[桥梁检测技术培训讲义789页PPT_PPT

1、混凝土桥梁无损检测新技术 混凝土桥梁无损检测新技术1 无损检测技术在桥梁诊断中的地位； 无损检测技术的任务和特点；3 6大无损检测技术与应用现状4 混凝土浇筑质量无损检测技术： BCT技术 地质雷达技术 超声相控阵技术5 波纹管注浆质量检测技术： 地质雷达检测技术 声波散射检测技术 超声相控阵技术 6 成桥桩的检测技术桥梁检测6大无损检测技术1 无损检测技术与内容： 桥梁CT(BCT) -混凝土强度和密实度分布、结构缺陷； 地质雷达-塑料波纹管注浆密实性、钢筋、空洞位置； 声波散射-波纹管密实性、脱空区位置、大小； 声发射检测-载荷作用下桥梁结构微破裂的空间位置、扩展 规律、应力降； 超声相控

2、阵-混凝土内部缺陷、空洞、强度、波纹管缺陷位置、 注浆密实性 电磁感应探测：钢筋锈蚀、保护层厚度；2 应用对象： 1) 桥梁施工中的质量检测； 2) 病害桥梁的结构缺陷检测与诊断； 3) 加固处理效果的检测评价； 病害桥梁数目不断增加，急需结构内部检测与诊断技术美国桥梁60万座，病害桥梁28%，平均病害桥龄25年；中国桥梁62万座，病害桥梁近1万座，平均病害桥龄7.5年， 桥梁的耐久性需要认真对待桥梁存在的常见缺陷（二）箱梁底板裂缝箱梁底板角隅处砼开裂混凝土桥梁构件开裂桥梁存在的常见缺陷（一） 露筋及砼不密实箱梁底不密实、蜂窝麻面混凝土桥梁构件浇筑质量不乐观桥梁存在的常见缺陷（三）注浆不密实注

3、浆不密实注浆较密实某桥施工质量状况:混凝土浇筑、钢绞线充实情况桥梁波纹管注浆质量存在很多问题1无损检测技术在桥梁诊断中的地位目前桥梁质量控制：工艺控制、外观检测 缺乏混凝土和内度结构检测手段2 无损检测主要是提供结构物理结构现存状态； 结构力学模量的分布、缺陷位置、规模；3 为结构功能评价提供基础数据； 损伤结构检算的参数分布； 结构物理损伤与功能损伤分析；4 为结构修复关键部位提供基础资料；5 对加固部位物理效果进行评价；2 混凝土桥梁无损检测的任务检测对象：结构与构件 混凝土梁体、波纹管、桥墩、桥塔、桥台 吊杆、钢索检测内容：1 混凝土的力学性状：强度、均匀性、密实性、退化、 碎裂化、裂缝

4、；钢筋的状态：保护层厚度、钢筋锈蚀程度、有效 直径；预应力体系：有效预应力、钢绞线锈蚀、波纹管注 浆密实性；4 载荷作用下的结构损伤：声发射与微破裂混凝土桥梁无损检测技术特点无损检测的特点： 1） 混凝土内部结构和力学差异，致密成度、弹模分布等物理力学性状； 2） 对缺陷的位置、规模、强度有定量化指示，结 果直观，可直接用结构检算； 3） 检测效率高、速度快； 4） 可用于运营及病害桥梁的健康诊断加和固效 果评价，也可用于新建桥梁的质量控制； 5）作为常规检测手段的有效补充，为桥梁健康诊断与评价理论的发展提供有力支持。分辨率：分米级雷达波纹管注浆密实度检测分辨率：厘米级波纹管注浆质量的声波散射

5、检测技术分辨率：分米级超声相控阵检测技术分辨率：金属 mm级，混凝土cm级混凝土结构高分辨相控阵成像分辨率：cm级三项混凝土桥梁检测新技术1 混凝土桥梁BCT检测技术与应用；2 波纹管注浆质量检测技术与评价方法；3 成桥桩VSP成像检测技术；1 BCT技术原理BCT检测的物理基础： BCT以声波速度为成像物理量， 它与混凝土弹性模量、抗压强度有确切的对应关系；声波CT的数学基础是RADON变换，与医学CT相同， 它的解是唯一的；声波CT将结构分解为部件，将部件分解为单元体， 用单于体的组合描述结构的力学性状；声波CT是以透射波的走时、衰减的观测，计算各单元 体的波速与吸收等力学性状；声波CT结

6、果的真实性取决于3个保证条件：足够的射线 密度、 完备的射线正交性、射线总条数多于单元体个数；梁板CT的工作频率选择低频低模态(So) Lamb波。1.2 混凝土桥梁BCT检测方式检测的基本方式是先分解后合成1 将桥梁分解成 结构与构件 混凝土梁体桥墩、桥塔、桥台将三维结构分解为二維结构 将箱梁和T梁分解成顶板、底板、腹板3 将二維结构划分成有限单元体组合4 用有限单元体的速度表示二维结构速度分布5 将二维结果拼合成三维结构图像混凝土桥梁BCT检测技术原理 声波CT技术对桥梁混凝土整体浇筑质量进行检测，其原理类似于医学CT。医学CT是使用X射线透射，而混凝土声波CT是使用声波透射。CT的数学基

7、础是Rodon变换，即通过区域内变量的沿路径积分反演区内变量的分布。混凝土桥梁CT使用的是梁板中的Lamb导波，它对梁板厚度内强度敏感。CT的主要技术要点包含下列三个部分： 1 将研究区看成是由波速不同的有限单元体组成的，用单元体的波速分布描述结构的强度分布； 2 穿过研究区的声波的走时可表为波速的路径积分，多条射线走时方程组成方程组： 3 当各单元都有足够多的射线通过、射线满足全方位条件、射线总条数大于单元总数时，可获得波速分布最优解，解是是唯一的； 混凝土的声波速度可以作为评价混凝土抗压强度与密实度的定量指标。混凝土的波速与混凝土抗压强度有正相关关系，已有大量理论研究和测试对比数据和回归关

8、系。可用于在建桥梁的质量控制和运行桥梁的病害诊断，检测的分辨率可达分米级。可确定低强度的部位、范围、程度，为病害整治和施工质量控制、工艺改进提供依据。BCT检测的有限单元网格和射线追踪tv 射线走时方程：1.3 物理基础：混凝土强度与波速的相关关系 混凝土波速与强度的对应关系混凝土强度 波速范围(km/s) C40 3.5-3.8 C45 38.0-4.0 C50 4.0-4.3 C55 4.3-4.5 C60 大于4.5 水电系统关于混凝土强度与波速的实验结果：弹性力学中波速与弹性模量的关系混凝土强度与波速的关系的地区性变化（河北地区）混凝土强度 波速范围 混凝土强度 波速范围 (km/s)

9、 (km/s) C20 2.0-2.5 C50 3.5-4.0 C30 2.5-3.0 C55 4.0-4.5 C40 3.0-3.5 C60 大于4.5 1.4 BCT检测仪器设备BCT-64声波CT系统BCT-64多通道超声波探测系统采集站、交叉站、传感器及终端电阻仪器主要技术指标：通道：64道，工作主频500-10KHZ，采样率：1微秒，A/D： 16BitBCT-64声波记录主机混凝土箱梁腹板声波记录直达纵波后续面波板内Lamb波混凝土箱梁VP =4.1km/sVR =2.0km/sVR= VL = V p混凝土箱梁顶板声波记录直达纵波后续面波梁板内Lamb波混凝土箱梁Vp=4.1km

10、/sVR=2.0km/sVR=VL=Vp1.5 桥梁CT检测应用实例1 检测应用省区： 云南、重庆、陕西、河北等省的高速公路；2 施工质量控制检测类型： T型梁板、箱形梁板、现浇梁、跨栏刚构 混凝土拱桥；3 病害桥梁的检测与诊断： 大型刚构、简支梁桥；4 桥梁加固效果评价检测： 大型刚构 简支梁； 梁场梁板质量检测与质量控制1）混凝土T梁施工的质量控制用波速分布展现混凝土的强度与震捣密实度分布预制T梁声波CT观测系统布置实例 T型梁板的分解与检测对T梁可选择沿轴线和顶面分别作CT,检波器布置在一侧，激发点布置在另一侧，形成封闭观测系统，使射线尽可能分布均匀和方向正交。T梁腹板的波速与强度分布

11、图中红色为波速大于4.5km/s的高波速区，表示强度高（大于C55）、密实性好；黄色区为波速4.0km/s4.5km/s的中高波速区，表示强度较高（C50C55）,较密实；蓝色区为波速3.0km/s -4.0km/s的中低波速区，表示强度较低（C40C50）,密实性较差；深蓝色区为波速小于3.0km/s的低波速区，表示强度低（小于C40）、不密实，质量有问题。青岛黄岛海湾大桥箱梁施工箱型梁板的分解与检测海湾大桥箱梁底板CT剖面西铜高速6标箱梁检测顶底板CT剖面2）病害桥梁的检测与诊断T型钢构特大桥 重庆安稳大桥、云南蒙新高速4标、 11标大桥、 云南怒江大桥2 云南平锁高速5标混凝土拱桥肋板C

12、T检测3 小型梁板桥4 安徽铜陵长江大桥云南保龙高速12标病害桥梁检测K578+433桥Y5-1梁声波CT成果图 梁体已吊装到桥上，路面系统已完成，梁体高2m，跨中下部马蹄形部位梁体发生开裂。垂直CT剖面探测结果表明，下部40cm厚度马蹄形部位、波纹管周围存在低速区，混凝土强度低、不密实，需要处理。桥梁检测技术运营桥梁的病害检测技术云南蒙新高速桥梁检测云南蒙新高速桥梁检测图4.1.1 K46+448.9大桥砼整体浇筑质量检测范围示意图图4.1.2 K57+302特大桥砼整体浇筑质量检测范围示意图 箱梁顶板CT检测布置图中蓝点表示检波器，红点表示敲击点。箱梁顶底板CT检测布置图中蓝点表示检波器，

13、红点表示敲击点。底板可以是拱形的。箱梁腹板CT检测布置图中蓝点表示检波器，红点表示敲击点。运营中桥梁的检测箱梁侧腹板CT剖面探测，检波器布置在顶板，激发点布置在箱梁底板混凝土箱梁顶板强度检测3D显示底板CT剖面顶板CT剖面右腹板CT剖面左腹板CT剖面50m22.5m11m声波CT检测3D显示红色为高波速区，蓝色为低波速区。结果显示底板与腹板结合部位和右翼板波速偏低。混凝土强度分布切片图根据需要对任意里程截面进行切片分析，便于诊断和工程处置设计1号“T”边跨34#35#梁段底板上靠近左腹板的边缘带，有波速低于3.7km/s的区单位：m对CT检测结果进行钻芯取样验证1号“T”两侧的1#3#两个区底

14、板内有一区域混凝土波速低于3.7km/s单位：m对CT检测结果进行钻芯取样验证4#1#T边跨1#梁段左侧底板,距左侧腹板增补砼面80cm,距1#T内重庆侧横隔板210cm该钻芯用时13分钟，规格100250，钻芯时未遇到钢筋，但发生了夹钻现象，芯样分层，断作3节，只取出2节，表面明显可见砼的分层缝，分节断头可见砼均质性较差4#芯样4#芯样 现场钻芯取样与设计单位、监理、业主一起进行取样验证声波CT检测结果钻芯验证钻芯结果与CT结果完全一致怒江大桥病害加固效果CT检测怒江大桥张拉崩裂怒江大桥T型刚构底板张拉崩裂骑马螺栓修补方案骑马螺栓断面布置A区修补效果平面CT检测结果A区修补效果剖面CT结果B

15、区修补效果平面CT检测结果B区修补效果剖面CT检测结果铜陵长江公路大桥桥型布置图 铜陵桥桥面板铜陵长江公路大桥检测布置桥面顶板CT结果左右肋板CT结果2）混凝土桥梁波纹管检测未注浆波纹管波纹管检测原理与应用1 波纹管检测必要性与检测内容 2 波纹管检测基本原理3 波纹管检测方式4 波纹管缺陷分析判别原理5 波纹管质量分级与检测应用 1 波纹管检测必要性与检测内容 1） 检测必要性 钢绞线的锈蚀与松驰导致梁体预应下降 注浆质量关系钢绞线耐久性 2） 检测内容 波纹管注浆整体质量 注浆不密实段的位置、大小桥梁波纹管常见注浆混凝土质量差、钢绞线锈断现象注浆不密实注浆空区注浆较密实拆桥中发现波纹管注浆

16、质量问题拆桥中发现波纹管缺浆1.2）波纹管检测内容 1）波纹管注浆整体质量 2）注浆不密实段的位置、大小 3）检测分辨率10cm2 波纹管检测基本原理三个层次的振动波纹管振动；梁板结构振动3 梁体三维振动；2 波纹管检测的基本原理 1） 梁体介质的弹性振动 2）波纹管缺陷振动与散射理论 3）波纹管与梁板振动的导波理论 4）骨料与钢筋的影响2.1 钢绞线与包裹混凝土振动理论钢铰线与混凝土复合为一个弹性体系，其纵向振动方程：其中Ux、s、E、K分别为振动位移、混凝土与钢绞线密度、混凝土等效截面、弹性模量、弹性系数。纵波的传播波波速介于钢绞线与与混凝土波速之间，表为下式： 混凝土注浆不饱合时，钢铰线

17、单独振动，波速偏高；注浆饱合时钢绞线与混凝土一起振动，速度降低。波纹管缺陷检测的散射理论不饱合区相当于缺陷，速度异常为(x)表示：有缺陷时振动方程变为：上式说明(x)不为零的区域相当于一个被动震源，在外场激励下发出散射波，散射波的强度与激励强度、缺陷强度成正比。由缺陷散射波的记录可以确定缺陷的位置、大小和程度。记录与缺陷的关系表为下式：2 波纹管缺陷检测的散射理论 波纹管缺陷解释的理论依据 空区的作用相当于被动的二次震源，无激励时不发震，外界激励到来时才发生散射。空隙率越高、体积越大，散射能量越强，散射波的频率越低。散射波的走时与缺陷的位置有关，距离越远走时越长。也可利用多点接收追踪缺陷的位置

18、。散射强度、频率和走时是缺陷解释的三大依据。入射波散射波混凝土波纹管预应力索空区1.3 波纹管与梁板振动的导波理论Lamb 波纵波和横波梁板与波纹管振动频散理论 波纹管埋设与混凝土梁板中，波纹管除了自身振动外还与梁板一起振动，而且一起振动的能量比单独振动的能量大得多。梁板的特点是两侧为自由面，其振动的主要形式是Lame波，也称导波。 Lame波有两个基本特点，一个是多模态，一个是频散特性。 Lame波有对称模态和反对称模态，每种模态中又有很多不同阶次，高阶和低阶。频散是Lame波最明显的特点，不同频率的波传播速度不同，传播中波群能量分布形态不断改变，刚开始波包集中，传播中逐渐散开。不同模态、不

19、同阶次的波即使频率相同速度也不相同，各自独立传播，互相干涉。由于频散特性，使得利用散射波记录解释缺陷的位置变得非常困难，也自然成为波纹管检测核心技术。 北京同度工程物探技术有限公司开发了TD-BWG波纹管缺陷偏移成像系统，专业处理频散背景下的波纹管检测数据，将缺陷位置进行偏移成像，并对波纹管注浆质量进行评价。30cm厚混凝土梁板的Lamb波频散特性 图中Si为对称模态，Ai为反对称模态。i为不同阶次。曲线表示不同模态不同阶次的振动中频率与波速的关系。能量比较大的震相集中在低阶模态，A0、 S0、 A1 、 S1、 A2、 S2、 A3，S3。波纹管检测主要频段在1-20khz，经常出现的震相是

20、前4-6个。 6 12 18 24303642 48频率/（khz）0450075007000650060005500500045004000350030002500200015001000BCT频段梁板Lamb对称与反对称模态振动方式对称模态反对称模态Lame波的波结构厚度/mm15050-1501000-100-5015050-1501000-100-50厚度/mm板内方向位移垂直板面位移板内方向观测垂直板面方向观测 振动中梁体截面上振幅的分布称为波结构。不同模态与阶次的振动，波结构是不同的。有的表面大中间小，有的中间大表面小。对称模态与反对称模态的划分就是基于波结构。对称模态中振幅以梁板

21、中心线为对称，反对称模态的振幅是以中心线反对称。阶次的差异反应在波结构曲线的形态上，阶次高位移为零点的点数多。下图是低阶对称模态S0的波结构。梁板Lamb的传播模式对称模态反对称模态 1.4 混凝土中骨料的散射0.3.30.3 3/DFANSHE散射强度低频部分噪声小高频部分噪声大500khz骨料尺度混凝土板声波检测记录直达纵波后续面波板内Lamb波混凝土箱梁VP =4.1km/sVR =2.0km/sVR= VL = V p混凝土梁板声波检测记录直达纵波后续面波梁板内Lamb波混凝土箱梁Vp=4.1km/sVR=2.0km/sVR=VL=Vp3 波纹管检测方式 1）两端法2）散射追踪法波纹管

22、声波逆散射检测实例波纹管检测现场操作波纹管缺陷散射追踪波纹管缺陷散射追踪记录直达纵波Lame波缺陷散射波缺陷散射端部反射2.3 波纹管检测仪器与技术指标TD-BWG仪器组成与技术指标： 记录器： 2通道 检波器： 2只 频带： 1k-20khz 采样间隔：1s A/D： 16Bit 4 波纹管缺陷分析技术1）二维时频分析与判别技术；2）波逆散射反演与判别技术；3）缺陷散射追踪；4）波纹管缺陷判别与解释原理；散射结构缺陷识别逆散射波透射波缺陷分布梁板与波纹管直达波振动模态直达波振动模态1）二维时频分析与缺陷判别波纹管检测时频分析结果2）频散结构反演与判别技术两个反射波混叠孤立反射面频散波在结构缺

23、陷的逆散射极其复杂性波具有多模态：纵波、横波、对称和反对称LAMB导波；2 波具有频散特性：不同频率的波传播速度不同，波群传播中越来越宽；反射群波：每一缺陷反射的是一个波群，很容易误将一个反射界面误解 为多反射界面；4 反射波群混淆：多个反射面位置接近时，反射波发生混叠，难于识别；波纹管缺陷的反演结果根据频散特性反演得到的缺陷的位置3种资料处理方法结果比较偏移成像结果反演结果能量结果缺陷散射追踪资料处理方法浙江大洋桥波纹管检测结果N1波纹管不密实段端部散射缺陷缺陷缺陷 缺陷缺陷浙江大洋桥波纹管检测结果N2缺陷缺陷端部缺陷缺陷P浙江大洋桥波纹管检测结果N3缺陷缺陷波纹管缺陷识别与解释原理 根据声

24、波散射理论，可以采用时频分析和逆散射反演方法对声波数据进行处理，工程解释应遵循下列原则：（1）通过纵波直达波走时测量波纹管的平均波速，它反映波纹管平均注浆质量；（2） 逆散射记录为双程走时，根据各模态散射走时和对应的波速确定缺陷位置；（3） 散射波能量大小与脱空程度有关，高频散射由小缺陷产生，低频率散射由大缺陷产生； （4）对于波纹管的缺陷也可以进行散射追踪。散射信号的时间、能量、频率是用于工程解释的三个要素。5 波纹管质量分级与检测应用 1）质量分级方法指标 2）波纹管检测应用实例波纹管注浆质量分级方法单只波纹管注浆质量分级参考标注：1 优良： 缺陷累积长度小于10%；合格： 缺陷累积长度介

25、于10%-30%；不合格：缺陷累积长度大于30%梁体分级参考方案：优良：梁体所有波纹管都在合格以上；合格：不合格波纹管数少于总数的20%；不合格：不合格波纹管数大于总数的20%；检测结果验证波纹管检测应用实例检测结果验证应用实例：承德混凝土梁板与波纹管检测波纹管检测结果：1 箱梁波纹管检测结果 2 T梁波纹管检测结果波纹管编号图1#2#3#4#5#6#5#波纹管注浆质量波速4.55长度24.91序号起止长度16.56.70.227.58.20.7314.514.80.3缺陷总长度1.2比例4.8%6#波纹管注浆质量波速4.5长度24.91序号起止长度缺陷总长度0比例0%实例：浙江温州大洋桥检测

26、位置浙江大洋桥病害检测波纹管波纹管缺陷追踪波纹管检测结果成桥桩检测VSP成像技术1成桥桩缺陷VSP检测原理2 检测方式3 检测仪器4 资料处理方法5 缺陷解释原理6 应用实例VSP偏移成像检测技术要点 VSP偏移成像测桩技术主要应用于成桥桩。由于外界冲击或地震损伤需要了解桩身健康状况时采用。对于成桥桩上部结构已经建好，预留的声速管已经埋死无法再启用。传统的小应变测桩技术因上部结构反射的影响，已很难识别下部桩身的缺陷，不能采用。VSP测桩的核心技术是方向滤波和偏移成像。反向滤波技术对观测方案有特殊要求，要求检波器和激发点等间距排列。上部结构的反射波向下传播称下行波，依次通过检波器。下部结构的反射

27、波向上传，称上行波。上行波和下行波的视速度相反，一个为正，另一个为负，容易区分和滤除。 VSP测桩可以使用多道声波仪，也可使用单道声波仪。使用多道声波仪，等间距布置，检波器间距控制在20-50cm，用一个敲击点。使用单道声波仪时，需要多个敲击点，等间距布置，间距20-50cm。 声波仪的工作频带1-20khz，A/D：16Bit，采样间隔：1微秒。 资料处理以下列步骤： 1 带通滤波，去除干扰； 2 记录合成，将各道记录合成一文件； 3 根据直达波确定桩身纵波速度； 4 方向滤波，滤除下行波，仅保留下行波； 5 根据桩身波速和方向滤波后的记录对缺陷进行偏移成像； 6 选取能量阀值，判断缺陷位置

28、、规模。成桥桩结构特点桥上部结构的影响使下部缺陷识别变得困难1 成桥桩的检测原理成桥桩混凝土为一个弹性杆体系，外力激励下其纵、横波振动方程：其中Ux、Uy、Vp、Vs分别为振动纵横向位移和纵横波速。波速的表达式为： 成桥桩与上部结构和地下岩体连接成为一个振动体系。这些连接形成振动结构截面波阻抗变化，形成反射和散射。波纹管缺陷检测的散射理论成桥桩与上部结构和地下岩体连接成为一个振动体系。这些连接部位存在结构截面差异和波阻抗的变化，振动中会形成反射。桩身内部缺陷也表现为波阻抗变化，振动中形成散射。桩内缺陷与结构连接部位的波阻抗变化可用速度异常(x)表示，它是一个分布函数。有缺陷时的振动方程变为：上式说明(x)不为零的区域相当于一个被动震源，在外场激励下发出散射波，散射波的强度与激励强度、缺陷强度成正比。此处缺陷的含义包括上下部结构界面变化的部位。由散射波记录可以确定缺陷的位置、大小和程度。散射波与缺陷的关系表为下式，它包含所有缺陷的贡献。 桩体缺陷的散射理论 桩体缺陷与连接结构都表现为波阻抗的变化，波阻抗变化部位的作用相当于存在被动的二次震源，无激励时不发震，外界激励到来时才发生散射。截面变化越大、缺陷越大散射能量越强，散射波的频率越低。散射波的走时与