北方交通桥梁CT新技术及其在承秦高速公路在建桥梁质量控制中的应用.docx

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1、桥梁CT技术在承秦高速公路及其建桥梁质量控制中的应用近十几年来我国高速公路与铁路建设迅猛发展，桥梁数量急剧增加，2000年底,我国桥梁总数24万座，2003年底桥梁总数31万座，而至2009年底就达到了62万余座，6年内总数翻一翻，平均每年新增桥梁5万座，超过美国现有的57万座，成为世界第一桥梁大国。随着桥梁数量的增多，桥梁病害和危桥数量也日益增多，桥梁事故频频发生。据不完全统计美国的桥梁中有缺陷的桥梁13万座，约占23%。中国2003年的统计，存在隐患和耐久性问题的桥梁占50%,其中危桥占20-30%,我国桥梁的健康状况令人担忧。这一问题的出现一方面与超负荷运营有关，同时也反映出在桥梁设计和

2、施工质量方面还存在着很多问题，特别是施工质量的低劣造成的病害严重地降低了桥梁的承载能力和使用寿命。混凝土桥梁的设计寿命一般都为一百年，但隐藏有病害的桥梁其使用寿命将大大缩短。2004年，美国、英国、瑞典、日本等16个国家的权威部门对混凝土桥梁的质量进行的调查表明,大多数桥梁都没有达到预期的使用年限。混凝土桥梁的病害源与混凝土的性能劣化和混凝土中钢筋的锈蚀及预应力体系的失效。混凝土在使用过程中受周围环境影响，有害气体和水分通过孔隙渗透到内部，发生腐蚀、冻融、开裂，碳化、溶出等作用，从而造成混凝土性能的下降。混凝土的劣化不仅直接降低了混凝土的性能，更主要的是它对混凝土中的钢筋失去保护作用，导致钢筋

3、的锈蚀失效。因此提高混凝土的密实性，减少混凝土中的空隙，是改善混凝土品质、提高耐久性的重要途径。为了提高桥梁的施工质量，除了对材料、工艺和施工过程进行严格的控制之外，还必须采用先进的检测手段，对桥梁施工质量进行严格的监督。目前桥梁混凝土质量检测的方法主要有回弹法、超声波法、超声波一回弹综合法、贯入法、断裂法、取芯法等。回弹法、超声波法以及综合法是属于无损检测方法，我国已制定了相应标准，工程中已广泛应用。但应用中发现这些方法检测的结果离散性较大，代表性差，多反应浅情况。需要采用更先进的、更具代表性的检测方法。声波CT无疑是公认的先进技术，近年在桥梁与桩基检测中已开始应用。赵明阶等2001年通过预

4、埋的声速管对桥梁基桩缺陷进行超声波CT检测，成功地发现了基桩中的低速夹泥层。何发亮等使用声波CT技术对泸定桥东桥台内部结构进行探测，为桥台裂缝病因分析和治理方案提供了科学依据。张杰等对应用声波CT检测钢管混凝土结构密实度的可行性进行了理论分析，得到了钢管的屏蔽作用与混凝土平均波速的关系。苏建坤等2006年使用北京同度工程物探技术公司开发的桥梁CT(BCT或BridgeCT)技术对大型预应力混凝土桥梁进行了病害诊断，提供了大型箱梁顶底板、腹板混凝土的密实性和强度的分布图像，为桥梁除险加固设计提供了科学依据，这是国内首次将桥梁T技术应用于大型桥体的病害诊断。继此之后，桥梁CT技术在云南、重庆、陕西

5、、河北、安徽、浙江、青岛等省市新桥建设和危旧桥梁病害诊断中先后得到应用。本文结合承秦高速公路在建桥梁质量控制的检测实践，对桥梁CT技术的工作原理、观测布置方案的技术要求以及工程解释要点做详细介绍。应用结果表明桥梁CT技术能提供混凝土桥梁的整体质量图像，发现结构内部缺陷，具有图像直观，定位准确，结果可靠的特点，得到了钻孔取芯的验证。能满足工程质量控制、危旧桥诊断、治理效果评价等工程需要。1工程概况与桥梁CT(BCT或BridgeeT)检测的必要性承秦高速是河北省高速公路网布局规划“五纵、六横、七条线”中的第一条，也是承德和秦皇岛两市路网规划的重要组成部分。路线全长196公里，桥梁73座，2898

6、1.6延米，桥隧总长度44.5公里，占路线全长48.36%。承秦高速公路主要路段位于燕山山区，冬季时间长，混凝土内外温差大，低温下水化过程缓慢，易受冻害，质量保证难度较大。为了打造百年工程，在建设中应用了桥梁CT检测技术，对在建桥梁的混凝土质量进行监控，抽检测了260片梁板，对全线桥梁质量达标起到了促进作用。2桥梁CT的工作原理桥梁CT的工作原理类似于医学C1医学CT是使用X射线穿透人体，通过X射线的吸收特性对人体组织成像。桥梁CT是使用声波穿透混凝土，通过声波速度分布对混凝土结构成像。桥梁CT与医学CT的数学基础是相同的，都是基于Rador1变换原理，即通过区域内参量（速度、吸收系数）沿路径

7、的积分结果的观测，重建区域内部参量的分布。桥梁CT是利用透射波走时和能量衰减的观测，重建混凝土内部结果的速度和吸收系数的分布，而速度和吸收系数能敏感地反应孔隙率、密实性、弹性模量等混凝土的品质。桥梁CT检测技术包含以下技术要点。1）首先将三维梁体分解成梁板，分别对梁板进行二维CT成像，最后将二维梁板合成为三维梁体图像；2）在梁板CT成像中将梁板划分成单元体，每单元体具有独立的波速，用单元体波速的组合描述梁板的结构特性；3）单元体的波速通过射线路径与观测的走时相联系，即声波沿射线传播的时间是各单元体内耗时的总和。每条射线对应一个走时方程，多条射线的观测走时对应一个方程组。方程中走时I是由观测得到

8、的已知量，1ij为路径长度，由射线追踪计算得到，波速V为待求的结构参量。4）当观测体系满足单元射线密度、射线正交性和射线数大于单元数三项指标时，可获得区内波速分布的最优解。这一解在最优的意义下是唯一的，可作为工程判断的依据。混凝土的波速直接与弹性模量、剪切模量、密度有关。混凝土密实性好、强度高，其模量大，波速高、衰减小；疏松、空隙的混凝土波速低、衰减大。混凝土的波速主要反映混凝土的密实性，与混凝土的抗压强度有正相关关系，已有大量的理论研究和试验研究数据。弹性力学中纵波速度与弹性模量的关系如下：西南地区水利水电系统关于混凝土强度与波速的实验得到如下指数回归方程。Rb=0.344Vp3,46混凝土

9、的声波速度可作为混凝土密实性和强度评价的定量指标。由于不同地区沙石骨料的差异，波速与混凝土强度的关系会有少许的差别，但总的规律不会改变。在河北地区的高速公路桥梁混凝土标号与波速的试验关系如下表。混凝土标号波速(ms)混凝土标号波速(ms)C202000-2500C503500-4000C302500-3000C554000-4500C403000-3500C604500-5000声波BCT检测技术在在建桥梁的质量控制和危旧桥梁的病害诊断中的分辨率可达到分米级。可检测混凝土桥梁结构的内部缺陷，直观地展现缺陷的部位、范围、程度，为病害整治和施工质量控制、工艺改进提供依据。3桥梁CT设备信息选用北京

10、同度工程物探技术有限公司生产的64道桥梁CT系统。如下图:系统指标：采样率5微秒，64道，记录长度120KB,分辨率24位，工作温度：-30C-+80oCo4桥梁CT观测系统的设计原则与方案观测方案是关系桥梁CT结果可靠性的关键因素，观测方案必须满足下列三项要求，否则难以保证检测结果的可靠性。（1）射线密度的要求：射线密度足够大。通过每个单元体的射线数目称为射线密度，射线密度大，速度分析精度高，反之精度降低。从工程应用实践角度要求射线密度数大于40条。（2）射线正交性的要求：观测射线孔径大。通过单元体的各射线之间的最大孔径称为射线正交性，是保证分辨率的重要指标。射线孔径大，交角近乎垂直，分辨率

11、高；射线交角小，射线近乎平行,横向分辨率降低。工程应用中要求通过同一单元体的射线之间的最大交角不小于60%（3）射线数与单元体数的要求：射线数目应大于单元数。观测系统网格划分的单元体数目决定了CT系统的变量数，观测系统的射线数决定了CT系统可利用的独立方程数。只有在方程数大于变量数时，走时方程为超定方程组，存在最优解，而且解是唯一的，满足工程CT的应用目的；如果单元数大于射线数，走时方程就变成了欠定方程组，此时不存在最优解，方程具有多解性，失去了工程可靠性，不能应用。根据上述三条原则，对于长方形梁体CT截面，检测系统最好设计为1形观测系统。将检波器布置在长方形-侧长边及相邻一短边，成1形；激发

12、点布置在另一长边和短边，形成另一1形，两1形构成封闭长方形。检波器间距、激发点间距、单元网格间距相等。此观测系统效率高，同时满足射线密度、正交性和射线条数大于单元数这三项要求。对于常见的30m长，2m高的梁板，采用64道BCT仪器系统，观测系统做如下设计。检波器间距、激发点间距在长边设计为50cm、高度方向加密为25cm,剖面单元划分为50Cn1X25cm（图1）。图1CT截面观测系统布置图4桥梁CT技术在承秦高速桥梁质量控制中的应用4.1 桥梁梁板在检测过程中的分解在现场检测过程中，根据桥梁CT技术原理的要求将不同类型的桥梁分解为不同的梁板，在梁板内布置CT检测。在承秦高速中检测对象主要是T

13、型梁和箱梁，检测中T型桥梁分解为顶板和腹板两个面（见2）,箱梁分解为顶板、底板、左腹板和右腹板四个面（见图3）。声波CT剖面A声波CT剖面B图2预置T型桥梁梁板的分解图图3预置箱梁梁板分解图4.2 现场检测中的观测布置现场检测的主要是T梁，长30m,高2m。观测系统布置成“1”形，在长边和一短边布置检波器，在另一长边和短边布置激发点，布置传感器间距、激发点间距横向为50cm、纵向加密为25cm（见图4）。激发点图4现场观测系统布置图5数据采集现场4.3混凝土梁体检测实例实际的检测工作自2010年9月11日起到2010年12月11日，历时三个月，分两个阶段，应用桥梁CT方法对承秦高速承德段23个

14、合同段的260片T梁的整体浇注质量进行了检查。并将桥梁CT检测结果与传统方法回弹法、取芯法进行了对比验证，取得了很好的结果，切实地指导了现场施工,为工艺的改进、施工质量的提高提出了建议。现结合典型检测实例对结果进行介绍和分析。图6是实际检测记录，由记录可清晰地看出最先到达的直达纵波以及后续到达的横波和1ame波。桥梁CT使用直达的波纵走时，记录到时清晰，干扰少，读取准确。图6CT检测典型声波纪录实例1：1标左幅21-4T梁检测结果图7上、下两幅图分别表示1标左幅21-4T梁顶板和腹板的波速CT图像。图中褐色、黄色区混凝土波速高于4.0kms,表示混凝土密实、强度高，浇筑质量好；绿色为中等波速区

15、，波速在3.540kms之间，浇筑质量较好，达到了C50要求；蓝色以下为低波速区，波速小于3.5kms,表示混凝土不够密实、浇筑质量较差，强度达不到C50要求。从图像中可以看出该梁板浇筑质量良好，绝大多数区域达到了设计要求，但在承德端的顶板和腹板中存在面积约Bn?的蓝色低速区域，密实度不够，很可能是震捣不够所致。例21标右幅27-2T梁检测结果图8上、下两幅图分别为右幅27-2T梁顶板和腹板的波速CT结果，图像绝大部分为绿色和黄色高速区，表明梁板强度基本达到C50的设计要求，且浇注均匀性良好。但在靠距秦皇岛端有长约2m的局部蓝色低速区，总面积约4/,密实度不足，强度低于C50,推测端部震捣不够

16、。图81标右幅27-2T梁顶板和腹板波速CT图像4.4检测结果分析从检测结果图上可以看出，桥梁CT方法能够很好地将梁板混凝土浇注的密实性与强度通过色谱图清晰、准确地展示出来，图像直观，位置准确；对缺陷的位置、范围和程度给出准确判断，便于应用。从承秦高速梁体的检测结果可以看出，多数缺陷分布在梁板两端，推测引起这种现象的原因是由于端部局部振捣不足，现场调查也证实了这一推测。通过检测结果的反馈，对施工方改进施工工艺起到了积极作用，达到了质量控制的作用。检测过程历经3个多月，除了用桥梁CT的方法进行质量检测外，还使用了回弹仪在两个标段进行了复检。对两种方法结果不一致的区域进行了取芯验证，验证结果与CT结果一致，表明桥梁CT的检测结果更为可靠。