中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
橋梁混凝土質(zhì)量狀況的檢測(cè)與評(píng)價(jià)是橋梁建造、養(yǎng)護(hù)管理與加固效果評(píng)定的重要任務(wù)。橋梁混凝土表面的開(kāi)裂和表層強(qiáng)度常采用外觀調(diào)查與超聲回彈的方法進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于混凝土內(nèi)部缺陷的檢測(cè)可采用橋梁聲波CT新技術(shù)。橋梁聲波CT以縱波速度圖像表征混凝土的強(qiáng)度分布，用幾種定量指標(biāo)可以對(duì)混凝土質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。用平均速度評(píng)價(jià)混凝土強(qiáng)度等級(jí)，用波速的離散性評(píng)價(jià)混凝土的均勻性，用低速區(qū)界定混凝土結(jié)陷的位置。實(shí)踐表明，橋梁聲波CT技術(shù)對(duì)控制在建橋梁的施工質(zhì)量、診斷運(yùn)營(yíng)橋梁的健康狀態(tài)、評(píng)價(jià)危舊橋梁的加固效果等方面都發(fā)揮了重要作用。
關(guān)鍵詞： 橋梁混凝土； 質(zhì)量檢測(cè)；橋梁聲波CT；評(píng)價(jià)指標(biāo)；
1、前言
近十年來(lái)隨著高速公路與鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，我國(guó)橋梁的數(shù)量急劇增長(zhǎng)，橋梁的病害也日益突出，特別是九十年代末和本世紀(jì)初修建的混凝土橋梁出現(xiàn)病害的比例偏大，混凝土開(kāi)裂和撓度過(guò)大等問(wèn)題比較突出。這說(shuō)明橋梁的耐久性方面的問(wèn)題令人堪憂(yōu)。危橋拆除中發(fā)現(xiàn)混凝土裂化是較為普遍的問(wèn)題，是導(dǎo)致橋梁垮塌的主要原因之一。提高橋梁的耐久性，需要設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)各環(huán)節(jié)的共同努力。目前橋梁施工質(zhì)量主要靠工藝和管理控制，對(duì)施工質(zhì)量缺乏有效的檢測(cè)與監(jiān)督，這給養(yǎng)護(hù)與管理埋下了隱患。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土橋梁的質(zhì)量檢測(cè)與健康診斷的手段比較有限，主要以外觀檢測(cè)為主，配合動(dòng)靜載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行承載力檢算作出評(píng)價(jià)。外觀檢測(cè)的主要工作包括混凝土表面裂縫測(cè)繪和碳化深度、氯離子濃度、保護(hù)層互厚度、混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)。檢測(cè)規(guī)范中的混凝強(qiáng)度檢測(cè)是采用超聲-回彈方法[1-3]，它主要代表混凝土表層5cm以?xún)?nèi)的強(qiáng)度，不能反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部混凝土的質(zhì)量狀態(tài)。這些檢測(cè)手段和規(guī)范已經(jīng)落后于橋梁病害診斷與健康評(píng)價(jià)的現(xiàn)實(shí)需要，檢測(cè)的結(jié)果很難與動(dòng)靜載試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合用于承載力檢算分析。磁粉檢測(cè)和X光檢測(cè)在鋼結(jié)構(gòu)上有一定應(yīng)用，但對(duì)混凝土橋梁很難應(yīng)用。近年地質(zhì)雷達(dá)在橋梁檢測(cè)中也有應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)缺陷，但無(wú)法評(píng)價(jià)混凝土密實(shí)程度與抗壓強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)。為解決橋梁混凝質(zhì)量的檢測(cè)問(wèn)題，近年來(lái)發(fā)展起類(lèi)似于醫(yī)學(xué)CT的橋梁聲波CT檢測(cè)新技術(shù)，2006年在重慶橋梁檢測(cè)中開(kāi)始使用[4]，對(duì)大型鋼構(gòu)橋梁的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了聲波CT檢測(cè)，通過(guò)聲波速度成像，對(duì)混凝土的強(qiáng)度分布、均勻性、缺陷位置進(jìn)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(zhì)量控制、病害診斷和加固效果評(píng)價(jià)中進(jìn)行了成功的應(yīng)用，初步形成了檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文在此作相應(yīng)介紹。
2 、橋梁聲波CT基本原理
橋梁聲波CT的基本原理與醫(yī)學(xué)CT類(lèi)似。醫(yī)學(xué)CT是利用X射線(xiàn)穿透人體組織，通過(guò)射線(xiàn)能量衰減的測(cè)量對(duì)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(zhì)，通過(guò)聲波走時(shí)和能量衰減的觀測(cè)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)波速分布成像。Radon變換是CT技術(shù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，其基本原理是通過(guò)測(cè)量變量沿路徑的積分來(lái)反演區(qū)內(nèi)變量的分布。橋梁CT通過(guò)測(cè)量發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)聲波的走時(shí)，反演區(qū)內(nèi)混凝土的波速分布。波速作為混凝土強(qiáng)度、密實(shí)性、均勻性和缺陷評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，用于混凝土質(zhì)量的評(píng)價(jià)。通過(guò)多年的專(zhuān)題研究與檢測(cè)實(shí)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(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系（表1）。波速與混凝土看押強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系是橋梁CT評(píng)價(jià)混凝土質(zhì)量的物理基礎(chǔ)。
混凝土標(biāo)號(hào)波速（m/s）C403500-3800C453800-4000C504000-4300C554300-4500C60>4500
表1 混凝土波速與抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照表
應(yīng)用表明，橋梁聲波CT可以研究混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)強(qiáng)度的分布，具有分辨率高、可靠性好、圖像直觀等特點(diǎn)，在工程檢測(cè)中可以被用來(lái)探查混凝土強(qiáng)度、密實(shí)性、均勻性和不密實(shí)區(qū)等結(jié)構(gòu)缺陷。在橋梁結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和病害診斷有著廣泛的應(yīng)用前景。
3、橋梁CT的測(cè)量方式
橋梁CT在檢測(cè)首先將橋梁分解成混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，如橋墩、箱梁、T梁等結(jié)構(gòu)，然后將三維結(jié)構(gòu)分解成二維結(jié)構(gòu)，如將箱梁和T梁分解成頂板、底板、腹板或拱面等。CT測(cè)量實(shí)際上是分別對(duì)二維結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量與成像。在數(shù)學(xué)處理上將二維結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)速度分布。最后將各二維結(jié)構(gòu)的速度分布拼合成三維結(jié)構(gòu)圖像。
圖1 橋梁CT的觀測(cè)方式
圖中紅色圓點(diǎn)表示聲波發(fā)射點(diǎn)，藍(lán)點(diǎn)表示接受點(diǎn)。每一點(diǎn)發(fā)射時(shí)所有接受點(diǎn)同時(shí)接收，獲得由發(fā)射點(diǎn)到各接收點(diǎn)的聲波射線(xiàn)與走時(shí)，所有發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)組成的射線(xiàn)網(wǎng)及走時(shí)數(shù)據(jù)，是CT計(jì)算的基礎(chǔ)。下圖是聲波走時(shí)記錄。
圖2 橋梁聲波記錄
圖中每道記錄代表一個(gè)接收點(diǎn)檢波器的記錄，記錄的幅值就是聲波信號(hào)的強(qiáng)度。圖中清楚的顯示了直達(dá)縱波、后續(xù)的橫波、Lamb波震相。在橋梁CT中主要使用直達(dá)縱波，它速度快，最先到達(dá)，走時(shí)讀取干擾小，準(zhǔn)確率高。
4 橋梁聲波CT圖像與混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)
橋梁CT是以二維梁板為基礎(chǔ)，CT圖像表示混凝土速度的分布，根據(jù)混凝土波速與強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，它可作為混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)的依據(jù)。圖像中不同顏色表征混凝土速度高低。紅色、黃色、綠色、藍(lán)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(shù)，不同部位波速不同，因而需要選定幾項(xiàng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)作為混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)的技術(shù)指標(biāo)，這些指標(biāo)能表征混凝土梁板強(qiáng)度、密實(shí)性、均勻性和結(jié)構(gòu)缺陷等特征。
根據(jù)筆者的研究與實(shí)際應(yīng)用，初步選擇下列4項(xiàng)參數(shù)作為混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)的定量標(biāo)準(zhǔn)。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(xiàng)。現(xiàn)分別對(duì)這些參數(shù)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(qiáng)度的重要指標(biāo)，它用來(lái)衡量梁板的平均強(qiáng)度是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。平均波速計(jì)算公式如下：
其中Vj為CT剖面內(nèi)單元位置的波速，M為CT剖面內(nèi)單元總數(shù)。當(dāng)橋梁CT剖面內(nèi)的平均波速達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)速度時(shí)，表明混凝土強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)。當(dāng)平均波速超過(guò)該指標(biāo)時(shí)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(zhì)量離散性大小的重要指標(biāo)。離散度大表示澆筑質(zhì)量不均勻，混凝土密實(shí)性差異較大，橋梁受力時(shí)易造成應(yīng)力集中。反之，離散度小說(shuō)明澆筑質(zhì)量均一。波速離散度由下式計(jì)算：
其中σ為均方差。離散度小于9%為合格，超過(guò)此數(shù)值則離散過(guò)大，判定為不合格。
(3) 合格面積率
合格面積率Rs定義為強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的面積所占的比率。合格面積率越大說(shuō)明混凝土質(zhì)量越好。對(duì)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(gè)面積比率達(dá)到或超過(guò)80%為合格，低于此數(shù)值為不合格。
(4) 最大缺陷尺度
混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)的第4項(xiàng)參數(shù)是最大缺陷尺度SL。所謂缺陷是指波速低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度85%的疏松混凝土。松散混凝土在CT剖面上連續(xù)分布的面積如果過(guò)大，對(duì)橋梁的承載力會(huì)產(chǎn)生不利的影響，目前初步將最大缺陷面積設(shè)定為1m2，小于該數(shù)值認(rèn)為合格，超過(guò)該數(shù)值認(rèn)為不合格。對(duì)于C50混凝土，是統(tǒng)計(jì)波速小于3400m/s的連續(xù)面積。
(5) 鋼筋影響的評(píng)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(qū)的波速V會(huì)比素混凝土VC高。如果需要，可以對(duì)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(jù)鋼筋構(gòu)造圖投影得到。當(dāng)鋼筋體積比為5%時(shí)，波速的調(diào)整量為80m/s。對(duì)于C50混凝土，如果測(cè)得的波速為4300m/s，那么調(diào)整后純混凝土的波速為4220m/s左右，調(diào)整量非常小，僅為2%?；炷林械匿摻钆c混凝土同時(shí)受力，鋼筋會(huì)使結(jié)構(gòu)變得更加安全，因而一般情況下不需要對(duì)鋼筋的影響進(jìn)行校正。
5、橋梁CT檢測(cè)評(píng)價(jià)實(shí)例
貴州省境內(nèi)1座橋梁出現(xiàn)病害，混凝土開(kāi)裂，需要對(duì)病害的原因及影響范圍進(jìn)行檢測(cè)分析，以便進(jìn)行整治。對(duì)匝道橋和調(diào)頭橋的梁板分別進(jìn)行了聲波CT檢測(cè)與評(píng)價(jià),現(xiàn)結(jié)合其中匝道橋的1片梁板的檢測(cè)結(jié)果介紹評(píng)價(jià)過(guò)程。梁板長(zhǎng)23m，高1.8m，檢測(cè)結(jié)果表示成聲波速度分布圖、平均速度、離散系數(shù)、速度直方圖、混凝土強(qiáng)度分布和缺陷統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)。根據(jù)前述的混凝土質(zhì)量4項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，合格的混凝土應(yīng)滿(mǎn)足下列條件：平均波速超過(guò)4150m/s、離散度小于9%，C50混凝土面積超過(guò)80%，最大缺陷面積小于1m2。根據(jù)這4項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果列于下表2。表中數(shù)據(jù)表明，該梁板混凝土的平均波速為4059.62m/s，低于波速指標(biāo)，平均強(qiáng)度未達(dá)標(biāo)；離散度為9.76%，離散性過(guò)大，均勻性未達(dá)標(biāo)；C50及以上強(qiáng)度的混凝土僅占61%，低強(qiáng)度面積過(guò)大，C50強(qiáng)度面積未達(dá)標(biāo)；未發(fā)現(xiàn)面積大于1m2的缺陷。4項(xiàng)指標(biāo)中3項(xiàng)未達(dá)標(biāo)，綜合判定混凝土梁板強(qiáng)度低，不合格。
橋梁混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)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(qiáng)度分布
面積統(tǒng)計(jì)>=C5061%C40～C5034%< C409%缺陷統(tǒng)計(jì)序號(hào)中心點(diǎn)X中心點(diǎn)里程中心點(diǎn)Y面積m2波速m/s強(qiáng)度12.3K0+226.80.250.25<3300<C35210.5K0+2350.250.75<3300<C35313.5K0+2380.250.53300<C35422.5K0+2471.50.53300C35結(jié)論：不合格該梁板平均波速4059m/s，未達(dá)到C50標(biāo)準(zhǔn)；離散度9.76%，超標(biāo)； C50強(qiáng)度區(qū)域面積只占61%，未達(dá)標(biāo)；缺陷面積??；三項(xiàng)指標(biāo)不合格，因此判定該梁板強(qiáng)度偏低，檢測(cè)結(jié)果為不合格。
6 、結(jié)論
橋梁CT作為混凝土橋梁施工質(zhì)量控制、危舊橋病害診斷和加固效果評(píng)價(jià)的有效手段，是傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)方法的有益補(bǔ)充。橋梁CT的檢測(cè)是將橋梁看成混凝土構(gòu)件，無(wú)法對(duì)橋梁的承載力進(jìn)行功能性評(píng)價(jià)，但是CT檢測(cè)提供的梁體強(qiáng)度與缺陷分布的資料可為承載力的計(jì)算提供更可靠的依據(jù)。橋梁CT可以做為一種多發(fā)多收的聲波檢測(cè)層析成像方法歸入《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》CECS 21：2000中。現(xiàn)有的超聲法均是一發(fā)一收的，無(wú)法為梁板勾畫(huà)一個(gè)整體的CT圖像。
在對(duì)橋梁檢測(cè)的實(shí)踐表明，目前部分橋梁混凝土的質(zhì)量確實(shí)存在強(qiáng)度不足和均勻性差等問(wèn)題，應(yīng)引起建設(shè)單位的足夠重視，并加以改進(jìn)。希望本文中應(yīng)用的橋梁CT評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)能對(duì)推進(jìn)國(guó)家相應(yīng)標(biāo)注的制定起到拋磚引玉的作用。
