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摘要：在现代化的建设工作中，桥梁检测是一个十分重要的内容。本文阐述了无损检测技术的意义，分析图像技术、频谱分析技术、超声波无损检测技术、激光检测技术等无损检测技术在桥梁中的应用。最终通过超声波无损检测技术在检测桥梁和混凝土结构内部缺陷中的应用实例，指出此方法适用于桥梁施工和桥梁维修中的桥梁混凝土结构内部质量监测，并介绍使用中应注意的问题。
关键词：无损检测技；桥梁工程；超声波无损检测
引言
随着我国道桥建设的迅猛发展，高速公路里程的快速延伸，传统的检测手段和评价方法已很难对路面的真实状况做出准确的定性和定量判断。如何科学地对高速公路的建设和养护质量进行评定，已成为各级公路交通部门急需解决的问题。
在计算机科学和自动化控制技术不断发展的今天，利用高精度测微技术，快速直观地发现道路桥梁病害隐患及其质量问题，不仅摆脱了道路人工检测的落后局面，而且实现了由破损型检测向无损检测技术的转变和从低速度、低精度向高速度、高精度的发展。
一、无损检测技术的意义
传统的方法是对公路桥梁随机选点，钻孔取样，在室内对所取样本进行分析和处理，从中获取各种有价值的工程参数。这种方法的局限性表现为以下几个方面：
（1）因被测点是操作人员随机选择的，所以检测结果很难具有代表性；
（2）由于检测点有限，覆盖面密度较小，使某些存在缺陷的不良区段反而被漏检，从而埋下质量隐患；
（3）具有全面性，破坏性检测性技术内外检测
无损检测技术作为快速、直观，且能够显示道桥内部状态的检测设备和技术手段，能够弥补传统方法的不足，它在开展道桥无损检测技术研究、建立科学的评价体系、改善路面设计等方面具有重要的意义，也必将带来道桥改造方案的优化和公路桥梁管养水平的提高。
二、无损检测技术在道路桥梁中的应用
2.1图像技术
图像技术主要包括红外成像技术和激光全息图像摄影技术。红外成像技术原理是利用不同材料介质所对应的不同的导热性能，而高精度的热敏传感器可对结构物内部的热传导规律和温度场分布状况进行检测，并将检测数据图像化，从而呈现结构物内部状况。激光全息技术是通过对全息摄影得到的图像进行分析，求出相关力学量的方法，它具有精度高、直观和能够对全场情况进行观测等优点。
2.2频谱分析技术
频谱分析检测技术的基本原理是对不同介质中传播表面波的频率特性进行分析。采用一力锤在路面结构表面施加瞬时垂直冲击力的方式，可得到一组以振源为中心的、沿地表一定深度向四周传播的、具有各种频率分布的瑞雷面波。调整力锤重量或不同的锤头型式，可以得到与之对应的频率成分的瑞雷面波信号，将传感器设置在不同的位置，可以检测到波传播的频率。频谱分析技术可对路面各分层介质的厚度、均匀性以及层间接触情况进行检测。
2.3超声波无损检测技术
超声波是一种声波，其频率高于人耳所能听到的频率，它的传输过程遵循波的传播规律。超声波路面检测技术是通过对材料介质发射超声波，进而对接收到的反射波相关参数进行分析，从而对结构内部破损情况进行准确判断的一种新型无损检测方法。
2.3.1超声波检测基本原理
当超声波从一种声阻抗率为Z1=ρ1C1的介质向另一种声阻抗率为Z2=ρ2C2的介质传播时，一部分在界面上形成反射波，另一部分则穿过界面，形成折射波，见下图。
超声波在不同截面的发射与折射
2.3.2超声波检测方法
通过在介质的不同位置设置传感器，测量超声波在一定范围内的传播时间，求得波速，不仅可利用速度与介质参数的关系测定材料的弹性模量、抗压强度和抗折强度等，还可用以检测材料或内部结构的缺陷。若假定路面结构为无限大的固体介质，则其波速公式为：
因超声波无损检测技术具有操作简单、检测方便、价格相对低廉等优点，在检测中的应用前景非常广阔。
2.4激光检测技术
激光的高亮度，具备较好的方向性、相干性和衍射性。激光的光强愈强则光电流愈强，道桥检测正是利用了激光这一原理。当激光的光强发生变化时，光电流也随之发生变化，根据所标定的光电流与位移的关系，通过光电流的变化反算弯沉位移的变化量。
在路基和路面检测中，激光主要被用于距离测定、弯沉测定以及纹理深度测定和平整度的测定。
2.5光纤传感检测技术光纤
传感检测技术是利用光纤对某些特定的物理量敏感，将外界物理量转换成可直接进行测量的光信号的检测技术。将光纤传感检测技术应用于桥梁检测，可实现对桥梁钢索索力的监测，也可完成对预应力连续混凝土梁内部应力、应变特性的科学测量和监测，构成光纤智能桥梁。
三、超声波无损检测技术在桥梁工程实例中的应用
超声波检缺是超声波无损检测技术的一种，适用于工程施工过程质量的监测及工程竣工验收和结构物使用期间质量的鉴定。常用穿透法，即一侧发射超声脉冲波另一侧接收通过被测物后的超声波。准确测定声速、首波幅度和波形，通过综合分析其大小及变化，可以推断混凝土的性能、内部结构及其组成情况，为解决工程问题提供可靠的依据。
3.1钢叠合梁箱梁内混凝土缝隙检测实例
某叠合梁桥跨度50+70+60m，采用双顶板钢箱梁结构。施工中双顶板间填充混凝土不够密实，影响结构质量。用超声波检测技术探明内填混凝土与钢箱梁之间的缝隙及其位置、确定化学补灌措施（布孔位置、浆材类型、灌浆压力等）、检测补浆效果。
3.1.1 测试方法
根据实际情况，在该桥的跨中、支点截面等受力重要截面及分段浇筑的接缝截面共布置16个测区，对于立面测点布置，采用了加密测点、立面扫描的方法，将可能产生缝隙的内填混凝土上部四角及中部作为重点，确保超声波能够扫描到这些区域。在钢箱梁两端已封闭、测试仪器及人员无法进入的情况下，采用精度比较高的“穿透法”，在钢箱梁外侧的混凝土翼板下缘发射超声波，在混凝土桥面板上接收。每个测区由6个超声波测点构成，如图1。
图1 测点立面布置（单位：mm）
当钢箱梁与混凝土之间无空隙且厚度一定时，其传播路径是最短直线，即发射→直线穿过翼板混凝土→穿过钢腹板→直线穿过内填混凝土→穿过钢顶板→直线穿过混凝土桥面板→接收，见图1。当钢箱梁与内填混凝土之间存在空隙时，超声波不能直接穿过缝隙而必须绕过缝隙传播，其可能的传播路径有两种，一是发射→直线穿过翼板混凝土→顺着钢腹板→顺着钢顶板→直线穿过混凝土桥面板→接收；二是发射→直线穿过翼板混凝土→穿过钢腹板→折线穿过内填混凝土→穿过钢顶板→直线穿过混凝土桥面板→接收。空隙的存在使超声波传播距离增大、波幅衰减幅度增大、波→的相位发生变化。
比较超声波通过给定距离的时间、相位及衰减幅度的计算值和实测值，可推断出缝隙的大小、所处位置及缝隙对于工程的严重程度。
3.1.2 测试结果及综合评价
超声波通过无缝隙结构的波形及有缝隙畸变波形→如图2所示，灌浆前后两次超声检测部分结果见表1。灌浆前缝隙检测表明：叠合梁支点截面较跨中截面缝隙数量多且程度严重，同一截面上，最容易产生缝隙或空洞的位置为钢箱梁内腹板与顶板交汇处；灌浆重点区域及横桥面灌浆孔的最佳开孔位置，在顺桥向缝隙的连通性尚可；灌浆孔开孔间距以10m左右为宜，化学浆材宜以稠浆（早强但渗透性稍差）为主、稀浆（强度增长较慢但渗透性很好）为辅。补灌后的灌浆效果检验表明：所抽检的8个测区除N7测区外，灌浆后各测点声时均有不同程度的减小，波形基本无畸变，波幅衰减幅度亦减小，说明内填混凝土与钢箱梁的缝隙已基本不存在，内填混凝土已经密实。
3.2钢管混凝土缝隙检测实例
某钢管混凝土系杆拱桥跨径112m，拱肋为哑铃形。经过多年运营，经锤击检查发现部分截面钢管与混凝土已经脱开，导致拱肋实际受力状况与设计不符，但脱开程度、缝隙大小难以确定。为探明缝隙严重程度，指导灌浆并检验灌浆效果，采用超声波法对该桥钢管混凝土拱肋缝隙进行检测。
3.2.1 测试方法
考虑现场实际情况，在两片拱肋的拱脚、拱顶、L4、L8等处共布置18个测区，每个测区的测点分别布置在上下钢管的顶面、底面及两侧面，一侧发射、一侧接收，如图3。
图3 测点布置示意图（单位：mm）
为确保灌浆后能够立即对不够密实的区域进行二次灌浆，灌浆后抽样检验的抽样率为100%，即在灌浆前的所有测区、测试截面上重新进行对比测试。在现场选取同期浇筑的同标号混凝土构件布设12个测点，测得混凝土平均声速Vc=4200ms；在现场沿拱肋脊部布设12个声速测点，测得钢材平均声速Vs=5350→ms。VsVc=1.274<π2，说明绕射波不会先于透射波到达，因此可以采用首波法进行缺陷判断。
3.2.2 测试结果及综合评价
检测结果见表2。检测表明，灌浆前钢管混凝土拱肋大部分截面钢管与混凝土基本脱开，近拱脚处相对轻微，一般截面缝隙宽度在0.5～3.0mm之间；近拱顶截面处缝隙较为严重，部分截面缝隙宽度超过30mm；最容易产生缝隙的位置为钢管顶部的16～13弧长范围，缝隙严重且连通性差，因此宜采用渗透性能较好的化学浆材进行灌浆。
灌浆后超声波检测表明，上游近拱顶处截面、下游近L4处截面仍存在缝隙，进行了二次补灌；其它截面灌浆后各测点声时均有不同程度的减小，波形基本无畸变，波幅衰减幅度亦减小，说明钢管与混凝土缝隙已基本不存在，混凝土已经密实。
表2 钢管混凝土部分测点两次超声检测结果汇总表
3.3总结
对于钢—混凝土组合结构，采用超声波测试法，通过对声时、波幅、波形等参量的综合评价，检测混凝土结构内部缺陷，具有较好的准确性。依据超声波检测结果给出的灌浆建议与实际情况符合良好，灌浆后缺陷基本不存在，达到了预期的目标。
结束语：无损检测技术是一门多学科的、综合性的应用技术，在无损检测技术的应用中，应善于把基础理论与工程实际相结合，大胆创新，不断提高道桥养护管理科学化水平。
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论文作者:高志豪
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/7
标签：混凝土论文; 超声波论文; 检测技术论文; 缝隙论文; 截面论文; 桥梁论文; 钢管论文; 《建筑学研究前沿》2017年第30期论文;