聲波CT技術在斜拉橋大體積混凝土檢測中的應用

黃歐龍，曹國侯，蘇建坤，李萬寶

(1.南部戰(zhàn)區(qū) 陸軍第二工程科研設計院，云南 昆明 650222；2. 云南航天工程物探檢測股份有限公司，云南 昆明 650217)

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聲波CT技術在斜拉橋大體積混凝土檢測中的應用

黃歐龍1，曹國侯1，蘇建坤2，李萬寶2

(1.南部戰(zhàn)區(qū) 陸軍第二工程科研設計院，云南 昆明 650222；2. 云南航天工程物探檢測股份有限公司，云南 昆明 650217)

混凝土結構表觀及內部缺陷將嚴重影響橋梁工程的建設及后期運營安全，為獲取某斜拉橋塔柱表面裂縫發(fā)展及延伸情況，引入了聲波CT技術。首先對聲波CT技術的基本原理及重要性進行介紹；然后通過裂縫檢測聲波CT技術對混凝土進行質量檢測，得出塔柱內混凝土缺陷、密實性、均勻性等情況；最后通過對比分析，得出塔柱表面裂縫的發(fā)展狀況，為保障施工質量，保證橋梁施工進度提供理論依據(jù)。兩者對比結果充分證明了聲波CT技術在混凝土檢測中的有效性和全面性。

聲波CT；裂縫檢測；質量檢測

1 引 言

隨著我國交通建設的高速發(fā)展，道路要求等級不斷提高，橋梁工程已被廣泛應用于交通建設中。同時由于橋梁可以跨越峽谷、河流以及現(xiàn)有交通工程，因此，在現(xiàn)代交通建設中，橋梁建設起著非常重要的作用[1-4]。有研究表明大部分的混凝土橋梁的損壞是由裂縫造成的，有的裂縫很微小，肉眼察覺不到，這種級別的裂縫對結構不會產生大的影響，有的裂縫在荷載、氣候環(huán)境及其他影響因素作用下，會使裂縫擴展延伸，引起橋梁保護層剝落，進而使鋼筋產生銹蝕，影響混凝土的強度和剛度，破壞結構的完整性，影響橋梁耐久性及正常使用壽命，嚴重的可能造成橋梁坍塌的危險。因此對橋梁混凝土裂縫的檢測十分有必要。

目前采用聲波CT技術對橋梁混凝土進行質量檢測是國內比較先進的辦法，聲波CT技術能夠及時發(fā)現(xiàn)混凝土構件存在的各種缺陷，包括裂縫情況、密實性及均勻性等，通過聲波CT技術，人們可以對橋梁混凝土病害位置進行及時處理，消除各種工程質量隱患，從而保證橋梁工程后續(xù)施工，保障后期的安全運營等。

2 聲波CT技術

聲波CT技術[5，6]是利用在物體外部觀測得到的物理場量，通過特殊的數(shù)字處理技術，重現(xiàn)物體內部狀態(tài)或物性參數(shù)的分布圖像，從而解決被檢測物內部結構的工程技術問題。所利用的場源己從早期醫(yī)療用的X射線擴展到光波、地震波、電磁波、聲波及超聲波。它是地球物理勘探技術、數(shù)字計算技術、計算機圖形技術相結合的產物，一經產生便得到快速發(fā)展，便在工程技術界得到了廣泛應用。目前各類工程混凝土質量檢測用的是聲波層析成像技術[7-9]。

聲波CT技術的基本思想是根據(jù)聲波的射線幾何運動學原理，將聲波從發(fā)射點到接收點的旅行時間表達成探測區(qū)域介質速度參數(shù)的線積分，然后通過沿線積分路徑進行反投影來重建介質速度參數(shù)的分布圖像。

3 工程概況

該橋梁跨越黃河，為大跨徑雙塔斜拉橋，主橋長1 000 m，寬28 m，主塔最高193.6 m。為雙塔雙索鋼-混疊合梁斜拉橋。斜拉索扇形布置，橋面全寬為28.0 m。本橋采用“H”形主塔，主塔塔身由上塔柱、中塔柱、下塔柱、上橫梁和下橫梁等組成。

21號主塔總高度為193.6 m，塔身采用箱形變截面，從上至下分為上、中、下塔柱。其中下塔柱首節(jié)混凝土高度為5.8 m，其中實心段高3 m，截面尺寸由11.573 m×8.382 m減為11.124 m×8.082 m，混凝土采用設計C50混凝土強度。由于21號下塔柱首節(jié)混凝土(塔座頂)澆筑時間為冬季，溫度低，塔座施工完成后，未能及時進行下塔柱施工，第二年拆模后發(fā)現(xiàn)下塔柱首節(jié)實心段存在裂縫現(xiàn)象，且右塔柱裂縫多于左塔。施工現(xiàn)場及塔柱裂縫照片如圖1和圖2所示。

圖1 下塔柱現(xiàn)場施工照片F(xiàn)ig.1 The photo of the construction site of the lower pylon column

圖2 下塔柱首節(jié)實心段裂縫Fig.2 The crack of the first solid section of the lower pylon column

4 檢測方法

為查明21號下塔柱首節(jié)實心段裂縫的發(fā)展情況，探明其內部混凝土的密實情況及不均勻性，對該段塔柱進行裂縫檢測和聲波CT檢測。

4.1 裂縫檢測方法

對21號主塔下塔柱左、右塔柱分別進行裂縫分布檢測，對裂縫進行編號、拍照、描繪；然后測量裂縫的寬度并記錄；對具有代表性裂縫利用超聲單面平測法進行深度檢測[10,11]。

4.2 聲波CT檢測方法

對21號主塔右塔柱實心段布置了6個水平CT剖面，編號自下而上分別為Y1～Y6，沿長邊布置了2個斜剖面，編號分別為Y7、Y8。左塔柱實心段布置了1個水平CT剖面，編號為Z1，沿長邊布置2個斜剖面，編號為Z2、Z3。為兼顧檢測精度及工作量，取激發(fā)點、檢波點間距均為0.5 m。剖面測線布置示意圖如圖3所示。

水平剖面截面尺寸約為11.4 m×8.2 m，每個剖面激發(fā)點數(shù)為40個，檢波點數(shù)為40個，射線條數(shù)為40×40=1 600條，斜剖面射線條數(shù)稍多，也粗略按1 600條計算。剖面射線分布圖如圖4所示。

5 檢測結果分析

5.1 裂縫檢測結果

根據(jù)現(xiàn)場檢測結果得出，21號左塔柱代表性裂縫23條，裂縫最長為下游側LF 9，長度為3.25 m，裂縫最寬為大里程側LF5，寬度為0.35 mm，深度最深為下游側LF4，深度為72.1 mm。其裂縫展布位置圖如圖5所示。

21號右塔柱代表性裂縫有32條，裂縫最長為下游側LF6，長度為4.70 m，寬度最寬為小里程端LF4，寬度為0.25 mm，深度最深為大里程端LF6，深度為61.2 mm。其裂縫展布位置圖如圖6所示。

5.2 聲波CT檢測結果

通過檢波器獲取初至波的波形圖，如圖7所示為21號右塔柱側面單炮激發(fā)波形圖。通過對各檢波器接收波形圖進行處理、分析成圖，得出剖面的檢測CT成果圖。圖中紅色、黃色為高波速區(qū)，表示混凝土澆筑質量較好；綠色、藍色為低波速區(qū)，表示混凝土澆筑質量較差。特別是藍色區(qū)域，波速(波的傳播速度V，單位m/s)小于2 500 m/s，往往存在裂縫、空洞。

圖3 聲波CT測線布置示意圖Fig.3 The schematic diagram of measuring layout lines by sonic CT

圖4 射線分布Fig.4 The distribution map of the ray

圖5 左塔柱裂縫展布Fig.5 The distribution map of the crack in left tower column

圖6 右塔柱裂縫展布Fig.6 The distribution map of the crack in right tower column

如圖8所示為右塔柱Y1水平剖面CT成果圖，波速整體偏高，未發(fā)現(xiàn)明顯貫通的低波速帶，推測該剖面混凝土澆筑密實，均勻性好，整體澆筑質量較好。但在部分邊、角淺層處存在零星低波速區(qū)，是由混凝土開裂或不密實引起的，但其開裂主要集中于塔柱表面。

圖9所示為右塔柱左斜剖面CT檢測成果圖，波速整體偏高，未發(fā)現(xiàn)明顯貫通的低波速帶，推測該剖面混凝土澆筑密實，均勻性好，整體澆筑質量較好。但在部分邊、角淺層處存在零星低波速區(qū)，是由混凝土開裂或不密實引起的，主要集中在大里程一側，且分布較小，位于塔柱表層范圍內。

圖8 右塔柱Y1水平剖面CT檢測成果Fig.8 The result map of Y1 horizontal plane in the right tower column by CT detection

圖9 右塔柱Y7左斜剖面CT檢測成果Fig.9 The result map of Y7 Left oblique plane in the right tower CT detection

5.3 對比分析

根據(jù)聲波CT檢測結果，生成聲波檢測三維展布圖，并將聲波CT技術檢測與裂縫檢測結果進行對比，此處選取右塔柱下游側斷面與大里程側的裂縫分布圖和聲波CT檢測結果進行對比，如圖10和圖11所示。

通過兩側面裂縫分布與聲波CT檢測結果對比圖可以發(fā)現(xiàn)，聲波CT檢測結果與裂縫檢測結果基本吻合。其中由于裂縫的存在，裂縫附近混凝土完整性較差，因此在聲波檢測結果中表現(xiàn)為一定范圍的低波速區(qū)，呈綠色至藍色。

根據(jù)右塔柱8個剖面的聲波CT檢測結果，繪制出右塔柱混凝土檢測成果三維展布圖，如圖12所示。通過成果展布圖可以發(fā)現(xiàn)，低速區(qū)主要分布在塔柱混凝土體表面一定范圍內，并未向其內部延伸。說明該塔柱澆筑質量較好，僅在混凝土邊角處存在裂縫或不密實情況，對部分裂縫須進行密封注漿處理。

另外，通過聲波CT與裂縫檢測結果對比表明，一方面聲波CT檢測與裂縫檢測結果基本吻合；另一方面聲波CT檢測結果直觀性以及全面性遠超裂縫檢測成果。聲波CT檢測技術在混凝土檢測中具有更高的準確性與有效性， 能夠對其內部空洞、密實性等情況進行探測，對混凝土進行全面評價，保障施工質量，保證運營安全。

圖10 大里程側檢測結果對比Fig.10 Comparison of the detection result in far mileage

圖11 下游側檢測結果對比Fig.11 Comparison of the detection result in the downstream

圖12 右塔柱內部混凝土三維展布Fig.12 The three-dimensional distribution map of internal concrete in right tower column

6 結 論

目前我國交通建設發(fā)展越來越快，交通建設要求越來越高，作為交通建設的重要組成部分，橋梁工程正朝著高要求高標準的方向發(fā)展。因此對于橋梁工程安全施工、運營的要求越來越高，而橋梁裂縫檢測能夠提前發(fā)現(xiàn)橋梁工程中存在的工程問題，做到提前發(fā)現(xiàn)，及時治理。聲波CT檢測技術的應用，能夠對橋梁裂縫的影響范圍、發(fā)展規(guī)模以及混凝土內部的密實情況進行全面檢測，并能夠做到直觀表達，據(jù)此能夠針對橋梁結果采取有效的措施，保證施工運營安全，對在建橋梁工程的施工動態(tài)設計提供可靠的依據(jù)。該技術的推廣將產生巨大的社會經濟效益。

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The Application of Sonic Computed Tomography to Mass Concrete Detection of Cable-stayed Bridge

Huang Oulong1，Cao Guohou1，Su Jiankun2，Li Wanbao2

(1.SecondEngineeringInstituteofScientificResearchandEngineeringDesign,SouthMilitaryAreaGroundForce,KunmingYunnan650222,China；2.YunnanAerospaceEngineeringGeophysicalLimitedbyShareLtd,KunmingYunnan650217,China)

The defects of apparent and internal concrete structure will seriously affect the construction and operation safety of bridge engineer later. In order to obtain the surface crack development of a certain cable-stayed bridge tower,the sonic computed tomography is introduced in this paper. First the basic principles and importance of the technology of sonic computed tomography are presented. Then through the sonic computed tomography technology and crack detection to detect the quality of concrete,the defects,compactness and uniformity of concrete in the tower column can be found. At last,by contrastive analysis,we can obtain the development conditions of surface crack of tower column,which provides the theory basis to guarantee the construction quality and to ensure the progress of bridge construction. According to the comparison results,the validity and completeness of the technology of sonic computed tomography in the detection of concrete are well proved.

sonic computed tomography; crack detection; quality detection

1672—7940(2016)06—0794—05

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.06.017

黃歐龍(1980-)，男，工學碩士，工程師，主要研究方向為地下工程設計與防護研究。E-mail:karonhol@163.com

P631.5

A

2016-08-01