摘要:

    橋梁混凝土質量狀況的檢測與評價是橋梁建造、養護管理與加固效果評定的重要任務。橋梁混凝土表面的開裂和表層強度常采用外觀調查與超聲回彈的方法進行檢測,對于混凝土內部缺陷的檢測可采用橋梁聲波CT新技術。橋梁聲波CT以縱波速度圖像表征混凝土的強度分布,用幾種定量指標可以對混凝土質量進行評價。用平均速度評價混凝土強度等級,用波速的離散性評價混凝土的均勻性,用低速區界定混凝土結陷的位置。實踐表明,橋梁聲波CT技術對控制在建橋梁的施工質量、診斷運營橋梁的健康狀態、評價危舊橋梁的加固效果等方面都發揮了重要作用。 
關鍵詞:  橋梁混凝土; 質量檢測;橋梁聲波CT;評價指標;    

1、前言

      近十年來隨著高速公路與鐵路建設的快速發展,我國橋梁的數量急劇增長,橋梁的病害也日益突出,特別是九十年代末和本世紀初修建的混凝土橋梁出現病害的比例偏大,混凝土開裂和撓度過大等問題比較突出。這說明橋梁的耐久性方面的問題令人堪憂。危橋拆除中發現混凝土裂化是較為普遍的問題,是導致橋梁垮塌的主要原因之一。提高橋梁的耐久性,需要設計、施工和養護各環節的共同努力。目前橋梁施工質量主要靠工藝和管理控制,對施工質量缺乏有效的檢測與監督,這給養護與管理埋下了隱患。
      目前國內外對混凝土橋梁的質量檢測與健康診斷的手段比較有限,主要以外觀檢測為主,配合動靜載實驗進行承載力檢算作出評價。外觀檢測的主要工作包括混凝土表面裂縫測繪和碳化深度、氯離子濃度、保護層互厚度、混凝土強度的檢測。檢測規范中的混凝強度檢測是采用超聲-回彈方法[1-3],它主要代表混凝土表層5cm以內的強度,不能反映結構內部混凝土的質量狀態。這些檢測手段和規范已經落后于橋梁病害診斷與健康評價的現實需要,檢測的結果很難與動靜載試驗結果相結合用于承載力檢算分析。磁粉檢測和X光檢測在鋼結構上有一定應用,但對混凝土橋梁很難應用。近年地質雷達在橋梁檢測中也有應用,可以發現一些結構缺陷,但無法評價混凝土密實程度與抗壓強度等力學指標。為解決橋梁混凝質量的檢測問題,近年來發展起類似于醫學CT的橋梁聲波CT檢測新技術,2006年在重慶橋梁檢測中開始使用[4],對大型鋼構橋梁的混凝土結構進行了聲波CT檢測,通過聲波速度成像,對混凝土的強度分布、均勻性、缺陷位置進行了可靠診斷。目前在云南、重慶、貴州、陜西、河北、山東、浙江、安徽等省地橋梁的質量控制、病害診斷和加固效果評價中進行了成功的應用,初步形成了檢測評價標準,本文在此作相應介紹。

2 、橋梁聲波CT基本原理

橋梁聲波CT的基本原理與醫學CT類似。醫學CT是利用X射線穿透人體組織,通過射線能量衰減的測量對人體組織吸收特性成像。橋梁CT是利用聲波穿透混凝土介質,通過聲波走時和能量衰減的觀測,對混凝土結構波速分布成像。Radon變換是CT技術的數學基礎,其基本原理是通過測量變量沿路徑的積分來反演區內變量的分布。橋梁CT通過測量發射點到接收點聲波的走時,反演區內混凝土的波速分布。波速作為混凝土強度、密實性、均勻性和缺陷評價的重要指標,用于混凝土質量的評價。通過多年的專題研究與檢測實踐,獲得云南、四川、重慶、貴州、河北等地的混凝土波速與單軸抗壓強度的對應關系(表1)。波速與混凝土看押強度的相關關系是橋梁CT評價混凝土質量的物理基礎。
凝土標號 波速(m/s)
C40 3500-3800
C45 3800-4000
C50 4000-4300
C55 4300-4500
C60 >4500
 
表1 混凝土波速與抗壓強度實驗結果對照表
 
應用表明,橋梁聲波CT可以研究混凝土結構力學強度的分布,具有分辨率高、可靠性好、圖像直觀等特點,在工程檢測中可以被用來探查混凝土強度、密實性、均勻性和不密實區等結構缺陷。在橋梁結構的檢測和病害診斷有著廣泛的應用前景。

3、橋梁CT的測量方式

橋梁CT在檢測首先將橋梁分解成混凝土結構或構件,如橋墩、箱梁、T梁等結構,然后將三維結構分解成二維結構,如將箱梁和T梁分解成頂板、底板、腹板或拱面等。CT測量實際上是分別對二維結構進行測量與成像。在數學處理上將二維結構分解成有限單元體的組合,用有限單元體的速度表征二維結構速度分布。最后將各二維結構的速度分布拼合成三維結構圖像。

圖1 橋梁CT的觀測方式 

圖中紅色圓點表示聲波發射點,藍點表示接受點。每一點發射時所有接受點同時接收,獲得由發射點到各接收點的聲波射線與走時,所有發射點與接收點組成的射線網及走時數據,是CT計算的基礎。下圖是聲波走時記錄。
 

 圖2 橋梁聲波記錄
 

圖中每道記錄代表一個接收點檢波器的記錄,記錄的幅值就是聲波信號的強度。圖中清楚的顯示了直達縱波、后續的橫波、Lamb波震相。在橋梁CT中主要使用直達縱波,它速度快,最先到達,走時讀取干擾小,準確率高。

4 橋梁聲波CT圖像與混凝土質量評價指標

橋梁CT是以二維梁板為基礎,CT圖像表示混凝土速度的分布,根據混凝土波速與強度的對應關系,它可作為混凝土質量評價的依據。圖像中不同顏色表征混凝土速度高低。紅色、黃色、綠色、藍色的色階表示波速由高到低的變化。聲波CT圖像如圖3下所示。C50 混凝土的波速分布在4.0-4.3km/s之間。
 
 
圖3 混凝土梁板波速CT圖像
 
梁板中混凝土的波速是分布參數,不同部位波速不同,因而需要選定幾項統計參數作為混凝土質量評價的技術指標,這些指標能表征混凝土梁板強度、密實性、均勻性和結構缺陷等特征。
根據筆者的研究與實際應用,初步選擇下列4項參數作為混凝土質量評價的定量標準。它們分別為梁板的平均波速Va、波速離散度Rb、合格面積率Rs和最大缺陷尺度等4項。現分別對這些參數作深入分析。
(1)  平均波速
梁板的平均波速Va是表征梁板平均強度的重要指標,它用來衡量梁板的平均強度是否達到設計標準。平均波速計算公式如下:

其中Vj為CT剖面內單元位置的波速,M為CT剖面內單元總數。當橋梁CT剖面內的平均波速達到或超過設計速度時,表明混凝土強度達到了設計標準。C50混凝土的波速范圍是4000-4300m/s,取其中值4150m/s作為平均波速合格的指標。當平均波速超過該指標時為合格,否則不合格。
(2)   波速離散度
波速離散度Rb定義為速度均方差與平均波速的比值,它是表征梁板澆筑質量離散性大小的重要指標。離散度大表示澆筑質量不均勻,混凝土密實性差異較大,橋梁受力時易造成應力集中。反之,離散度小說明澆筑質量均一。波速離散度由下式計算:

其中σ為均方差。離散度小于9%為合格,超過此數值則離散過大,判定為不合格。
(3)   合格面積率
合格面積率Rs定義為強度達到設計標準的面積所占的比率。合格面積率越大說明混凝土質量越好。對于C50混凝土,就是波速等于和大于4000m/s的面積所占的比率。這個面積比率達到或超過80%為合格,低于此數值為不合格。
(4)   最大缺陷尺度
混凝土質量評價的第4項參數是最大缺陷尺度SL。所謂缺陷是指波速低于設計強度85%的疏松混凝土。松散混凝土在CT剖面上連續分布的面積如果過大,對橋梁的承載力會產生不利的影響,目前初步將最大缺陷面積設定為1m2,小于該數值認為合格,超過該數值認為不合格。對于C50混凝土,是統計波速小于3400m/s的連續面積。

(5)   鋼筋影響的評估
混凝土的波速受鋼筋密度分布的影響,鋼筋的波速Vst為5700m/s,比混凝土高,鋼筋密集區的波速V會比素混凝土VC高。如果需要,可以對鋼筋的影響給予消除。
其中α為綱筋在混凝土中所占的體積比,可根據鋼筋構造圖投影得到。當鋼筋體積比為5%時,波速的調整量為80m/s。對于C50混凝土,如果測得的波速為4300m/s,那么調整后純混凝土的波速為4220m/s左右,調整量非常小,僅為2%。混凝土中的鋼筋與混凝土同時受力,鋼筋會使結構變得更加安全,因而一般情況下不需要對鋼筋的影響進行校正。

5、橋梁CT檢測評價實例

貴州省境內1座橋梁出現病害,混凝土開裂,需要對病害的原因及影響范圍進行檢測分析,以便進行整治。對匝道橋和調頭橋的梁板分別進行了聲波CT檢測與評價,現結合其中匝道橋的1片梁板的檢測結果介紹評價過程。梁板長23m,高1.8m,檢測結果表示成聲波速度分布圖、平均速度、離散系數、速度直方圖、混凝土強度分布和缺陷統計等數據。根據前述的混凝土質量4項評價指標,合格的混凝土應滿足下列條件:平均波速超過4150m/s、離散度小于9%,C50混凝土面積超過80%,最大缺陷面積小于1m2。根據這4項指標的評價結果列于下表2。表中數據表明,該梁板混凝土的平均波速為4059.62m/s,低于波速指標,平均強度未達標;離散度為9.76%,離散性過大,均勻性未達標;C50及以上強度的混凝土僅占61%,低強度面積過大,C50強度面積未達標;未發現面積大于1m2的缺陷。4項指標中3項未達標,綜合判定混凝土梁板強度低,不合格。
 
橋梁混凝土質量評價表   表2
 
梁板速度分布圖     
速度分布直方圖
平均速度:4059.62米/秒, 離散度:9.76%
混凝土強度分布
面積統計 >=C50 61% C40~C50 34% < C40 9%
缺陷統計
序號 中心點X 中心點里程 中心點Y 面積m2 波速m/s 強度
1 2.3 K0+226.8 0.25 0.25 <3300 <C35
2 10.5 K0+235 0.25 0.75 <3300 <C35
3 13.5 K0+238 0.25 0.5 3300 <C35
4 22.5 K0+247 1.5 0.5 3300 C35
結論:不合格 該梁板平均波速4059m/s,未達到C50標準;離散度9.76%,超標; C50強度區域面積只占61%,未達標;缺陷面積小;三項指標不合格,因此判定該梁板強度偏低,檢測結果為不合格。

6 、結論

橋梁CT作為混凝土橋梁施工質量控制、危舊橋病害診斷和加固效果評價的有效手段,是傳統橋梁檢測方法的有益補充。橋梁CT的檢測是將橋梁看成混凝土構件,無法對橋梁的承載力進行功能性評價,但是CT檢測提供的梁體強度與缺陷分布的資料可為承載力的計算提供更可靠的依據。橋梁CT可以做為一種多發多收的聲波檢測層析成像方法歸入《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》CECS 21:2000中。現有的超聲法均是一發一收的,無法為梁板勾畫一個整體的CT圖像。
在對橋梁檢測的實踐表明,目前部分橋梁混凝土的質量確實存在強度不足和均勻性差等問題,應引起建設單位的足夠重視,并加以改進。希望本文中應用的橋梁CT評價標準能對推進國家相應標注的制定起到拋磚引玉的作用。