桥梁混凝土质量状况的检测与评价是桥梁建造、养护管理与加固效果评定的重要任务。桥梁混凝土表面的开裂和表层强度常采用外观调查与超声回弹的方法进行检测，对于混凝土内部缺陷的检测可采用桥梁声波CT新技术。桥梁声波CT以纵波速度图像表征混凝土的强度分布，用几种定量指标可以对混凝土质量进行评价。用平均速度评价混凝土强度等级，用波速的离散性评价混凝土的均匀性，用低速区界定混凝土结陷的位置。实践表明，桥梁声波CT技术对控制在建桥梁的施工质量、诊断运营桥梁的健康状态、评价危旧桥梁的加固效果等方面都发挥了重要作用。

关键词： 桥梁混凝土； 质量检测；桥梁声波CT；评价指标；

1、前言

近十年来随着高速公路与铁路建设的快速发展，我国桥梁的数量急剧增长，桥梁的病害也日益突出，特别是九十年代末和本世纪初修建的混凝土桥梁出现病害的比例偏大，混凝土开裂和挠度过大等问题比较突出。这说明桥梁的耐久性方面的问题令人堪忧。危桥拆除中发现混凝土裂化是较为普遍的问题，是导致桥梁垮塌的主要原因之一。提高桥梁的耐久性，需要设计、施工和养护各环节的共同努力。目前桥梁施工质量主要靠工艺和管理控制，对施工质量缺乏有效的检测与监督，这给养护与管理埋下了隐患。

目前国内外对混凝土桥梁的质量检测与健康诊断的手段比较有限，主要以外观检测为主，配合动静载实验进行承载力检算作出评价。外观检测的主要工作包括混凝土表面裂缝测绘和碳化深度、氯离子浓度、保护层互厚度、混凝土强度的检测。检测规范中的混凝强度检测是采用超声-回弹方法[1-3]，它主要代表混凝土表层5cm以内的强度，不能反映结构内部混凝土的质量状态。这些检测手段和规范已经落后于桥梁病害诊断与健康评价的现实需要，检测的结果很难与动静载试验结果相结合用于承载力检算分析。磁粉检测和X光检测在钢结构上有一定应用，但对混凝土桥梁很难应用。近年地质雷达在桥梁检测中也有应用，可以发现一些结构缺陷，但无法评价混凝土密实程度与抗压强度等力学指标。为解决桥梁混凝质量的检测问题，近年来发展起类似于医学CT的桥梁声波CT检测新技术，2006年在重庆桥梁检测中开始使用[4]，对大型钢构桥梁的混凝土结构进行了声波CT检测，通过声波速度成像，对混凝土的强度分布、均匀性、缺陷位置进行了可靠诊断。目前在云南、重庆、贵州、陕西、河北、山东、浙江、安徽等省地桥梁的质量控制、病害诊断和加固效果评价中进行了成功的应用，初步形成了检测评价标准，本文在此作相应介绍。

2 、桥梁声波CT基本原理

桥梁声波CT的基本原理与医学CT类似。医学CT是利用X射线穿透人体组织，通过射线能量衰减的测量对人体组织吸收特性成像。桥梁CT是利用声波穿透混凝土介质，通过声波走时和能量衰减的观测，对混凝土结构波速分布成像。Radon变换是CT技术的数学基础，其基本原理是通过测量变量沿路径的积分来反演区内变量的分布。桥梁CT通过测量发射点到接收点声波的走时，反演区内混凝土的波速分布。波速作为混凝土强度、密实性、均匀性和缺陷评价的重要指标，用于混凝土质量的评价。通过多年的专题研究与检测实践，获得云南、四川、重庆、贵州、河北等地的混凝土波速与单轴抗压强度的对应关系（表1）。波速与混凝土看押强度的相关关系是桥梁CT评价混凝土质量的物理基础。

混凝土标号波速（m/s）C403500-3800C453800-4000C504000-4300C554300-4500C60>4500

表1 混凝土波速与抗压强度实验结果对照表

应用表明，桥梁声波CT可以研究混凝土结构力学强度的分布，具有分辨率高、可靠性好、图像直观等特点，在工程检测中可以被用来探查混凝土强度、密实性、均匀性和不密实区等结构缺陷。在桥梁结构的检测和病害诊断有着广泛的应用前景。

3、桥梁CT的测量方式

桥梁CT在检测首先将桥梁分解成混凝土结构或构件，如桥墩、箱梁、T梁等结构，然后将三维结构分解成二維结构，如将箱梁和T梁分解成顶板、底板、腹板或拱面等。CT测量实际上是分别对二维结构进行测量与成像。在数学处理上将二维结构分解成有限单元体的组合，用有限单元体的速度表征二维结构速度分布。最后将各二维结构的速度分布拼合成三维结构图像。

图1 桥梁CT的观测方式

图中红色圆点表示声波发射点，蓝点表示接受点。每一点发射时所有接受点同时接收，获得由发射点到各接收点的声波射线与走时，所有发射点与接收点组成的射线网及走时数据，是CT计算的基础。下图是声波走时记录。

图2 桥梁声波记录

图中每道记录代表一个接收点检波器的记录，记录的幅值就是声波信号的强度。图中清楚的显示了直达纵波、后续的横波、Lamb波震相。在桥梁CT中主要使用直达纵波，它速度快，最先到达，走时读取干扰小，准确率高。

4 桥梁声波CT图像与混凝土质量评价指标

桥梁CT是以二维梁板为基础，CT图像表示混凝土速度的分布，根据混凝土波速与强度的对应关系，它可作为混凝土质量评价的依据。图像中不同颜色表征混凝土速度高低。红色、黄色、绿色、蓝色的色阶表示波速由高到低的变化。声波CT图像如图3下所示。C50 混凝土的波速分布在4.0-4.3km/s之间。

图3 混凝土梁板波速CT图像

梁板中混凝土的波速是分布参数，不同部位波速不同，因而需要选定几项统计参数作为混凝土质量评价的技术指标，这些指标能表征混凝土梁板强度、密实性、均匀性和结构缺陷等特征。

根据笔者的研究与实际应用，初步选择下列4项参数作为混凝土质量评价的定量标准。它们分别为梁板的平均波速Va、波速离散度Rb、合格面积率Rs和最大缺陷尺度等4项。现分别对这些参数作深入分析。

(1) 平均波速

梁板的平均波速Va是表征梁板平均强度的重要指标，它用来衡量梁板的平均强度是否达到设计标准。平均波速计算公式如下：

其中Vj为CT剖面内单元位置的波速，M为CT剖面内单元总数。当桥梁CT剖面内的平均波速达到或超过设计速度时，表明混凝土强度达到了设计标准。C50混凝土的波速范围是4000-4300m/s，取其中值4150m/s作为平均波速合格的指标。当平均波速超过该指标时为合格，否则不合格。

(2) 波速离散度

波速离散度Rb定义为速度均方差与平均波速的比值，它是表征梁板浇筑质量离散性大小的重要指标。离散度大表示浇筑质量不均匀，混凝土密实性差异较大，桥梁受力时易造成应力集中。反之，离散度小说明浇筑质量均一。波速离散度由下式计算：

其中σ为均方差。离散度小于9%为合格，超过此数值则离散过大，判定为不合格。

(3) 合格面积率

合格面积率Rs定义为强度达到设计标准的面积所占的比率。合格面积率越大说明混凝土质量越好。对于C50混凝土，就是波速等于和大于4000m/s的面积所占的比率。这个面积比率达到或超过80%为合格，低于此数值为不合格。

(4) 最大缺陷尺度

混凝土质量评价的第4项参数是最大缺陷尺度SL。所谓缺陷是指波速低于设计强度85%的疏松混凝土。松散混凝土在CT剖面上连续分布的面积如果过大，对桥梁的承载力会产生不利的影响，目前初步将最大缺陷面积设定为1m2，小于该数值认为合格，超过该数值认为不合格。对于C50混凝土，是统计波速小于3400m/s的连续面积。

(5) 钢筋影响的评估

混凝土的波速受钢筋密度分布的影响，钢筋的波速Vst为5700m/s，比混凝土高，钢筋密集区的波速V会比素混凝土VC高。如果需要，可以对钢筋的影响给予消除。

其中α为纲筋在混凝土中所占的体积比，可根据钢筋构造图投影得到。当钢筋体积比为5%时，波速的调整量为80m/s。对于C50混凝土，如果测得的波速为4300m/s，那么调整后纯混凝土的波速为4220m/s左右，调整量非常小，仅为2%。混凝土中的钢筋与混凝土同时受力，钢筋会使结构变得更加安全，因而一般情况下不需要对钢筋的影响进行校正。

5、桥梁CT检测评价实例

贵州省境内1座桥梁出现病害，混凝土开裂，需要对病害的原因及影响范围进行检测分析，以便进行整治。对匝道桥和调头桥的梁板分别进行了声波CT检测与评价,现结合其中匝道桥的1片梁板的检测结果介绍评价过程。梁板长23m，高1.8m，检测结果表示成声波速度分布图、平均速度、离散系数、速度直方图、混凝土强度分布和缺陷统计等数据。根据前述的混凝土质量4项评价指标，合格的混凝土应满足下列条件：平均波速超过4150m/s、离散度小于9%，C50混凝土面积超过80%，最大缺陷面积小于1m2。根据这4项指标的评价结果列于下表2。表中数据表明，该梁板混凝土的平均波速为4059.62m/s，低于波速指标，平均强度未达标；离散度为9.76%，离散性过大，均匀性未达标；C50及以上强度的混凝土仅占61%，低强度面积过大，C50强度面积未达标；未发现面积大于1m2的缺陷。4项指标中3项未达标，综合判定混凝土梁板强度低，不合格。

桥梁混凝土质量评价表 表2

梁板速度分布图

速度分布直方图

平均速度：4059.62米/秒， 离散度：9.76%混凝土强度分布

面积统计>=C5061%C40～C5034%< C409%缺陷统计序号中心点X中心点里程中心点Y面积m2波速m/s强度12.3K0+226.80.250.25<3300<C35210.5K0+2350.250.75<3300<C35313.5K0+2380.250.53300<C35422.5K0+2471.50.53300C35结论：不合格该梁板平均波速4059m/s，未达到C50标准；离散度9.76%，超标； C50强度区域面积只占61%，未达标；缺陷面积小；三项指标不合格，因此判定该梁板强度偏低，检测结果为不合格。

6 、结论

桥梁CT作为混凝土桥梁施工质量控制、危旧桥病害诊断和加固效果评价的有效手段，是传统桥梁检测方法的有益补充。桥梁CT的检测是将桥梁看成混凝土构件，无法对桥梁的承载力进行功能性评价，但是CT检测提供的梁体强度与缺陷分布的资料可为承载力的计算提供更可靠的依据。桥梁CT可以做为一种多发多收的声波检测层析成像方法归入《超声法检测混凝土缺陷技术规程》CECS 21：2000中。现有的超声法均是一发一收的，无法为梁板勾画一个整体的CT图像。

在对桥梁检测的实践表明，目前部分桥梁混凝土的质量确实存在强度不足和均匀性差等问题，应引起建设单位的足够重视，并加以改进。希望本文中应用的桥梁CT评价标准能对推进国家相应标注的制定起到抛砖引玉的作用。