超聲橫波成像技術在橋梁混凝土檢測中的應用

楊 剛,韋 斯,張 威

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

在橋梁混凝土施工過程中，受現(xiàn)場條件、施工工藝及現(xiàn)場管理等因素影響，混凝土內部會出現(xiàn)蜂窩、孔洞、離析等缺陷，影響橋梁的結構安全[1]，因此對混凝土質量的檢測與控制至關重要。自20世紀30年代開始，相關領域的專家學者就開始研究混凝土無損檢測技術[2]；至今，混凝土無損檢測技術方法、設備種類較多，優(yōu)點突出，但也存在不少缺點，對復雜混凝土的檢測成果精度有待提高。

近年來采用合成孔徑聚焦技術(Synthetic Aperture Focusing Technique，SAFT)的超聲橫波三維成像技術被引入到混凝土缺陷檢測中[3-9]，它是基于超聲橫波反射法，而混凝土是非均勻介質，超聲縱波會發(fā)生明顯散射和繞射，且異常區(qū)與正常區(qū)的縱波速度差異較橫波速度?。粰M波不能在空氣及水中傳播，當遇到混凝土中的波紋管等結構或預埋件及蜂窩、孔洞、裂縫等缺陷時，橫波反射會更加明顯；因此超聲橫波較常規(guī)超聲縱波法對混凝土內缺陷的反應更為敏感，準確度更高。本文簡要介紹了A1040 MIRA超聲橫波成像技術基本原理及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集技術要點，通過對云南某大橋橋梁混凝土超聲橫波成像檢測案例分析，為相關技術工程應用提供參考。

1 基本原理及技術要點

1.1 超聲橫波成像技術基本原理

超聲橫波檢測技術是利用超聲橫波在混凝土中傳播，遇到其中的蜂窩、孔洞、離析等缺陷造成的波阻抗差異界面時，會產生折射、反射、繞射及散射等現(xiàn)象。超聲橫波檢測時，通過在物體的一側面發(fā)射和接收超聲橫波(20～100kHz)脈沖信號，然后用合成孔徑聚焦技術[10-12]進行信號處理，得到物體內部超聲橫波反射強度、位置、規(guī)模等分布圖，最后通過解譯得出被探測物體內部結構信息。

與傳統(tǒng)的單發(fā)單收超聲反射法相比，超聲橫波成像檢測系統(tǒng)采用4×12的干耦合點陣換能器，如圖1所示，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時，換能器會進行激發(fā)和接收的轉換，第一排激發(fā)時，后面的檢波器接收信號，然后轉換成第二排激發(fā)，后面的檢波器接收信號，直到最后一排檢波器激發(fā)接收完畢時結束一次采集。每次采集，既可以接收到廣角的超聲橫波反射信號，也可以接收到小角度的超聲橫波反射信號，激發(fā)接收方式如圖2所示。

圖1 A1040 MIRA混凝土超聲成像儀

圖2 A1040 MIRA混凝土超聲成像儀數(shù)據(jù)采集工作方式

1.2 技術要點

A1040 MIRA超聲橫波成像儀數(shù)據(jù)處理在采集過程中完成，具有即時成像功能；室內資料整理是將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)導入專用軟件進行三維成圖，無需反演計算，因此現(xiàn)場采集參數(shù)的選擇對成像成果至關重要。當橫波速度、發(fā)射頻率選擇不當時，會導致混凝土內部結構成像不清晰，如鋼筋反射過于雜亂或分不開、探測對象底界面不清晰、無底界面反射或底界面反射彎曲等，如圖3所示。彩色增益、模擬增益2個參數(shù)選擇不當，也會影響探測目標的顯示。

圖3 不同參數(shù)超聲橫波成像成果圖

A1040 MIRA超聲橫波成像儀現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時，一般可根據(jù)探測對象的尺寸大小、內部結構及缺陷深度等預估一個橫波速度、發(fā)射頻率、彩色增益及模擬增益數(shù)值，通過對臨近已知的完整區(qū)域混凝土構件進行現(xiàn)場試驗確定。

數(shù)據(jù)采集需將檢測對象表面的附著物及障礙物清理干凈，將儀器底部的十字光標對準測點，人工按壓設備，使設備的干耦合探頭與混凝土表面緊密接觸，然后按設定的采集方向完成所有點的數(shù)據(jù)采集；并做好現(xiàn)場記錄，含測線位置、測線方向、起始位置、結束位置及表面混凝土缺陷特性、類型等信息。

2 工程應用實例

2.1 工程概況

云南某大橋主橋采用主跨71.5m+130m+71.5m連續(xù)鋼結構方案。該橋2#橋墩0#塊段長12.0m，在托架上澆筑，頂板厚50cm；0#塊2橫隔板間底板厚80cm，腹板厚70cm，橫隔板外腹板厚度漸變。主橋箱梁采用C50混凝土，其軸心抗壓強度設計值為22.4MPa，軸心抗拉強度設計值為1.83MPa，彈性模量為3.45×104MPa，箱梁混凝土內部鋼筋密集。該橋在澆筑過程中，由于現(xiàn)場質量管控不到位，導致混凝土表面出現(xiàn)較多蜂窩、麻面，局部出現(xiàn)孔洞現(xiàn)象。為了準確了解該箱梁腹板混凝土的安全性，需對腹板混凝土進行密實性檢測。結合箱梁內部特征，常規(guī)地質雷達法由于存在較強的電磁干擾，難以得到良好的檢測效果，因此采用超聲橫波層析成像法對混凝土內部結構進行探測(所采用設備為A1040 MIRA混凝土超聲成像儀)，查明箱梁混凝土內部存在的缺陷，作出密實性評價，為后期工程處理提供可靠依據(jù)。

2.2 箱梁混凝土密實性分類標準

為保證檢測結果的準確性，在檢測工作正式開展前，首先是通過對臨近完整的、已知內部結構的混凝土進行試驗檢測，以確定檢測參數(shù)。經過現(xiàn)場試驗檢測，確定本次采集參數(shù)為：彩色增益為16dB，模擬增益為55dB，發(fā)射頻率為40kHz，波速為2350km/s。其次是對受檢箱梁腹板進行對比檢測；對比梁分為2種：一是確信正常的箱梁腹板，二是存在異常的箱梁腹板梁。對比檢測的目的是確定2種情況下超聲橫波層析成像法反射信號特征，建立受檢箱梁混凝土密實性分類標準。

正常箱梁腹板檢測在右岸3#橋墩0#塊箱梁上下游腹板上進行，異常箱梁腹板檢測在2#橋墩0#塊箱梁腹板混凝土表面明顯異常區(qū)域進行。超聲橫波層析成像檢測，主要分析信號反射特征，找出箱梁腹板鋼筋層、預應力鋼筋層、預應力鋼束波紋管、底界面等各層反射界面，以及混凝土內部的反射密集程度、強弱等。

2.2.1正常箱梁腹板超聲橫波層析成像檢測

超聲橫波層析成像波形基本特征：第一層鋼筋網(wǎng)、預應力鋼筋反射層清晰，第二層預應力鋼筋反射層清晰，波紋管反射清晰，底界面反射清晰(若測試點靠近橋柱邊緣，此時底界反射會相對減弱，不屬于缺陷問題)，各層反射位置符合設計和施工實際情況，除結構層間反射外，混凝土內部無異常反射或存在零星弱反射；另外若測試點靠近橋柱邊緣，此時底界反射會相對減弱，不屬于缺陷問題。典型超聲橫波成果如圖4—5所示。

圖4 右岸3#橋墩0#塊箱梁腹板正常情況超聲橫波成像典型切片

圖5 右岸3#橋墩0#塊箱梁腹板正常情況超聲橫波成像典型切片

2.2.2異常箱梁腹板超聲橫波層析成像檢測

超聲橫波層析成像波形基本特征：底界面反射較清晰，隱約可見或無底界面反射，鋼筋反射層清晰，波紋管反射清晰，除正常結構層間反射外，混凝土內部存在較密集、密集、較弱或較強反射；典型超聲橫波成果如圖6所示，三維成果如圖7所示。

圖6 左岸2#橋墩0#塊箱梁腹板異常情況超聲橫波成像典型切片

圖7 箱梁腹板混凝土超聲橫波成像三維成果圖

根據(jù)工程經驗，結合檢測技術原理、條件和工程內部結構特征，將本次箱梁混凝土密實性分為4個級別，各級別超聲橫波層析成像信號特征見表1。

2.3 箱梁腹板混凝土密實性檢測結果分析

檢測時按箱梁腹板外部結構特征，將上下游腹板各分成6個檢測區(qū)域，并用250mm×200mm的網(wǎng)格單元對各個測區(qū)進行覆蓋。數(shù)據(jù)經專業(yè)軟件三維成圖，通過對不同部位超前橫波成像成果切片分析，結合設計圖紙，按表1中箱梁混凝土密實性檢測評價標準進行評價，成果統(tǒng)計見表2。

表1 箱梁混凝土密實性檢測綜合評價表

表2 腹板混凝土密實度超聲橫波層析成像檢測成果統(tǒng)計表

本次箱梁上游腹板混凝土超聲橫波密實性檢測成果顯示，檢測范圍內共發(fā)現(xiàn)19個混凝土不密實區(qū)，其中9個輕度不密實區(qū)(Ⅱ級)，輕度不密實區(qū)累計面積占總檢測面積的21.66%；10個中度不密實區(qū)(Ⅲ級)，中度不密實區(qū)累計面積占總檢測面積的15.70%，在上游腹板檢測區(qū)域內，沒發(fā)現(xiàn)混凝土密實性為Ⅳ級的區(qū)域。

下游腹板混凝土密實性檢測范圍內發(fā)現(xiàn)20個混凝土不密實區(qū)，其中10塊輕度不密實區(qū)(Ⅱ級)，輕度不密實區(qū)累計面積占總檢測面積的12.46%；10個中度不密實區(qū)(Ⅲ級)，中度不密實區(qū)累計面積占總檢測面積的20.06%，在下游腹板檢測區(qū)域內，沒發(fā)現(xiàn)混凝土密實性為Ⅳ級的區(qū)域。

為驗證異常是否存在，在異常部位進行了鉆孔取芯驗證，取芯結果表明異常部位混凝土出現(xiàn)蜂窩、孔洞、離析等缺陷，結合本次超聲橫波檢測成果及混凝土超聲回彈強度檢測成果，經咨詢專家會討論研判，對該箱梁腹板進行拆除重建。

3 結語

通過對云南某大橋箱梁腹板混凝土密實性超聲橫波密實性檢測案列分析，得到以下幾點認識：

(1)超聲橫波層析成像技術采用干耦合點陣換能器，無需耦合劑，操作簡單，不受電磁干擾，檢測成果直觀，抗干擾能力強，對于橋梁混凝土等內部鋼筋密集型混凝土缺陷檢測具有良好的應用效果。

(2)發(fā)射頻率，橫波波速等參數(shù)的選取對超聲橫波成像結果有十分重大的影響，因此，工程應用過程中，應通過現(xiàn)場對臨近已知構件的試驗檢測確定。

(3)混凝土內部結構復雜、存在不同方向的多層鋼筋及波紋管等預埋件，同時檢測方法及檢測條件也存在一定局限性，資料解釋過程中，應結合設計圖紙，對虛假、異常加以甄別，提高資料解釋精度。

(4)目前超聲橫波成像技術數(shù)據(jù)采集靠人工按壓干耦合探頭與被探測對象表面接觸進行單點數(shù)據(jù)采集，效率相對較低。如何提高數(shù)據(jù)采集效率，是該方法應用于大面積混凝土檢測的一個瓶頸。