桥梁CT对桥梁混凝土质量评价标准研究投公路交通科技.docx

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1、桥梁CT方法对混凝土桥梁进行质量评价的标准研究石大为卜2蒋辉J（1.贵州交通质安检测技术有限公司，贵阳，550004；2.交通运输部试验检测委员会；3.中国科学院地质与地球物理研究所，北京，100029）摘要：针对现有常规的桥梁检测方法不能解决桥梁混凝土内部质量状况的问题，利用桥梁CT对混凝土桥梁内部质量进行检测。以试验和地球物理理论两方面研究为基础探讨了桥梁CT对混凝土桥梁质量的评价标准。试验结果表明，桥梁CT系统能够给出混凝土梁板的强度、均匀性及缺陷的分布，并可有效地对梁板质量进行评定；在指导梁体施工工艺改进方面也有参考作用。相关研究成果已用于混凝土桥梁的质量控制和危旧桥梁的病害诊断。关键

2、词：桥梁检测桥梁CT声波CT混凝土桥梁BCTStudyontheStandardofUti1izingBridgeCTtoperformConcreteHea1thCheckAbstract:Intheconcretebridgeinnerstrengthhea1thcheckarea,thecommon1yusedhea1thcheckmethodscannotgivetheresu1tofstrengthdistribution.BridgeCTisusedtodothis.Thisstudyisbasedonfie1dtestingandgeophysica1theory,givesom

3、estandardinconcretebridgehea1thcheck.ItisprovedthatBridgeCTiseffectiveinc1assifythebridgequa1ityandgiveinstructionstobridgeconstruction.There1atedresearchresu1tshavebeenusedfortheconcretebridgesqua1ityassurance.Keywords:bridgehea1thcheckbridgeCTacousticCTconcretebridgeNDT1前言近十年来随着高速公路与铁路建设的快速发展，我国桥梁

4、的数量急剧增长，桥梁的病害也日益突出，特别是九十年代末和本世纪初修建的混凝土桥梁出现病害的比例偏大，混凝土开裂和挠度过大等问题比较突出。这说明桥梁的耐久性方面的问题令人堪忧。危桥拆除中发现混凝土裂化是较为普遍的问题，是导致桥梁垮塌的主要原因之一。提高桥梁的耐久性，需要设计、施工和养护各环节的共同努力。2011版JTG/TF502011公路桥涵施工技术规范简称新桥规中对桥梁施工的工艺和管理控制的规定比较详细，但是混凝质量标准部分没有增加新的无损检测方法。当前主要以外观检测为主，配合动静载实验进行承载力检算作出评价。外观检测的主要工作包括混凝土表面裂缝测绘和碳化深度、氯离子浓度、保护层互厚度、混凝

5、土强度的检测。上述规范中的混凝强度检测有：回弹方法一叫它主要代表混凝土表层5cm以内的强度，不能反映结构内部混凝土的质量状态。钻芯法叫有损检测法，样本量有限，不能客观地反映混凝土梁板强度的全貌。后装拔出法也是1994年进入规范的有损检测法，这些检测手段和规范已经明显落后于桥梁病害诊断与健康评价的现实需要，检测的结果很难与动静载试验结果相结合用于承载力检算分析。磁粉检测和X光检测在钢结构上有一定应用，但对混凝土桥梁很难应用。近年地质雷达在桥梁检测中也有应用，可以发现一些结构缺陷，但无法评价混凝土密实程度与抗压强度等力学指标。为解决桥梁混凝质量的检测问题，近年来发展起类似于医学CT的桥梁声波CT检

6、测新技术，2006年在重庆桥梁检测中开始使用，对大型钢构桥梁的混凝土结构进行了声波CT检测，通过声波速度成像，对混凝土的强度分布、均匀性、缺陷位置进行了可靠诊断。目前在云南、重庆、贵州、陕西、河北、山东、浙江、安徽等省地桥梁的质量控制、病害诊断和加固效果评价中进行了成功的应用，初步形成了检测评价标准，本文在此作相应介绍。2桥梁CT技术概况桥梁声波CT的基本原理与医学CT类似。医学CT是利用X射线穿透人体组织，通过射线能量衰减的测量对人体组织吸收特性成像。桥梁CT是利用声波穿透混凝土介质，通过声波走时和能量衰减的观测，对混凝土结构波速分布成像。Radon变换是CT技术的数学基础，其基本原理是通过

7、测量变量沿路径的积分来反演区内变量的分布。桥梁CT通过测量发射点到接收点声波的走时，反演区内混凝土的波速分布。波速作为混凝土强度、密实性、均匀性和缺陷评价的重要指标，用于混凝土质量的评价。通过多年的专题研究与检测实践，获得云南、四川、重庆、贵州、河北等地的混凝土波速与单轴抗压强度的对应关系（表1）。波速与混凝土抗压强度的相关关系是桥梁CT评价混凝土质量的物理基础。混凝土标号波速(ms)C403500-3800C453800-4000C504000-4300C554300-4500C604500表1混凝土波速与抗压强度实验结果对照表(Concretewaveve1ocityandcompress

8、ivestrengthre1ationship)3桥梁CT的测量方式桥梁CT在检测前首先将桥梁分解成混凝土结构或构件，如桥墩、箱梁、T梁等结构，然后将三维结构分解成二维结构，如将箱梁和T梁分解成顶板、底板、腹板或拱面等。CT测量与成像的对象是二维结构。在数学处理上将二维结构分解成有限单元体的组合，用有限单元体的速度表征二维结构速度分布。最后将各二维结构的速度分布拼合成三维结构图像。龙立皎CT恭长布我，考；Y图1桥梁CT的测量方式(BridgeCTmeasurementschema)图1中红色圆点表示声波发射点，蓝点表示接收点。每一点发射时所有接受点同时接收,获得由发射点到各接收点的声波射线与走

9、时，所有发射点与接收点组成的射线网及走时数据,是CT计算的基础。而当前超声检测中使用的单发单收方式不同。下图是声波走时记录。图2桥梁声波记录(BridgeaCoiIStiCreCord)图中每道记录代表一个接收点检波器的记录，记录的幅值就是声波信号的强度。图中清楚的显示了直达纵波、后续的横波、1amb波震相。直达纵波有最先到达，走时读取的干扰小，准确率高的特点，是桥梁CT方法中处理的对象。4桥梁CT作混凝土质量评价的标准初探桥梁CT是以二维梁板为基础，CT图像表示混凝土速度的分布，根据混凝土波速与强度的对应关系，它可作为混凝土质量评价的依据。图像中不同颜色表征混凝土速度高低。红色、黄色、绿色、

10、蓝色的色阶表示波速由高到低的变化。声波CT图像如图3下所示。C50混凝土的波速分布在4.0-4.3kms之间。图3混凝土梁板波速CT图像ConcreteBeamve1ocitytomography为了研究桥梁CT在混凝土质量评价体系中的技术依据并标准化其测量结果，笔者在实验梁的两个腹板按照如下的检波器和激发点的布置分别进行实验数据采集。（实验设备为48道同度桥梁CT检测系统）。0008检波器*激发点图4双箱混凝土梁外腹板检测方案Doub1eboxconcretebeamwebsdetectionscheme通过桥梁CT软件的射线密度和射线正交性分布分析，如图5所示，该观测方式下，除了在两端各1

11、米左右的区域内射线密度稍低外，其余区域中的射线密度都超过40条，射线正交性接近于1,CT结果的可靠性有保障。0246810121416182022I1111!I111!111I1111111111111111111111I!1115TA-XFIrjn一qArrj1d1kdVTIi1j02468101214161820220501001502002300%445050e50707078012088OM1图5射线密度与正交性分布图Raydensitywithorthogona1maps桥梁CT计算得到剖面内混凝土速度的分布，作为混凝土质量评价的依据。梁板中混凝土的波速是分布参数，不同部位波速不同，

12、因而需要选定几项统计参数作为混凝土质量评价的技术指标，这些参数能表征混凝土梁板强度、密实性、均匀性和结构缺陷等特征。根据笔者的研究与实际应用，初步选择下列4项参数作为混凝土质量评价的定量标准。它们分别为梁板的平均波速Va、波速离散度Rb、合格面积率RS和最大缺陷尺度等4项。现分别对这些参数作深入分析。(1)平均波速梁板的平均波速Va是表征梁板平均强度的重要指标，它用来衡量梁板的平均强度是否达到设计标准。平均波速计算公式如下：其中Vj为CT剖面内单元位置的波速，M为CT剖面内单元总数。当桥梁CT剖面内的平均波速达到或超过设计速度时，表明混凝土强度达到了设计标准。C50混凝土的波速范围是4000-

13、4300ms,取其中值4150ms作为平均波速合格的指标。当平均波速超过该指标时为合格,否则不合格。(2)波速离散度波速离散度Rb定义为速度均方差与平均波速的比值，它是表征梁板浇筑质量离散性大小的重要指标。离散度大表示浇筑质量不均匀，混凝土密实性差异较大，桥梁受力时易造成应力集中。反之，离散度小说明浇筑质量均一。波速离散度由下式计算：其中。为均方差。离散度小于9%为合格，超过此数值则离散过大，判定为不合格。(3)合格面积率合格面积率Rs定义为强度达到设计标准的面积所占的比率。合格面积率越大说明混凝土质量越好。对于C50混凝土，就是波速等于和大于4000ms的面积所占的比率。这个面积比率达到或超

14、过80%为合格，低于此数值为不合格。(4)最大缺陷尺度混凝土质量评价的第4项参数是最大缺陷尺度S1o所谓缺陷是指波速低于设计强度85%的疏松混凝土。松散混凝土在CT剖面上连续分布的面积如果过大，对桥梁的承载力会产生不利的影响，目前初步将最大缺陷面积设定为Inr2,小于该数值认为合格，超过该数值认为不合格。对于C50混凝土，是统计波速小于3400ms的连续面积。5钢筋影响评估混凝土的波速受钢筋密度分布的影响，钢筋的波速VS1为5700ms,比混凝土高，钢筋密集区的波速V会比纯混凝土Vc高。如果需要，可以对钢筋的影响给予消除。V-aVVc=V160Oa(ms)-a其中为纲筋在混凝土中所占的体积比，

15、可根据钢筋构造图投影得到。当钢筋体积比为5%时，波速的调整量为80ms.对于C50混凝土，如果测得的波速为4300ms,那么调整后纯混凝土的波速为4220ms左右，调整量非常小，仅为2%。混凝土中的钢筋与混凝土同时受力,钢筋会使结构变得更加安全，因而一般情况下不需要对钢筋的影响进行校正。6桥梁CT检测评价结果桥梁CT检测结果的分析是以剖面为基础。根据混凝土波速与强度的对应关系和混凝土质量的评价标准，对每个剖面的检测结果分别列出声波速度分布图、速度直方图与平均速度、混凝土强度分布和缺陷统计参数。这些结果汇聚在一张图表中，现对各部分内容作简单介绍。(1)波速分布图速度分布图是CT检测的主要结果，是判定混凝土质量的基础。图中用不同颜色表示不同的波速分布，红色为高波速区，由黄色、绿色、浅蓝色变化到深蓝色，波速逐渐降低。(2)速度直方图与平均速度速度直方图是以统计学方法对波速分布图像进行分析和表述。它表征不同波速的混凝土的丰度，它是不同强度混凝土的面积比例，承载着混凝土质量评价的重要信息。直方图使用三种不同的颜色，红色表示波速超过4000ms的强度满足C50要求的混凝土的丰度，天蓝色为波速3500-4000s强度为C40和C45的混凝土的丰度，深蓝色表示波速低于3500m/s强度低于C40的丰度。红色