陈炙樟

(潮州市交通运输工程质量监督站工作，广东 潮州 521000)

目前，随着我国基础设施建设的快速推进，公路网建设重心逐渐由东部平原地区向西部多山地区偏移。桥梁工程作为连接山区不同高程公路的主要建设形式，其建设过程容易受多种因素的影响。为保证桥梁工程的施工质量，同时降低运营期存在的安全隐患，有必要对桥梁进行相应的质量检测工作，从而更为合理地制定桥梁加固措施。声波检测作为桥梁检测的主要形式，其能够在不损伤混凝土桥梁结构的基础上实现对混凝土桥梁结构安全性的检测。基于此，本文分析了声波检测在混凝土桥梁结构检测的原理，通过工程实例对声波检测在混凝土桥梁结构中的应用进行了探讨。

2.1 声波检测技术

声波检测利用声波在不同介质中具有不同的传播特性来对梁结构进行检测，作为一种无损检测方法，声波检测已经在混凝土桥梁检测中得到了广泛的应用[1-3]。目前，声波检测在混凝土桥梁检测领域的应用主要是基于反射法和透射法两种形式开展。反射法因单一脉冲信号探测深度有限以及信号干扰影响较大等原因，一般仅用于对混凝土浅层裂缝以及表层损伤进行检测。相对而言，透射法通过增加换能器功率，提升信号处理技术，使声波在穿越混凝土材料后能够得到更为准确的反馈，这也使其逐渐成了混凝土桥梁无损检测的主要方法。

2.2 声波检测原理

声波作为一种弹性脉冲波，当其在混凝土弹性体中传播时其波动可视为是纵波和横波叠加后的表现。一般而言，当桥梁混凝土密实无裂缝时，声波在混凝土中的传播一致，不会出现较大的波动。然而当混凝土存在空洞或裂缝时，由于声波在不同介质中传播时表现为不同的传播速度和规律，声波在达到不同介质界面时便会出现不同的传播速度或能量强度，因此，相应的声波接收系统也会收到不同于密实混凝土的声波传播规律。无损检测中常用的方法是超声波检测和冲击回波法检测两种形式，两种方法较为类似，但考虑到冲击回波法检测仅需一个测试面，且使用更低的声波进行检测合理避免了杂波的干扰，同时由于本文的工程实例中所采用的声波检测方法也为冲击回波法，因此，后续主要针对冲击回波法进行论述。具体操作流程为采用小锤或钢球敲击混凝土表层使其产生一个低频的应力波，该应力波到达混凝土结构内部时会被反射，采用传感器对反射回来的应力波进行接收，随后将其传输至内置的高速数据采集的便携式仪器中进行存储。

在采用该方法对桥梁混凝土密实度进行检测时，首先需要确定波速与混凝土强度间的量化关系。声波可视为是纵波以及横波经过复杂叠加后的产物，在确定二者量化关系之前，首先需确定混凝土桥梁结构的波速大小，通常可通过式(1）和式(2）计算获得：

式中，vp和vs分别为混凝土中的纵波及横波传播速度；
ρ、μ 和E 分别为混凝土材料的密度、剪切模量和弹性模量；
σ 为混凝土材料的泊松比。

相关研究表明[4-5]，一般而言，混凝土试块的抗压强度Rb与其纵波速度vp间存在式(3）所示关系：

式中，a 和b 分别为回归拟合参数。一般而言，拟合参数a 和b的取值范围分别为0.25～0.4 和3～3.5。通过式(3）便可求得不同强度混凝土的标准纵波传播速度。

3.1 工程实例

省道S232 线古巷至凤塘段改建工程的西山溪二桥，全长415 m，分离式单幅桥面宽度16.25 m，桥梁上部结构采用预应力混凝土连续箱梁，单箱双室断面，局部位置梁高为2.0～2.5 m，箱梁挑臂宽2.5 m，挑臂端部厚0.2 m，根部厚0.4 m，箱梁顶板厚0.25 m，底板厚0.22～0.4 m，腹板厚0.4～0.7 m。

在合龙张拉阶段采取从中跨到边跨的张拉顺序。考虑到部分桥墩在施工过程中出现边跨和中跨处混凝土出现多处底板裂缝，在多次加固后仍存在地板开裂问题，因此，拟采用声波检测技术对混凝土桥梁结构进行质量检测。值得一提的是在计算混凝土波速时泊松比取0.18，密度取2.6103kg/m3，弹性模量取值见表1。混凝土的强度试验数据一般能较好地为实例中的混凝土桥梁强度检测提供参考，如表1所示，混凝土强度等级为C30～C80 时，其纵波波速大概在3.7～4.8 km/s，通常认为混凝土等级为C15～C25 时波速小于3.5 km/s，此时认为混凝土存在严重的结构缺陷。

表1 混凝土性能参数测试结果

3.2 声波检测技术在混凝土桥梁检测中的应用

本项目主要针对混凝土桥梁的顶板、底板以及左、右腹板位置处的混凝土质量进行检测。检测时严格按照仪器的使用规程进行操作，本文分别针对不同位置处的检测结果进行分析。

桥梁顶板面积约为1 350 m2，经测试该区域处的混凝土波速均值为4.72 km/s，混凝土的整体强度性能指标满足C50混凝土的强度要求。在顶板中间位置处的波速可达4.85 km/s，且波速分布较为均匀，混凝土指标性能甚至满足C60 强度指标。但值得一提的是在顶板两翼位置处的波速较低，大约在4.1～4.4 km/s 范围波动，且覆盖区域大约在1.5～2.0 m。由于顶板的主要承载位置是中心位置，两翼位置的承载要求较低，因此顶板位置处的混凝土强度满足设计要求。

桥梁底板的检测面积约为550 m2，混凝土的波速测试结果显示波速均值为4.2 km/s，整体强度大约在C40～C50 混凝土强度指标之间。该区域内的波速波动较大，仅中间位置处的波速在4.34 km/s 外，其余一半区域位置的波速均为4.14 km/s，因此，认为该桥梁底板结构处的强度最低，试验结束后，已要求覆布养护，后经进一步检测，强度符合要求。

桥梁左腹位置处的检测面积约为332 m2，混凝土检测的波速均值为4.52 km/s，其强度满足C50 混凝土强度指标，且波速均匀，未出现明显的低波速区域。因此，桥梁左腹位置处的混凝土强度满足要求，且不存在空洞等缺陷。

桥梁右腹位置处的检测面积与左腹位置处的检测面积相同，均为332 m2，相应的混凝土纵波波速为4.65 km/s，其强度可达C60 混凝土的设计强度指标，且波速均匀。但在右腹板上部位置处出现了宽约1.1 m 的低波速带，该区域的波速均值为4.3 km/s，考虑到该低波速带的影响区域较小且强度满足C50混凝土的设计强度指标，因此，可认为桥梁腹部处的混凝土强度均满足要求。

3.3 声波检测板的设计

通过分析上述开展的混凝土波速检测结果发现，部位桥梁位置处的混凝土存在一定的质量缺陷，为进一步深化研究造成混凝土质量缺陷的原因，本文开展了混凝土不同振实度、不同强度以及不同缺陷的试验板试验。试验板尺寸设计为10 m×1.5 m×0.35 m，钢筋材料尺寸以8 mm 和20 mm 进行模拟。图1为混凝土不同振实度、强度以及缺陷的试验板设计图。

通过对测试板进行测试后发现对于振实度试验测试板而言，过振和未振区域的波速均较低，通常小于4.2 km/s，在轻振和正常振实条件下的波速较高，通常大于4.2 km/s。对于强度试验板而言，声波在C50 混凝土中的传播速度最快，可达5.3 km/s，在C30 的传播速度最小，为3.4～3.9 km/s，C40 混凝土的声波传播速度介于二者之间。对于缺陷试验板而言，声波在木板、30 cm×30 cm×30 cm 以及20 cm×20 cm×20 cm 的泡沫板中均表现出了较低的传播速度，对于其他试件来说，由于尺寸效应以及材料特性的影响，均无法准确判断是否存在缺陷。总而言之，上述的试验板检测结果与实际桥梁混凝土测试结果较为接近。此外，通过分析试验板检测过程中的声波散射时程可发现混凝土试件散射的高频能量是由于混凝土中存在部分小面积缺陷所引起的，导致混凝土试件在小范围内散射较强能量的主要原因是敲击和端头空洞所引起的。

本文论述了声波检测的原理，通过工程实例对声波检测在混凝土桥梁检测中的应用进行了详细的分析。结果表明，冲击回波法作为桥梁无损检测的主要形式，能够准确地测定混凝土中的缺陷问题，在未来混凝土桥梁检测过程中值得被推广应用。

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