相控陣超聲成像技術(shù)在既有建筑加固改造工程檢測(cè)中的應(yīng)用

李華良（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 上海 201108）

目前對(duì)既有建筑混凝土構(gòu)件的加固改造較常使用的方法為增大截面法，即根據(jù)實(shí)際情況和條件選用人工澆筑、噴射技術(shù)活自密實(shí)技術(shù)進(jìn)行施工，也有采用灌漿技術(shù)進(jìn)行施工。新舊混凝土結(jié)合面施工時(shí)，由于施工面積大，鋼筋分布密集，各種預(yù)埋件繁多，尤其是后澆混凝土板厚度只有 10 cm甚至更薄，若澆注混凝土前對(duì)原混凝土面清理不徹底，或后澆混凝土流動(dòng)性較差，且振搗不充分，很容易在界面附近及鋼筋周圍形成各類缺陷，包括孔洞、脫空、浮土雜質(zhì)等，會(huì)對(duì)加固結(jié)構(gòu)受力性能產(chǎn)生不利影響。同時(shí)，由于新舊混凝土齡期、強(qiáng)度以及彈模不一致，易在后期服役過程中因收縮速率的不一致產(chǎn)生開裂，影響結(jié)構(gòu)安全。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于新舊混凝土界面非破損檢測(cè)方法較少，同時(shí)，由于澆筑面積大，工況復(fù)雜，用傳統(tǒng)超聲法檢測(cè)時(shí)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)。即使能夠?qū)崿F(xiàn)，由于超聲波探頭較小，單次檢測(cè)覆蓋區(qū)域有限，尋找缺陷費(fèi)時(shí)費(fèi)力。PS 1000 或地質(zhì)雷達(dá)等先進(jìn)儀器可以實(shí)現(xiàn)單面區(qū)域的連續(xù)平測(cè)掃描，但由于基于電磁波原理，對(duì)鋼筋的存在十分敏感，也無法取得良好效果。目前在加固改造工程中，主要還是通過檢查新增混凝土澆筑質(zhì)量缺陷進(jìn)行評(píng)定，對(duì)于結(jié)合面結(jié)合質(zhì)量目前主要還是通過錘擊或超聲檢測(cè)來進(jìn)行判斷。

南京長(zhǎng)江大橋公路橋靠近兩側(cè)橋頭的引橋及回龍橋采用雙曲拱橋形式。雙曲拱橋的改造方案為主拱圈加固采用在拱肋外側(cè)外包混凝土和拱腳段拱背現(xiàn)澆混凝土，其中拱肋外包混凝土施工是本工程的關(guān)鍵工藝，技術(shù)難度大，事關(guān)加固成敗。

相控陣超聲成像技術(shù)已應(yīng)用于裝配式建筑的混凝土疊合面的檢測(cè)，取得較好的效果，但目前還未有應(yīng)用于既有建筑加固改造新舊混凝土結(jié)合質(zhì)量檢測(cè)的例子。本文通過相控陣超聲成像技術(shù)檢測(cè)雙曲拱肋加固質(zhì)量，得出相應(yīng)的結(jié)論，為今后加固改造結(jié)合面質(zhì)量評(píng)價(jià)提供可靠依據(jù)。

1 相控陣超聲成像技術(shù)原理

相控陣超聲成像技術(shù)是通過控制換能器陣中各陣元激勵(lì)（或接收）脈沖的時(shí)間延遲，改變由各陣元發(fā)射（或接收）聲波到達(dá)（或來自）物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化，完成超聲成像的技術(shù)。其采用多通道的脈沖回波技術(shù)，一個(gè)通道發(fā)送，其余通道接收回波，每個(gè)通道輪流發(fā)送。一個(gè)完整測(cè)量包含眾多掃描信號(hào)，這些掃描信號(hào)利用合成孔徑聚焦超聲成像（SAFT）技術(shù)。從工作過程看，可以分為數(shù)據(jù)采集、存貯，以及數(shù)據(jù)處理、圖像重建這兩步。較用接收到的回波信號(hào)直接生成圖像的技術(shù)復(fù)雜許多，優(yōu)勢(shì)是可以應(yīng)用小孔徑換能器和較低的工作頻率獲得方位的高分辨率，即可以在“近場(chǎng)”區(qū)（菲涅爾區(qū)）具有不錯(cuò)的分辨率，在“遠(yuǎn)場(chǎng)”區(qū)也能保持同樣的高方位分辨率。同時(shí)，在圖像重建過程中，易于應(yīng)用各種圖像處理技術(shù)用于不同成像對(duì)象，以提高圖像清晰度及信噪比，突破了經(jīng)典理論的限制。相較于傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方法，相控陣成像法具有以下特點(diǎn)。① 可實(shí)現(xiàn)單面區(qū)域連續(xù)掃描。② 使用非耦合聲波接觸技術(shù)，無須使用任何耦合劑。③ 可在一定程度上克服混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的影響，相對(duì)鋼筋而言，對(duì)缺陷更為敏感。④ 可較為準(zhǔn)確的定位缺陷位置和范圍。

2 相控陣超聲成像檢測(cè)設(shè)備及參數(shù)

2.1 設(shè)備及參數(shù)

檢測(cè)設(shè)備采用瑞士 Proceq 公司生產(chǎn)的 Pundit 250 Array 相控陣超聲成像儀，該設(shè)備包含一個(gè) Pundit Array 傳感器和一個(gè) Pundit 觸摸屏顯示器。Pundit Array 傳感器的超聲發(fā)射通道有 8 排，每排 3 個(gè)，總計(jì) 24 個(gè)，每排發(fā)射通道距離 30 mm。檢測(cè)所用設(shè)備技術(shù)規(guī)格如表 1 所示。

表 1 傳感器及觸摸屏顯示器技術(shù)規(guī)格表

2.2 超聲波速的獲取及疊層距離的確認(rèn)

超聲波速是檢測(cè)中非常重要的參數(shù)。因施工工藝、材料等因素及鋼筋網(wǎng)密度不同使得超聲波速在不同混凝土中傳播波速有一定的變化范圍。因此，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)超聲波速在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體結(jié)構(gòu)檢測(cè)中十分重要。

現(xiàn)場(chǎng)獲取波速的方法是將 Pundit Array 傳感器與Pundit 觸摸屏顯示器用數(shù)據(jù)線連接，進(jìn)入測(cè)試工作狀態(tài)。將 Pundit Array 傳感器按在被測(cè)構(gòu)件表面，進(jìn)入標(biāo)定界面，按開始鍵進(jìn)行聲速標(biāo)定，當(dāng)聲速穩(wěn)定時(shí)，按保存鍵進(jìn)行聲速保存，隨機(jī)選取具有代表性的部位，在測(cè)線方向重復(fù)以上步驟，測(cè)定 5 個(gè)聲速值，當(dāng) 5 個(gè)聲速值無異常值時(shí)，保存標(biāo)定設(shè)置，5 個(gè)聲速平均值即作為該構(gòu)件檢測(cè)的超聲波速。

相控陣超聲成像技術(shù)以線性掃描方式獲取檢測(cè)圖像，在全景 B-Scan 模式中，可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置疊層距離，疊層距離取 0.03 的倍數(shù)，0.03 為相鄰兩排發(fā)射通道間距。疊層距離越小，傳感器單次掃描的長(zhǎng)度越大；疊層距離越大，傳感器掃描的精度越高、全景掃描圖像的完整性越好。

3 相控陣超聲成像檢測(cè)實(shí)例

3.1 檢測(cè)方案

使用相控陣超聲成像儀對(duì)南京長(zhǎng)江大橋雙曲拱橋結(jié)構(gòu)增大截面的拱肋采用相控陣超聲成像法進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)使用相控陣超聲成像儀采集數(shù)據(jù)時(shí)，采用 B-Scan 模式，應(yīng)先確定測(cè)線的起始點(diǎn)位，將傳感器緊貼被測(cè)構(gòu)件的表面，疊層距離取 0.03 m，即以 18 cm 的步距沿測(cè)線前進(jìn)掃描并保存。本次檢測(cè)采用抽檢方式進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)拱肋布置 3 個(gè)檢測(cè)位，每個(gè)檢測(cè)位的底面及兩側(cè)面各布置 2.00 m 測(cè)線，測(cè)線布設(shè)示意如圖 1 所示。定性描述加固界面是否存在不密實(shí)、脫空，并對(duì)疑似區(qū)域給出位置描述；定性描述后澆混凝土密實(shí)度，對(duì)可能存在的明顯欠密實(shí)區(qū)給出位置描述。

圖 1 拱肋測(cè)線布置位置示意圖

3.2 數(shù)據(jù)處理、分析

3.2.1 數(shù)據(jù)處理流程

相控陣超聲成像檢測(cè)數(shù)據(jù)處理包括預(yù)處理（標(biāo)記里程位置矯正，信號(hào)零點(diǎn)矯正，添加標(biāo)題、標(biāo)識(shí)等）和處理分析，其圖像處理流程如圖 3 所示。其目的在于盡可能高的消除雜波在超聲成像掃描圖像中的干擾，突出有用的異常信息來幫助解釋。

本次檢測(cè)圖像數(shù)據(jù)的處理采用 Pundit 250 Array 相控陣超聲成像儀配套的 Proceq PL-Link 3.0 軟件處理器。處理流程見圖 2。

圖 2 相控陣超聲成像儀圖像數(shù)據(jù)處理流程圖

3.2.2 數(shù)據(jù)處理分析

相控陣超聲成像檢測(cè)時(shí)，儀器記錄超聲波速在界面反射波的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)和聲速方位的變化，完成超聲成像。當(dāng)混凝土內(nèi)部存在缺陷時(shí)，在混凝土及空氣層界面由于介質(zhì)密度的變化，引起聲速反射，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致脈沖的反向，在圖像上的直觀反映為該區(qū)域存在強(qiáng)烈的反射信號(hào)，同時(shí)回波方向反向。

同時(shí)參照相關(guān)無損檢測(cè)規(guī)程，對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷評(píng)定分為不密實(shí)及脫空。當(dāng)掃描超聲反射信號(hào)強(qiáng)、脈沖反向，獲得的圖像出現(xiàn)非連續(xù)、點(diǎn)狀高亮區(qū)域，該缺陷為混凝土內(nèi)部不密實(shí)。當(dāng)掃描超聲反射信號(hào)強(qiáng)、脈沖反向，且左右位置超聲信號(hào)相近，獲得的圖像出現(xiàn)連續(xù)、帶狀高亮區(qū)域，該缺陷為混凝土內(nèi)部脫空。

3.3 橋梁拱肋結(jié)構(gòu)加固修復(fù)檢測(cè)

3.3.1 橋梁拱肋結(jié)構(gòu)加固修復(fù)概況

該橋雙曲拱橋結(jié)構(gòu)的加固方案，依據(jù) GB 50550—2010《建筑結(jié)構(gòu)加固工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》采用增大截面法。主要通過對(duì)所有拱肋外包鋼筋混凝土，增加結(jié)構(gòu)剛度，提高橋梁承載能力，同時(shí)可以提高原結(jié)構(gòu)的耐久性。其工藝為通過筑模澆筑自流平混凝土增大拱肋截面。首先人工清除拱肋表面松動(dòng)的混凝土，其次采用高壓射流技術(shù)，鑿除破損的混凝土，并鑿毛接合面。對(duì)于銹蝕鋼筋表面的氧化層利用鋼刷予以清除。在保持結(jié)合面濕潤(rùn)但無自由水的情況下灌注高強(qiáng)自流平混凝土。中間拱肋底面加厚約 8～10 cm，兩側(cè)面各加寬約5～8 cm；邊拱肋底面加厚約 8～10 cm，外側(cè)面尺寸不變，內(nèi)側(cè)面加寬約 10 cm。拱肋增大截面施工順序由拱腳向拱頂進(jìn)行。雙曲拱橋結(jié)構(gòu)施工加固如圖 3 所示。

圖 3 拱肋加固施工圖

3.2.2 檢測(cè)結(jié)果與分析

通過對(duì)相控陣超聲圖像的分析，布設(shè)測(cè)線區(qū)域的加固混凝土內(nèi)部致密、新澆筑混凝土與舊混凝土結(jié)合良好的區(qū)域典型超聲成像掃描圖如圖 4 所示。

圖 4 拱肋超聲成像掃描圖

從圖 4 可以看出，超聲檢測(cè)圖像清晰連續(xù)，無明顯反射圖像高亮區(qū)域，且波形連續(xù)、波幅未發(fā)生明顯突變。這說明該檢測(cè)區(qū)域新澆混凝土內(nèi)部致密無缺陷，新澆混凝土與舊混凝土結(jié)合緊密，無脫空的情況發(fā)生。

但對(duì)于存在缺陷區(qū)域，超聲檢測(cè)圖像表現(xiàn)為存在明顯高亮區(qū)域，且該區(qū)域的波形發(fā)生反轉(zhuǎn)波幅發(fā)生突變，缺陷點(diǎn)位超聲成像掃描圖如圖 5、圖 6 所示。

圖 5 拱肋缺陷超聲成像掃描圖

圖 6 拱肋缺陷超聲成像掃描圖

從圖 5 可以看出，在距起始位置 0.1～1.4 m 區(qū)域內(nèi)，超聲圖像區(qū)域存在一系列高亮區(qū)。這說明該區(qū)域內(nèi)存在缺陷，同時(shí)缺陷呈現(xiàn)均勻點(diǎn)狀分布。且缺陷位置均為距表面3～5 cm深度區(qū)域，說明缺陷為新澆混凝土的內(nèi)部缺陷。根據(jù)位置及分布可推斷為拱肋外包鋼筋處混凝土存在內(nèi)部蜂窩等孔洞缺陷。

從圖 6 可以看出，在距起始位置 0.111～0.150 m 區(qū)域，超聲圖像區(qū)域存在高亮區(qū)，且該區(qū)域回波方向發(fā)生反轉(zhuǎn)。這說明該區(qū)域內(nèi)存在缺陷，同時(shí)結(jié)合缺陷深度，在0.7～1.0 m 之間，可推斷該缺陷位于新舊混凝土結(jié)合面處。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該構(gòu)件缺陷區(qū)域進(jìn)行取芯驗(yàn)證，從驗(yàn)證的芯樣圖像可以看出，在筑模加固用的自流平混凝土及舊混凝土界面存在一區(qū)域未緊密黏結(jié)，存在空隙，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果與超聲非破損檢測(cè)結(jié)果相吻合。相控陣超聲檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)脫空現(xiàn)象。

采用相控陣超聲成像技術(shù)，對(duì)南京長(zhǎng)江大橋雙曲拱橋結(jié)構(gòu)的加固質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)分析，將缺陷類型、部位與數(shù)量匯總?cè)绫?2 所示。

表 2 大橋相控陣超聲檢測(cè)缺陷匯總

4 結(jié) 語(yǔ)

通過相控陣超聲成像檢測(cè)及數(shù)據(jù)圖像分析實(shí)例，結(jié)合驗(yàn)證結(jié)果，得到以下結(jié)論。

（1）通過對(duì)拱肋的相控陣超聲成像檢測(cè)，南京長(zhǎng)江大橋雙曲拱橋結(jié)構(gòu)的加固施工結(jié)構(gòu)中，共檢測(cè)出 12 處不密實(shí)區(qū)域。其中，混凝土內(nèi)部 5 處，混凝土結(jié)合面 7 處，未檢出存在脫空區(qū)域。

（2）相控陣超聲成像技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)領(lǐng)域是一種比較新穎、先進(jìn)的無損檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)實(shí)例表明該技術(shù)對(duì)單個(gè)檢測(cè)作業(yè)面可取得很好的檢測(cè)效果。該方法不僅適用于裝配式建筑的新舊混凝土結(jié)合面，也適用于既有建筑加固改造工程中的新舊混凝土結(jié)合面實(shí)體結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，是今后既有建筑加固改造工程無損檢測(cè)的發(fā)展方向。其可為客觀評(píng)價(jià)既有建筑加固改造工程的新舊混凝土結(jié)合質(zhì)量提供可靠的依據(jù)。