測中的超聲波傳播距離呈現增加趨勢，波幅呈大幅度衰減，甚至可能會出現波相位發生變化的問題。此時，超聲波的波形曲線見圖4。

圖4 超聲波檢測有縫隙等畸變現象的混凝土橋梁波形

3.4 橋梁內部缺陷檢測

將上述內容作為參照，進行測區的檢測。根據超聲波的聲時，進行混凝土橋梁畸變分級的判定，相關內容見表4。

表4 混凝土橋梁超聲波檢測結果與畸變分級

從表4 的結果可以看出，C1～ C6 混凝土橋梁超聲波檢測聲時呈現逐步遞增趨勢，說明隨著測區與超聲波發射距離的增加，混凝土橋梁面層接收到超聲波的時間越長，但根據超聲波反饋的波形圖，進行聲波檢測結果的綜合判定，發現C3～C6 區段存在混凝土橋梁脫空問題。在檢測到混凝土橋梁質量問題所在區域后，根據檢測結果，進行脫空位置的混凝土灌漿施工，完成施工后，按照相同的步驟，進行混凝土橋梁的超聲波二次檢測，統計檢測結果，詳見表5。

表5 灌漿后混凝土橋梁超聲波檢測結果

從表5 可以看出，完成混凝土橋梁的灌漿施工后，C1～ C6 混凝土橋梁超聲波檢測結果綜合判定為“正常”，說明使用本文設計的方法作為參照，可以掌握混凝土橋梁的質量情況。

4 結語

混凝土樁基礎是我國軌道交通橋梁的主要構成，也是橋梁質量驗收的關鍵。混凝土基礎結構的質量可直接影響到橋梁的強度、穩定性、耐久性、橋梁的使用性能、年限等。由于施工能力和技術水平的限制，易造成橋梁樁基礎的混凝土強度不達標、混凝土離析等質量問題。為提高混凝土橋梁質量，本文以某混凝土橋梁工程為例，引進超聲波技術，通過超聲波檢測前準備與設備選型、混凝土橋梁檢測管線埋設、基于聲波傳播衰減系數的混凝土橋梁內部缺陷識別，開展橋梁工程檢測方法的設計研究。經驗證，使用本文設計的方法作為參照，可以掌握混凝土橋梁的質量情況，以此種方式，為橋梁工程質檢工作的規范化實施提供進一步的指導。