声波CT技术在桥墩病害检测中的应用

王 勇，卢 松

(1．四川公路桥梁建设集团有限公司 勘察设计分公司，四川 成都 610000;2．中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731)

声波CT技术在桥墩病害检测中的应用

王 勇1，卢 松2

(1．四川公路桥梁建设集团有限公司 勘察设计分公司，四川 成都 610000;2．中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731)

应用声波CT层析成像技术对受损桥墩内部质量进行无损检测。在桥墩重要部位设计10个CT剖面，经反演计算，测试平均速度均达到设计要求(4 400 m/s)，未见明显裂缝、离析或低质混凝土。声波CT检测结果与其它方法检测结果相吻合，表明了声波CT技术在钢筋混凝土检测应用中效果显著。

声波CT 桥墩 裂缝 检测

近几十年来，地球物理勘探技术已广泛应用于土建工程中构件质量、地基加固效果等检测领域。弹性波法利用介质间弹性波速度或波阻抗的差异，观测弹性波在介质中传播的运动学和动力学特征，了解测区内介质结构、物质组成或工程地质条件［1-3］。由于其探测方法的多样性、探测深度的多层次性、探测结果的准确性等优点有着不可取代的优势。

声波CT技术的研究开始于上世纪70年代中期，与医学CT几乎同时发展起来。近年来由于工程的需要，高分辨率声波 CT方法受到高度重视，发展很快。用于井间、巷道间以及构件表面之间联合观测的声波CT探测实例愈来愈多。

本文选用某病害桥墩CT勘探工程实例，对其应用效果进行分析评价，展示了声波CT技术的高效、无损、高分辨率等特点。

1 工程概况

新建铁路重庆至利川线，是规划建设的沪汉渝蓉通道的重要组成部分。线路地处我国中、西部地区的结合部，西起重庆市，向东途径重庆市长寿区、涪陵区、丰都县和石柱县，止于湖北省利川市，线路全长262.278 km。

由于位于该线路上的某车站附近大桥的6号桥墩受到外力冲击，业主单位拟对该桥墩的外观质量、内部混凝土质量等进行检测，并对该桥墩的现状做出科学的评判。检测方分别采用桥墩几何变位及垂直度检测、混凝土强度与弹性模量检测、钢筋位置及保护层厚度检测、混凝土内部质量均匀性检测(CT探伤)、桥墩动力试验及理论分析、桥墩仿真分析等对受损桥墩进行病害评价。本文拟介绍CT探伤在该工程中的应用及效果。

2 弹性波CT技术

根据反演物性参数，弹性波CT可分为波速CT和吸收系数CT，本文采用的是波速CT。在波速CT中，确定射线路径矩阵是关键，快速计算每条射线通过每个单元的距离，追踪首波传播路径及走时是重点，常用的方法有最佳路径算法、射线追踪算法、“椭圆约束”快速射线追踪方法等［4-7］。

最短路径算法是计算数学“图论”中的一个基本内容，其实质是若已知某些离散点及各点之间的路程权值，用最优计算方法及计算技术，求出从始点到终点最短路程。显然如果各点之间的权值是所需的旅行时间，求出的结果即是最小走时路径。

弹性波射线追踪法如图1所示，由费马原理可知，从激发点到接收点的首波是沿费时最少的路径传播的，首波射线追踪是一个连续的最佳路径问题。因此，只要把连续的射线追踪问题转换成为离散问题，应用最佳路径算法即可实现首波射线路径快速追踪。对于CT成像过程而言，成像剖面是由若干规则(正方形)网格组成，且假设每个网格中的介质波速为常数，以射线理论为基础的成像方法归结为求解方程，如式(1)。

图1 射线路径示意

式中:lij是第i条射线在第j个单元内的路径长度;Sj=1/Vj是第 j个单元的慢度值;ti是第 i条射线的走时值，N为剖面内共测试射线数，M为剖面分成的网格数。

其中，具体首波射线追踪算法如下述。

1)首选把单元边界离散成许多点 P1，P2，…，Pi，…，Pn，如图1所示。点的多少视精度要求而定，一般来说点越密集，计算精度越高，但计算时间也随之增加。

2)计算 S，P1，P2，…，Pn，R 中任意两点间弹性波走时，计算规则是:①若两点间连线在均匀介质中，射线走时是两点间距离除以介质波速;②若两点间的连线在分界面上，界面两侧最大波速为Vm，则射线走时为两点间距离除以最大波速;③若两点连线通过不同单元，不在均匀介质中，可以用直线路径近似计算射线走时。

3)把S点作为起始点，用最佳路径算法计算其它各点(P1，P2，…，Pn，R)到 S 点的最佳路径和走时，然后从中分离出R点到S点的最佳路径及走时，即可得到计算结果。

3 CT剖面布置及现场布设参数

图2所示桥墩斜线阴影部分为业主要求重点检测段，对重点检测段共布设10个 CT剖面，具体位置如表1，左右横系梁上各布设1条;左右横系梁与中间墩柱和右侧墩柱交结处以“十”字交叉形各布设2条;中间墩柱、右侧墩柱在距底部承台9 m和1 m处各布设1条。发射、接收点间距均为0.5 m。

图2 桥墩CT剖面示意

表1 CT检测剖面位置描述

本次检测所用仪器系统由主机ZGS202型CT声波探测仪、便携式计算机和声波发射接收换能器组成，其中ZGS202型CT声波探测仪为中铁西南科学研究院研制。主机设有16个接收通道，具有内发射、外触发和通道触发功能，最小采样间隔100 ns，幅度分辨达24 Bit，最大记录长度32 kB，最大量程5V，最小量程5 mV。各参数的选择、发射及数据传输操作等全部由便携式计算机通过并行口对主机实施控制。

CT检测的剖面、测点、测线布置如图3所示，顶面测点为声波发射点，编号依次为 F1，F2，…，F11，底面测点为声波接收点，编号依次为 S1，S2，…，S11。检测时，依次在 F1，F2，…，F11点作为发射点发射声波信号，对应每一个发射点依次在S1，S2，…，S11接收点接收声波信号，每一对发射接收点为一条测线，每一检测剖面共进行121条测线检测，获取原始记录波形242条。

图3 CT剖面网络射线示意

4 资料处理及解释

图4为典型CT射线波形曲线图，从图4可以看出，发射信号、接收信号首波起跳清晰明显，信噪高，易于获取时差数据，且误差较小。获取各剖面每条射线声波时差数据，采用配套的CT2005—export软件对声波走时数进行反演计算。共获取10个探测位置混凝土的声波速度等值图。选取6#，10#剖面做具体解释。

图4 典型CT射线波形曲线

6#剖面波速分布见图5，剖面宽度2.2 m，发射、接收点间距为0.5 m，测线长为5.5 m，实测声波主频为4.02 kHz，共进行144条测线检测，采集的288道波形曲线清晰，高频声波信号衰减不大，表明发射点与接收点之间无明显损伤。

图5 6#剖面声波速度等值线图

剖面内测点间声波速度为4 421 m/s，从图5可以看出，未见低速异常区，声波速度分布较均匀，仅有6%面积内声波速度低于4 000 m/s，检测剖面混凝土均达到C35强度等级要求，测试剖面内部混凝土均匀性较好，未见不密实，表明内部无明显损伤(裂缝、离析或低质混凝土)。

10#剖面波速分布见图6，剖面宽度1.8 m，发射、接收点间距为0.5 m，测线长为3.5 m，实测声波主频为4.37 kHz，共进行64条测线检测，采集的128道波形曲线清晰，高频声波信号衰减不大，表明发射点与接收点之间无明显损伤。

剖面内测点间声波平均速度为4 472 m/s，从图6可以看出，未见低速异常区，声波速度分布较均匀，仅有3%面积内声波速度低于4 000 m/s，可见检测剖面混凝土均达到C35强度等级要求，测试剖面内部混凝土均匀性较好，未见不密实，表明内部无明显损伤(裂缝、离析或低质混凝土)。

表2为各CT剖面平均声波速度统计表。从表2可以看出，所有CT测试剖面平均速度均在4 400 m/s左右，混凝土强度均匀性较好，无明显裂缝、离析等。结合其它检测方法，推测6号桥墩受到外力冲击后，其内部质量未受影响。

图6 10#剖面声波速度等值线图

表2 各CT剖面平均声波速度统计

5 结论

声波CT技术具有高效、无损、高分辨率等特点。是探查钢筋混凝土内部质量的重要手段之一，广泛应用于混凝土内部质量检测中。本文通过对桥墩的声波CT探测，各 CT测试剖面实测主频为 3.05～4.37 kHz，高频声波传播性较好，表明内部无明显损伤(裂缝、离析或低质混凝土)。并且测试声波速度普遍偏大，是因为受混凝土内钢筋影响，若根据断面钢筋面积比例进行校正，CT测试混凝土平均速度仍大于4 000 m/s，总体强度等级均达到设计混凝土强度等级(C35)要求，无低强度缺陷区。检测剖面所覆盖混凝土的均匀性为一般至较好，推测桥墩受到外力冲击后，其内部质量未受影响。

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U446．2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．05

1003-1995(2013)09-0014-04

2013-03-20;

2013-05-08

王勇(1970— )，男，重庆人，高级工程师。

(责任审编 孟庆伶)