楊 剛,韋 斯,張 威

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)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(chǎng)條件、施工工藝及現(xiàn)場(chǎng)管理等因素影響，混凝土內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)蜂窩、孔洞、離析等缺陷，影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全[1]，因此對(duì)混凝土質(zhì)量的檢測(cè)與控制至關(guān)重要。自20世紀(jì)30年代開始，相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者就開始研究混凝土無損檢測(cè)技術(shù)[2]；至今，混凝土無損檢測(cè)技術(shù)方法、設(shè)備種類較多，優(yōu)點(diǎn)突出，但也存在不少缺點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜混凝土的檢測(cè)成果精度有待提高。

近年來采用合成孔徑聚焦技術(shù)(Synthetic Aperture Focusing Technique，SAFT)的超聲橫波三維成像技術(shù)被引入到混凝土缺陷檢測(cè)中[3-9]，它是基于超聲橫波反射法，而混凝土是非均勻介質(zhì)，超聲縱波會(huì)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??；橫波不能在空氣及水中傳播，當(dāng)遇到混凝土中的波紋管等結(jié)構(gòu)或預(yù)埋件及蜂窩、孔洞、裂縫等缺陷時(shí)，橫波反射會(huì)更加明顯；因此超聲橫波較常規(guī)超聲縱波法對(duì)混凝土內(nèi)缺陷的反應(yīng)更為敏感，準(zhǔn)確度更高。本文簡要介紹了A1040 MIRA超聲橫波成像技術(shù)基本原理及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)要點(diǎn)，通過對(duì)云南某大橋橋梁混凝土超聲橫波成像檢測(cè)案例分析，為相關(guān)技術(shù)工程應(yīng)用提供參考。

1 基本原理及技術(shù)要點(diǎn)

1.1 超聲橫波成像技術(shù)基本原理

超聲橫波檢測(cè)技術(shù)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生折射、反射、繞射及散射等現(xiàn)象。超聲橫波檢測(cè)時(shí)，通過在物體的一側(cè)面發(fā)射和接收超聲橫波(20～100kHz)脈沖信號(hào)，然后用合成孔徑聚焦技術(shù)[10-12]進(jìn)行信號(hào)處理，得到物體內(nèi)部超聲橫波反射強(qiáng)度、位置、規(guī)模等分布圖，最后通過解譯得出被探測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(cè)系統(tǒng)采用4×12的干耦合點(diǎn)陣換能器，如圖1所示，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，換能器會(huì)進(jìn)行激發(fā)和接收的轉(zhuǎn)換，第一排激發(fā)時(shí)，后面的檢波器接收信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換成第二排激發(fā)，后面的檢波器接收信號(hào)，直到最后一排檢波器激發(fā)接收完畢時(shí)結(jié)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(hào)，也可以接收到小角度的超聲橫波反射信號(hào)，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(shù)要點(diǎn)

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(shí)成像功能；室內(nèi)資料整理是將現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用軟件進(jìn)行三維成圖，無需反演計(jì)算，因此現(xiàn)場(chǎng)采集參數(shù)的選擇對(duì)成像成果至關(guān)重要。當(dāng)橫波速度、發(fā)射頻率選擇不當(dāng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像不清晰，如鋼筋反射過于雜亂或分不開、探測(cè)對(duì)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(gè)參數(shù)選擇不當(dāng)，也會(huì)影響探測(cè)目標(biāo)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(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，一般可根據(jù)探測(cè)對(duì)象的尺寸大小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及缺陷深度等預(yù)估一個(gè)橫波速度、發(fā)射頻率、彩色增益及模擬增益數(shù)值，通過對(duì)臨近已知的完整區(qū)域混凝土構(gòu)件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

數(shù)據(jù)采集需將檢測(cè)對(duì)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(biāo)對(duì)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)，人工按壓設(shè)備，使設(shè)備的干耦合探頭與混凝土表面緊密接觸，然后按設(shè)定的采集方向完成所有點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集；并做好現(xiàn)場(chǎng)記錄，含測(cè)線位置、測(cè)線方向、起始位置、結(jié)束位置及表面混凝土缺陷特性、類型等信息。

2 工程應(yīng)用實(shí)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(jié)構(gòu)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值為22.4MPa，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.83MPa，彈性模量為3.45×104MPa，箱梁混凝土內(nèi)部鋼筋密集。該橋在澆筑過程中，由于現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管控不到位，導(dǎo)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(zhǔn)確了解該箱梁腹板混凝土的安全性，需對(duì)腹板混凝土進(jìn)行密實(shí)性檢測(cè)。結(jié)合箱梁內(nèi)部特征，常規(guī)地質(zhì)雷達(dá)法由于存在較強(qiáng)的電磁干擾，難以得到良好的檢測(cè)效果，因此采用超聲橫波層析成像法對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)(所采用設(shè)備為A1040 MIRA混凝土超聲成像儀)，查明箱梁混凝土內(nèi)部存在的缺陷，作出密實(shí)性評(píng)價(jià)，為后期工程處理提供可靠依據(jù)。

2.2 箱梁混凝土密實(shí)性分類標(biāo)準(zhǔn)

為保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在檢測(cè)工作正式開展前，首先是通過對(duì)臨近完整的、已知內(nèi)部結(jié)構(gòu)的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，以確定檢測(cè)參數(shù)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)，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(duì)受檢箱梁腹板進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)；對(duì)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(duì)比檢測(cè)的目的是確定2種情況下超聲橫波層析成像法反射信號(hào)特征，建立受檢箱梁混凝土密實(shí)性分類標(biāo)準(zhǔn)。

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

2.2.1正常箱梁腹板超聲橫波層析成像檢測(cè)

超聲橫波層析成像波形基本特征：第一層鋼筋網(wǎng)、預(yù)應(yīng)力鋼筋反射層清晰，第二層預(yù)應(yīng)力鋼筋反射層清晰，波紋管反射清晰，底界面反射清晰(若測(cè)試點(diǎn)靠近橋柱邊緣，此時(shí)底界反射會(huì)相對(duì)減弱，不屬于缺陷問題)，各層反射位置符合設(shè)計(jì)和施工實(shí)際情況，除結(jié)構(gòu)層間反射外，混凝土內(nèi)部無異常反射或存在零星弱反射；另外若測(cè)試點(diǎn)靠近橋柱邊緣，此時(shí)底界反射會(huì)相對(duì)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(cè)

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(jié)構(gòu)層間反射外，混凝土內(nèi)部存在較密集、密集、較弱或較強(qiáng)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(jīng)驗(yàn)，結(jié)合檢測(cè)技術(shù)原理、條件和工程內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，將本次箱梁混凝土密實(shí)性分為4個(gè)級(jí)別，各級(jí)別超聲橫波層析成像信號(hào)特征見表1。

2.3 箱梁腹板混凝土密實(shí)性檢測(cè)結(jié)果分析

檢測(cè)時(shí)按箱梁腹板外部結(jié)構(gòu)特征，將上下游腹板各分成6個(gè)檢測(cè)區(qū)域，并用250mm×200mm的網(wǎng)格單元對(duì)各個(gè)測(cè)區(qū)進(jìn)行覆蓋。數(shù)據(jù)經(jīng)專業(yè)軟件三維成圖，通過對(duì)不同部位超前橫波成像成果切片分析，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，按表1中箱梁混凝土密實(shí)性檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，成果統(tǒng)計(jì)見表2。

表1 箱梁混凝土密實(shí)性檢測(cè)綜合評(píng)價(jià)表

表2 腹板混凝土密實(shí)度超聲橫波層析成像檢測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表

本次箱梁上游腹板混凝土超聲橫波密實(shí)性檢測(cè)成果顯示，檢測(cè)范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)19個(gè)混凝土不密實(shí)區(qū)，其中9個(gè)輕度不密實(shí)區(qū)(Ⅱ級(jí))，輕度不密實(shí)區(qū)累計(jì)面積占總檢測(cè)面積的21.66%；10個(gè)中度不密實(shí)區(qū)(Ⅲ級(jí))，中度不密實(shí)區(qū)累計(jì)面積占總檢測(cè)面積的15.70%，在上游腹板檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，沒發(fā)現(xiàn)混凝土密實(shí)性為Ⅳ級(jí)的區(qū)域。

下游腹板混凝土密實(shí)性檢測(cè)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)20個(gè)混凝土不密實(shí)區(qū)，其中10塊輕度不密實(shí)區(qū)(Ⅱ級(jí))，輕度不密實(shí)區(qū)累計(jì)面積占總檢測(cè)面積的12.46%；10個(gè)中度不密實(shí)區(qū)(Ⅲ級(jí))，中度不密實(shí)區(qū)累計(jì)面積占總檢測(cè)面積的20.06%，在下游腹板檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，沒發(fā)現(xiàn)混凝土密實(shí)性為Ⅳ級(jí)的區(qū)域。

為驗(yàn)證異常是否存在，在異常部位進(jìn)行了鉆孔取芯驗(yàn)證，取芯結(jié)果表明異常部位混凝土出現(xiàn)蜂窩、孔洞、離析等缺陷，結(jié)合本次超聲橫波檢測(cè)成果及混凝土超聲回彈強(qiáng)度檢測(cè)成果，經(jīng)咨詢專家會(huì)討論研判，對(duì)該箱梁腹板進(jìn)行拆除重建。

3 結(jié)語

通過對(duì)云南某大橋箱梁腹板混凝土密實(shí)性超聲橫波密實(shí)性檢測(cè)案列分析，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

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

(2)發(fā)射頻率，橫波波速等參數(shù)的選取對(duì)超聲橫波成像結(jié)果有十分重大的影響，因此，工程應(yīng)用過程中，應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)臨近已知構(gòu)件的試驗(yàn)檢測(cè)確定。

(3)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在不同方向的多層鋼筋及波紋管等預(yù)埋件，同時(shí)檢測(cè)方法及檢測(cè)條件也存在一定局限性，資料解釋過程中，應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)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(shù)數(shù)據(jù)采集靠人工按壓干耦合探頭與被探測(cè)對(duì)象表面接觸進(jìn)行單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，效率相對(duì)較低。如何提高數(shù)據(jù)采集效率，是該方法應(yīng)用于大面積混凝土檢測(cè)的一個(gè)瓶頸。