1、簡述:

現常用的橋梁檢測方法不能解決診斷混凝土橋梁內部強度的分布狀況,常用的表面回彈測強法以及破壞性取芯操作費事費力且對結構有一定的損傷,混凝土橋梁CT成像系統(橋梁聲波CT)完美的解決了這一局限性,可快速準確的評價評價混凝土的強度、密實性、均勻性、內部缺陷與損傷。目前常用于鐵路混凝土橋梁(0號塊)缺陷檢測; 混凝土橋梁、墩臺、橋樁、鋼管混凝土的質量檢測,評價混凝土的強度、密實性、均勻性、內部缺陷與損傷; 混凝土橋梁施工過程的質量控制與檢測; 運營橋梁的健康診斷與病害加固處理后的效果評價; 水工結構的質量檢測;

2、設備原理

混凝土橋梁CT成像系統指利用人工激發的聲波對橋梁混凝土的內部強度和缺陷進行計算機層析成像 (Computerized Tomography 即CT)。橋梁聲波CT具有分辨率高、可靠性好、圖像直觀的特點,已被越來越廣泛地應用于橋梁檢測和病害診斷中。
聲波CT的工作原理與醫學CT類似,醫學CT是利用X射線穿透人體,通過射線強度衰減的觀測對人體組織成像。聲波CT是利用聲波穿透工程介質,通過聲波走時和能量衰減的觀測對工程結構成像。聲波在穿透工程介質時,其速度快慢與介質的彈性模量、剪切模量、密度有關。介質密度大、強度高的其模量大,波速高、衰減小;破碎疏松介質的波速低、衰減大;波速可作為混凝土強度和缺陷評價的定量指標。混凝土波速與抗壓強度的對應關系參見表1。
根據彈性理論,彈性模量E與縱波速度VP的平方成正比,如公式(1)所示;剪切模量μ與橫波速度VS的平方成正比,如公式(2)所示。

         
式中ρ為介質密度。
國內外對縱、橫波速與混凝土抗壓強度之間的相關關系有很多專門的研究和系統的試驗。根據大量的試驗數據回歸,抗壓強度與波速呈冪指數關系。不同地區由于使用骨料與砂的差異,冪指數中待定常數的數值會略有差異,但差異不大。


圖2、混凝土抗壓強度與波速的試驗關系

在西南地區混凝土抗壓強度與縱波速的回歸關系為,如公式(3)所示:
                                  
  (3)

據此,波速可以作為混凝土抗壓強度和缺陷評價的定量指標,用于混凝土澆筑質量的評價。

表1、混凝土波速與標號的實驗結果對照表
混凝土
標號
軸心抗壓強度
標準值(Mpa)
軸心抗壓強度
設計值(Mpa)
彈性模量
(Gpa)
縱波速度
(km/s)
C15 10.00 7.20 22.00  
C20 13.40 9.60 25.50  
C25 16.70 11.90 28.00 3.3
C30 20.10 14.30 30.00 3.70
C35 23.40 16.70 31.50 3.90
C40 26.80 19.10 32.50 4.05
C45 29.60 21.10 33.50 4.20
C50 32.40 23.10 34.50 4.30
C55 35.50 25.30 35.50 4.40
C60 38.50 27.50 36.00 4.50
C65 41.50 29.70 36.50 4.60
C70 44.50 31.80 37.00 4.70
 
資料來源《混凝土結構無損檢測與故障處理及修復加固技術手冊》
 

3、檢測儀器與測線布置

3.1 檢測儀器

本次檢測采用北京安仕通科技發展有限公司的“混凝土橋梁CT成像系統”,該套儀器包括主機與檢波器電纜。采樣頻率最大1Mhz,24位A/D;檢波器獨立檢波器。目前的指標處同類儀器最高水平。分析軟件采用自主開發的工程CT分析軟件系統。具有走時讀取、延時校正、射線追蹤、速度計算等模塊。
TD-BWG主機側面_small       

3.2 測線布置

進行混凝土橋梁的聲波CT檢測時,需要按照結構將橋梁分解為不同的檢測面。對每個檢測面,分別在四周布設檢波點和激發點。本次檢測中,采用多個L型排列組合的方法,每個排列激發點間距20cm,接收點間距20cm,同時對于梁高方向的激發點和接收點進行加密,加密后激發點間距10cm,接收點間距10cm。

3.3 資料分析系統

聲波CT資料處理分為3個步驟:
A.  走時讀取
對現場采集的每一記錄數據,讀取射線的走時。如下圖所示

圖1.   資料處理步驟1:走時讀取
為保證走時讀取準確,一般在讀取走時之前要進行觸發延時校正。
B.  觀測坐標編輯與射線追蹤
對激發與接收點的幾何坐標進行編輯,對發射點到接收點的射線進行追蹤,計算出經過各單元體的射線長度。
C.  混凝土波速CT成像
聯合所有的激發-接收點數據,對波速分布進行CT求解,并形成波速CT圖像。如下圖所示。

圖2.     資料處理步驟3:CT成像

4、聲波CT的混凝土質量評價方法

4.1 聲波CT的混凝土質量評價方法

根據上述研究,聲波速度可以作為評價混凝土澆筑質量的依據。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指標。根據目前的研究結果與實際應用的方便,初步選擇下列4個項參數作為混凝土質量評價的定量指標。它們分別為梁板的平均波速Va、波速離散度Rb、合格率面積比Rs和最大缺陷尺度。現分別對這4項參數作深入分析。
(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剖面內單元節點位置的波速,M為剖面內單元節點總數。當聲波CT剖面內的平均波速達到或超過設計強度時,表明混凝土強度達到了設計標準。對于C60混凝土,其平均波速應大于4500m/s
(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。CT剖面的波速的離散度由下式計算:
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)合格率面積比
合格率面積比Rs定義為強度達到設計標準的面積所占的比率。合格率面積比越大說明混凝土質量越好。對于C50混凝土,就是波速等于和超過3500m/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四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在1m2,小于該數值認為合格,超過該數值認為不合格。對于C60混凝土,最大缺陷的面積是統計波速小于4300m/s連續的面積

4.2 鋼筋影響分析

混凝土的波速受到鋼筋分布的影響,鋼筋的波速Vst為5700m/s,比混凝土高,鋼筋密集區的波速V會比純混凝土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。對于鋼筋體積比為5%時,波速的調整量為230m/s。對于C60混凝土,如果測得的波速為4500m/s,那末調整后純混凝土的波速為4270m/s,調整量略低于5%。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。

4.3 齡期影響分析

當混凝土齡期不夠時,強度和波速還未達到預定標準。如果此時檢測數據達到合格指標,可以判定為合格。一般齡期未到的梁板,檢測數值中會出現低速、低強度的區域,此時不能簡單地使用上述標準對混凝土質量進行判斷,只能客觀地列出低波速、低強度區的分布范圍,不做合格與否的判定。

4.4 檢測結果表示方法

根據前述的評價標準,對于每個CT剖面的檢測結果,分別給出聲波速度分布圖、速度分布直方圖、混凝土強度分布圖和缺陷的位置與尺度等參數。這些結果匯聚成一張圖表。
(1)波速分布圖
速度分布圖是CT檢測的主要結果,是后續分析的基礎。圖中用不同紅色表示不同的波速,紅色為高波速區,經黃色、綠色、淺藍色到深藍色,波速逐漸降低。
(2)速度直方圖
速度直方圖是以統計學方法對波速分布圖像進行分析和表述。它表征具有不同波速的混凝土的豐度,即不同強度混凝土的面積比例,承載著混凝土質量評價的重要信息。
直方圖的右側標有平均波速和離散度兩個重要參數,他們是評價混凝土質量的重要指標。平均波速高表示混凝土彈性模量高,抗壓強度大,其值超過4300 m/s時,判定混凝土平均強度合格。離散度用于表示混凝土的均勻性,離散度小表示混凝土澆筑質量均勻,其值小于9%時認為均勻性合格。
(3)強度分布圖
強度分布圖用于表示不同強度混凝土的分布位置,它與速度直方圖表示的內容相似,但表示的方法不同。強度圖中紅色部分為混凝土強度達到C60的分布,天藍色表示強度為C50的混凝土,深藍色表示強度低于C50的強度不合格的混凝土的分布位置。
圖的下方列有三種不同強度混凝土的分布面積,C60混凝土的面積在80%以上為合格,低于該數值判為不合格。低于C50的混凝土的面積不應大于10%,否則可以判為不合格。
(4)缺陷尺度
缺陷尺度參數是以列表的形式表示CT剖面內強度低于C50的混凝土聯片的最大尺度,其結果與強度分布圖中的結果一致。設計強度為C60混凝土中,強度低于C50的區域被認為低強度的松散區,稱其為缺陷區。表中列有缺陷的坐標位置、尺度大小。如果缺陷的面積超過1m2,可判其為不合格。
使用上述4種參數對混凝土梁板分別進行評價,只要有1項指標不合格,就可以認定梁板不合格。

6 檢測結果

軌道梁—南面 齡期  
聲波CT檢測結果:速度分布云圖           左側為西
波速分布直方圖
平均波速(米/秒
4567.10
離散度
4.21%
強度分布云圖
面積統計 >=C60 98.04% C50~C60 1.95% < C50 0.01%
低強度區統計
序號 中心點X 中心點Y 面積m2 波速m/s 強度
           
結論:
合格。
平均波速為4567m/s,達到C60平均波速要求;波速離散度為4.21%,達到合格標準;強度達到C60以上的面積占98.04%,達到合格標準。最大低強度區尺度為0.02 平方米,達到合格標準。