PST与CT技术在桥梁损伤检测中的应用.docx

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1、PST与桥梁CT技术在桥梁损伤检测中的应用桥梁损伤的检测与评价是一个新的课题，传统的检测方法难以奏效，需要引入新的方法与技术。PST与桥梁CT技术作为无损检测新方法,能对具有上部结构的成桥桩的损伤进行检测，对混凝土梁体的内部损伤与缺陷进行成像,对混凝土桥梁与桥桩的损伤程度做出客观的评价,在未来的工程应用中定将发挥积极作用。我国已成为世界桥梁大国，2009年底仅公路桥梁就超过62万座，位居世界第一。相伴而来，危旧、损伤、病害、垮塌的桥梁数目也十分惊人。2008年的统计危桥数量为3万座，因而桥梁病害、损伤的检测与评价已成为热点研究问题。目前除了外观调查之外，其它有效的手段并不多。外观检测对于损伤部

2、位、损伤程度、裂缝分布等可以做出宏观描述，为后期的深入工作奠定基础。多数情况下仅靠外观检测难于对结构内部的损伤程度做出判定，不能满足治理决策的需要。出于安全的考虑，载荷实验等方法在受损桥梁检测中也不能贸然使用。一些无损检测方法很难提供关键性数据。如回弹方法只能提供混凝土表面强度的分布，对盖梁与桩体内部的损伤无能为力。地质雷达可以探测混凝土内的脱空区，但是不能对微观裂隙及混凝土力学性状的变化做出评价。在役桥梁的检测中，具有上部结构的成桥桩、墩柱损伤的检测在理论上是一个难题。桩基检测中最常使用的声速管检测方法在这里无法使用。小应变测桩方法仅适用自由端的桩基，对存在上部结构的墩柱无能为力。马晔等提出

3、了使用不同的接收与激发位置和激震方法来改进小应变检测方法,使之能解决墩柱的检测问题，实际上上部结构的强烈反射对墩柱缺陷识别的影响是难以避免的。李学军在他的博士论文中通过数学模拟的方法，研究导波技术在墩柱检测中应用的可能性网，发现使用多道接收的办法可以为波场的分离提供有利条件，但对如何消除上部结构的影响还没有进行研究。早在2006年云南高速公路洪灾后，赵永贵等就采用1点接收多点激发的方式，对受损的成桥桩进行检测，并将该检测方法称为VSP测桩。当时的数据处理方法是对二维记录数据的上行波与下行波进行人为判读，对解读人员的经验要求高，难于推广。2012年将VSP技术升级为PST(Pi1eSoniCTe

4、st),将观测方式改为1点激发16道接收，并开发出配套的硬件与专业处理软件，从根本上解决了上部结构影响的问题，成为方便实用的检测技术。PST技术与桥梁CT一起可有效地解决混凝土桥梁损伤和桥桩、墩柱检测的要求，能对结构损伤做出了客观评价，为病害治理提供了科学依据。本文结合检测实践，对PST与桥梁CT技术的原理、观测方式、资料处理方法以及检测效果做详细地介绍，以期未来在类似的工程中发挥更大的作用。2PST与桥梁CT检测的工作原理(1)PST技术的工作原理PST是基于声波散射的成桥桩检测技术，专为具有上部结构的桥桩检测开发的。具有上部结构的成桥桩中波的传播变得复杂。检测中上部结构产生的反射波向下传播

5、，形成下行波，下部结构地反射波向上传播，形成上行波。两个波场在空间叠加，靠单点的记录难于将他们进行区分CPST检测技术沿桩侧面布置多道检波器，根据记录波场中上行波、下行波走时同向轴斜率的差异，通过方向滤波技术将他们分离开来，分别偏移成像到发生反射的位置，确定结构与缺陷。它能有效地实现桩身长度、混凝土强度、桩体结构、缺陷与桩基基础的检测，用于评价桩体质量和损伤程度。(2)桥梁CT的工作原理桥梁CT是针对混凝土桥梁结构开发的CT成像系统。它工作原理与医学CT类似，数学基础都是Rodan变换，不同的是医学中使用的是X射线，工程中使用的是声波。利用声波穿透混凝土梁体的构件，通过全方位的声波走时的观测，

6、重建桥梁混凝土结构内部波速分布的图像。混凝土波速的大小与弹性模量相关，它可以作为评价混凝土密实程度、力学强度的定量指标。密实的混凝土波速高，受损的混凝土波速降低。现已积累大量的实验数据，建立了C30-C60各个标号混凝土强度与波速的对应关系，作为混凝土力学性状评价的依据。CT技术通过对混凝土弹性波速的成像，可以了解混凝土结构的完整性、密实性和强度分布，用于混凝土品质和损伤程度的评价。该方法分辨率高，可靠性好，图像直观，特别适合工程应用。表1混凝土标号与波速的对应关系混凝土标号纵波波速(kms)混凝土标号纵波波速(kms)C302.5-3.0C403.5-3.8C504.0-4.5C605.0-

7、5.53检测对象与布置渤海油田钻井平台码头有几公里长的引桥。2011年与2012年引桥曾遭货船撞击，部分盖梁与桥桩受到损伤。为确保码头出入道路的通畅与安全，需要对引桥受损部位进行检测与评价，以便进行合理的工程处理。引桥为简支空心板桥，下部三个桥桩支撑，桥桩上部有盖梁连接，其上搭接空心梁板。引桥被撞部位多集中在盖梁右端，相关的桥桩一起受损。外观调查已发现58、59、210等三排盖梁的损伤比较严重，出现宏观裂缝，尤以210排破损最为严重。检测对象是这3排盖梁和210排盖梁下的3棵桥桩。盖梁长9m,宽1.8m,高1.3m,C50混凝土浇筑，跨距12m。桥桩原为预制空心桩，壁厚12.5cm,外径120

8、cm,C50混凝土。预制桩经强压贯入地基，贯入后用C50混凝土将空心注实。盖梁受损情况见图1。图1210排盖梁与桥桩受损情况(1)桥桩检测的布置检测时水面距桩顶2m,将检波器电缆紧贴桥桩垂入水中，电缆底端配有重物，上部固定，使检波电缆尽量靠近桩身。检波器电缆16道，道间距25cm,敲击点在检波器电缆上方，距第1个检波器25cm,距桩顶65Crm数据采集使用北京同度公司生产的PST检测仪,16通道，AD转换24bit,采样频率192Ksps.观测布置见图2。(2)盖梁CT检测的布置盖梁CT检测中将接收检波电缆布置在盖梁上表面及两端，敲击点布置在盖梁下表面边缘及两端，实现对盖梁竖直断面的CT成像。

9、检波器间距与敲击点距均为25cm,一点敲击32点接收。32道检波器一次布置长度为8m,不能完全覆盖盖梁，需要2个排列相互衔接。为保证射线的密度与正交性，在盖梁的两端检波器与敲击点位置需要相互重叠。2个排列的总接收点数46个，每个排列敲击72个点，获得走时数据2304个。数据采集使用北京同度公司的BeT系统，32通道，AD转换16bit,采样频率1.25MSPS。观测布置见图3。EmfwMH%图3混凝土盖梁的CT检测布置图(3)桥桩截面CT检测布置PST检测中发现210排中间位置的桥桩受到损伤，损伤部位距桩顶3m,埋入水下深度1m。为进一步了解损伤的程度，在损伤部位进行了截面CT检测。32个检波

10、器围绕桩身外周均匀布置，间距12.5cm；在每两个检波器正中间进行敲击，敲击点32个，获得走时数据1024个。接收点与激发点布置见图4。图4桥桩截面CT检测布置4数据处理技术(1) PST的数据处理PST的数据处理包括三项核心技术：I) .方向滤波：对上行波与下行波进行分离；II) .速度扫描：确定桩体混凝土波速；III) .偏移成像：根据记录数据确定桩体结构、缺陷、损伤等位置。PST采用多道接收,获得的是时间-空间域的二维波场数据,这与小应变检测有重大区别。方向滤波是数据处理的第一步，也是最重要的环节。在PST数据中上行波与下行波传播的方向相反，两者同向轴的斜率相反。应用方向滤波技术依据同向

11、轴斜率的差异，将不同传播方向的声波进行分离，然后分别进行速度扫描和偏移成像。下图是PST的原始记录和分离后的上行波、下行波记录。下行波中包含直达波、盖梁反射波，上行波记录中包含桩体结构损伤、水面、海底、底层的反射信号。图5210排中间桥桩PST检测数据a.原始记录，b.下行波记录,c.上行波记录(2) CT数据处理CT数据处理的主要流程包括观测几何坐标编辑、声波走时读取、混凝土波速反演、波速成像等步骤，最后获得波速分布图像，用于工程解释，限于文章篇幅这里暂不详述。5检测结果与损伤评价本次使用PST检测3根桥桩，使用CT检测3片盖梁和1个桥桩横截面。现分别对检测结果进行介绍。(1)PST成桥桩检

12、测结果PST检测第210排盖梁下的3根桩，按位置命名为左、中、右桩，结果示于图6。结果表明桥桩海水中长度6m,水面上2m。三根桩的水面、海底、桩基地层的反射界面清楚,一致。海底下6m之内地层分三层清楚，物性差异大，向下逐渐变得密实。海底之上3根桩的反射界面出现了差异。右端桩身并未见损伤，水面上下都没有破损界面；中间的桩身在距桩顶3m处、水下Im出现明显的反射界面，推断为撞击造成的损伤；左端的桥桩在水面下和接近海底位置有2处较弱的反射界面，推断为轻微受损，受损程度较中间桩相对轻微。图6210排桥桩PST检测结果(2)盖梁CT的检测结果本次共检测三片盖梁，分别为58排、59排，210排。按照外观受

13、损的严重程度排序,210排被船撞最严重，59排船撞次之，两者均可见宏观破损，58排外观无明显损坏。三片盖梁的波速CT图像依次表示在图7中。其中59排因外观破损检测长度短了1n北图758、59、210排盖梁CT检测结果盖梁CT图像是反映混凝土波速的分布。图像中红色为高波速区，黄色为中高波速区,这两种颜色的区域混凝土密实，完整，强度达到C50标准，未受撞击影响。绿色区为中等波速区，混凝土标号近于C40,未受撞击影响；天蓝色区域为低波速区，强度低于C30；蓝色与深蓝色区波速低于2000ms,为损伤的区域，混凝土松散，微裂隙发育。其中波速低于IOOOm/s的区域为破坏区，大量宏观裂缝分布。3幅图像表明

14、，58排盖梁图像以红黄色为主，波速高于4000ms,达至UC50标号，未受撞击伤害；59排盖梁图像以绿色、黄色为主，波速偏低，C40标号混凝土为主，但没有撞击损伤区，只是盖梁混凝土标号不高。210排的CT图像反映混凝土结构变得极不均匀。梁体左部5.5m范围内，混凝土强度较高，完整性好，波速4000ms以上，没有损伤痕迹；梁体右端3.5m范围内，波速低于2000ms,说明混凝土受到损伤，内微裂隙发育，结构已经松散；特别是右下角1.5m范围内，波速低于IOOOms,反映了强烈撞击的损伤影响，对应宏观裂缝发育区。梁体撞击损伤的影响区约占梁体长度的40%,建议对该盖梁进行更换。(3)桥桩截面CT检测结

15、果210排中间位置桩体截面的CT位置距桩顶2.5m,截面CT图像如图8。从该图像中可以清楚地看到，桩体边缘混凝土的波速在4000ms以上，达到了C50标准。桩体中心区的波速比边缘低，在2800-3500ms范围。桩体北方(撞击方向)和东南方向存在低速区，波速低于2800ms,表明桩体的外壳已遭到损伤，微裂隙发育，与PST检测发现的损伤部位一致。西东图8210排中间桩截面CT波速图像盖梁与桥桩撞击损伤的评价通过对58、59、210三排盖梁和210排3棵桥桩的检测，发现210排盖梁的损伤较为严重，影响长度达到3.6m,其中端部2.0m尤为严重，其它两排盖梁损伤轻微。3棵桥桩中，中间部位的桥桩受到了较明显的损伤，损伤部位距顶端3m,截面内北和东南方向混凝土微裂隙发育。建议对受损盖梁和桥桩进行加固处理。6结论桥梁损伤的检测与评价是一个新的课题，传统的检测方法难以奏效，需要引入新的方法与技术。应用实践表明，PST与CT技术作为一种新的选择，能够为桥梁损伤的评价提供可靠的依据，在未来的工程应用中定会发挥更大的作用。