聲波CT在橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用
2011-10-10 來(lái)源：中國(guó)鳴網(wǎng)
1、引言
預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)混凝土工程如橋墩、橋臺(tái)、梁板等大多數(shù)為混凝土結(jié)構(gòu)，所以混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量直接關(guān)系到預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)的安全，混凝土結(jié)構(gòu)物任何一部分出現(xiàn)質(zhì)量問題，都會(huì)危及整個(gè)預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)的安全，因此必須加強(qiáng)預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)混凝土工程的質(zhì)量檢測(cè)。目前聲波CT檢測(cè)預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)混凝土工程是先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)方法之一，該方法通過對(duì)所測(cè)混凝土實(shí)體的聲學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，判定混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。并圈定混凝土結(jié)構(gòu)低強(qiáng)度區(qū)域的部位、范圍、程度；為整治預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)的病害和施工質(zhì)量控制、工藝改進(jìn)提供依據(jù)。
2、預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)混凝土工程質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)—聲波CT
2.1聲波CT工作原理
聲波CT是利用聲波穿透工程介質(zhì)，通過聲波走時(shí)和能量衰減的觀測(cè)對(duì)工程結(jié)構(gòu)成像。聲波在穿透工程介質(zhì)時(shí)，其速度快慢與介質(zhì)的彈性模量、剪切模量、密度有關(guān)。介質(zhì)密度大、強(qiáng)度高的其模量大，波速高、衰減小，；破碎疏松介質(zhì)的波速低、衰減大；波速可作為混凝土強(qiáng)度和缺陷評(píng)價(jià)的定量指標(biāo)。聲波CT特別適用于研究工程介質(zhì)力學(xué)強(qiáng)度的分布，在工程檢測(cè)中常被用來(lái)探查混凝土強(qiáng)度、空洞、不密實(shí)區(qū)等結(jié)構(gòu)缺陷。聲波CT具有分辨率高、可靠性好、圖像直觀的特點(diǎn)，已被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)和工程病害診斷中。
混凝土的聲波速度可以作為評(píng)價(jià)混凝土抗壓強(qiáng)度與密實(shí)度的定量指標(biāo)?；炷恋牟ㄋ倥c混凝土抗壓強(qiáng)度有正相關(guān)關(guān)系，已有大量理論研究和測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)和回歸關(guān)系?？捎糜谠诮蛄旱馁|(zhì)量控制和運(yùn)行橋梁的病害診斷，檢測(cè)的分辨率可達(dá)分米級(jí)。
2.2觀測(cè)系統(tǒng)布置
根據(jù)預(yù)應(yīng)力橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的具體情況，常用的測(cè)線布置方式如圖1所示，白色點(diǎn)為接收點(diǎn)，黑色點(diǎn)為激發(fā)點(diǎn)。理論及實(shí)踐都證明，三側(cè)激發(fā)一側(cè)接收，所得反演效果最好，射線密度達(dá)到要求。一般檢測(cè)過程中測(cè)線都采用該方式布置。根據(jù)預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)的頂板、底板、腹板和隔板臨空面不同，采用適合的測(cè)線布置方法。激發(fā)點(diǎn)間距和接收點(diǎn)間距都是30cm。
2.3觀測(cè)系統(tǒng)完備性評(píng)價(jià)
觀測(cè)系統(tǒng)完備是聲波CT結(jié)果可靠性的基本保障。觀測(cè)系統(tǒng)的完備性是通過單元的射線密度和射線正交性來(lái)衡量的。因而，射線密度和射線正交性就成了表征觀測(cè)系統(tǒng)完備性的兩個(gè)重要指標(biāo)，他們是觀測(cè)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)的有效方法。為保證聲波CT結(jié)果的可靠性和分辨率，要求研究區(qū)內(nèi)每個(gè)單元體內(nèi)的射線超過40條，同時(shí)要求每個(gè)單元體內(nèi)通過的射線其交角至少有一組大于60°，其交角的正弦值大于0.87。
2.4后期成像
所用軟件為TDSoft的《工程CT》，該軟件有模塊化設(shè)計(jì)、文件格式要求清晰、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)。軟件共有數(shù)據(jù)輸入、射線追蹤、速度反演三個(gè)主模塊和正交性分析一個(gè)輔助模塊組成。最后通過網(wǎng)格化、成圖、白化、導(dǎo)出DXF格式等多個(gè)步驟的處理，最終得到混凝土聲波CT波速反演圖。
3、實(shí)際工程中的應(yīng)用
3.1工程介紹
銅陵長(zhǎng)江公路大橋位于安徽省銅陵市羊山磯下游600m處，橋型為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土雙塔索面斜拉橋，主橋總長(zhǎng)1152m，80+90+190+432+190+90+80（m）的7孔連續(xù)布置，由主跨432m的雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋和連續(xù)T型剛構(gòu)的邊跨所組成（圖2所示）。該橋橋塔采用H型門式結(jié)構(gòu)，箱形斷面，塔高153.65m。斜拉索為扇形布置，每個(gè)索面有26對(duì)索，索距8m。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土梁板式結(jié)構(gòu)，橋?qū)?3m，梁高2m。該橋于1991年12月開工建設(shè)，1995年12月26日竣工通車。
3.2檢測(cè)結(jié)果分析
采用聲波CT反演成像技術(shù)對(duì)銅陵長(zhǎng)江公路大橋銅陵側(cè)變截面梁段I-I斷面底板混凝土，1個(gè)剖面進(jìn)行了檢測(cè)驗(yàn)證。將采集的數(shù)據(jù)運(yùn)用CT軟件處理，得到混凝土聲波CT波速反演圖。下圖對(duì)銅陵長(zhǎng)江公路大橋銅陵側(cè)變截面梁段I-I斷面底板混凝土聲波CT波速反演圖進(jìn)行結(jié)果分析。
聲波CT反演圖檢測(cè)結(jié)果表明，該梁段底板混凝土平均波速為4.33km/s，變異系數(shù)為0.159，混凝土質(zhì)量一般；底板距橫隔板12.0-6.0m,離左腹板6.0-10.0m范圍和距橫隔板21.5-5.0m,離左腹板1.0-4.0m范圍（有混凝土掉快），存在較大面積的低波速區(qū)域，低波速區(qū)域的面積為6.0m2,波速低于4.0km/s，混凝土質(zhì)量相對(duì)較差，對(duì)橋梁局部結(jié)構(gòu)有一定影響。
存有混凝土掉快現(xiàn)象的底板部位與混凝土聲波CT反演圖中，某低波速區(qū)域與橋梁結(jié)構(gòu)混凝土掉塊部位相互驗(yàn)證。
4、結(jié)論
通過對(duì)銅陵長(zhǎng)江公路大橋混凝土工程混凝土質(zhì)量的檢測(cè)，并通過對(duì)所檢混凝土外觀檢查驗(yàn)證，充分說(shuō)明了聲波CT技術(shù)對(duì)檢測(cè)混凝土質(zhì)量的準(zhǔn)確性和有效性。該技術(shù)的成功應(yīng)用，將有力的推動(dòng)聲波CT成像技術(shù)在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)中的廣泛應(yīng)用。
