第 1 章 绪论
1.1 试验研究目的及意义
1.1.1 研究背景与意义
我国是个桥梁大国，截止到 2017 年底，我国的桥梁总数已经达到 80 万座，而且我国的桥梁自主创新能力在世界上位居前列，一大批的高科技，大跨度的桥梁在 2000 年后相继建造。2018 年 10 月 24 日，港珠澳大桥全线通车，它是我国境内一座连接香港、珠海和澳门的桥隧工程，创造了多项世界桥梁建造纪录。近10 年来，我国的桥梁近乎以每年以 4 万座的可观数量增长，根据道路交通部门统计，在 2009 年底我国的桥梁总数达到 62 万多座，超越当时位居桥梁总数第一的美国，称为名副其实的桥梁大国。
桥梁病害的问题也在随着桥梁数量的增加而愈加严重，在 2004 年，世界上的16 个桥梁大国对混凝土结构的桥梁进行了桥梁安全性调查，根据调查结果表明，各国占 50%以上的桥梁远没有达到预期使用的年限，混凝土桥梁的使用寿命远小于桥梁设计的年限。欧洲国家对桥梁使用寿命的调查结果表明，需要维修进行加固处理的病害桥梁占 30%，桥梁的平均使用寿命仅有 25 年。2015 年我国交通部门对桥梁的检测报告表明，有近 50%的桥梁在耐久性和安全性方面存有隐患，危险系数较高的桥梁比例竟达到近 30%，出现安全性问题的桥梁的平均寿命仅为 7.5年，正常运营时间竟达不到 10 年，这无疑加大了我国桥梁建设的投资，并且对交通运输及人身安全有一定影响，我国桥梁的健康状况令人担忧[2]。在桥梁的建造初期对其设计以及施工质量管控不当，桥梁的超负荷运营及维修养护不及时都会对桥梁病害的出现产生一定影响。这些 病害无疑都会缩短了桥梁的使用寿命。
公路桥涵施工技术规范[4]中对桥梁的施工技术与管理控制作了详细的介绍，但对于混凝土桥梁的质量的控制并没有一个标准。目前混凝土桥梁的质量检测主要以外观检测为主，包括桥面铺装有无裂缝，桥梁底部泛水程度，梁板边缘有无漏筋现象等，配合动静载试验进行承载力检算对桥梁安全作出评价。上述规范中的混凝强度检测有：使用回弹仪检测，测得的混凝土强度仅能代表其表层 5cm 以内的强度值，而对结构内部的强度的分布状况不能反映出来；钻芯取样法[5]，其为有损检测技术，只能抽取一定数量的试件进行检测，并不能反映出整个混凝土结构的全貌，且对结构的安全有一定的影响。后装拔出法[6]也是 1994 年进入规范的有损检测法，这些检测手段和规范已经明显落后于桥梁病害诊断与健康评价的现实需要，在对桥梁的承载能力进行计算时，这些检测结果很难与荷载试验相结合；X 光检测[7]虽然在在钢结构桥梁上有一定的优势，但对混凝土结构的桥梁进行检测时得到的结果并不理想。近年探地质雷达技术[8]在桥梁检测中也有应用，对一些结构的缺陷能显示出来，但是却无法对混凝土的密实程度与抗压强度等力学指标做出评价。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 无损检测技术
目前应用在工程领域的无损检测技术有以下几种。
冲击回波法[13]是利用应力波在混凝土中传播，根据其反射波的参数变化情况进而判断构件的厚度及损伤情况。在结构的表面施以微小的冲击产生应力波，应力波在混凝土中传播时，在遇到缺陷或到达构件的相对面时，进行反射，根据反射波从入射到接收所经过的时长大小，声波信号所带信息经过计算机处理技术得到频谱图，以此来判定混凝土构件的内部质量情况。
回弹法[14]也属于无损检测的一种，混凝土的表面硬度可反映其混凝土的表面强度，它们之间存在着一定的正比关系，回弹仪的弹击锤在混凝土表面振击后，其回弹的高度（通过回弹仪上的标尺获得）可以反映会凝土表面的硬度，进而根据它们之间的关系可以得知混凝土表面的抗压强度。由于回弹值只能反映混凝土表层 5cm 厚的强度，因而不能对混凝土结构内部的整体性强度做出全面的评价。
为了保证获取的检测结果更加准确，在工程检测中，我们通常采用两种以上的方法对同一构件进行检测，比如超声回弹综合法[15]，其是利用超声波层析成像技术及回弹技术进行检测，从而获取更多的物理量来进行分析，以在不同的角度对构件进行全方位的质量评估。
脉冲红外线热成像法[16]是 20 世纪末期发展起来的无损检测技术，它是在热传导和电磁辐射理论的基础上研究出来的，该技术利用脉冲热源对检测试件进行加热，能量在试件内传播时，会在密实区域和缺陷区域形成一定的温度差，红外热成像仪根据温差的不同可将损伤区域分辨出来，经后续数据处理以图像的形式呈现在显示仪上。脉冲红外热成像技术主要是根据热量在试件内分布区域的不同来判定损伤情况，所以该技术受被测物表面发射率和光照影响；对于深层缺陷、微小缺陷难以检测。
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第 2 章 声波层析成像技术的基本原理
2.1 声学基本概念
声波层析成像技术的基本原理主要涉及声学和声波波动理论，下面主要对声波及其参数、声波的分类、声波在介质中的传播速度进行简述。
2.1.1 声波及其参数
声音以波的形式在介质中传播，声波本质为声源的震动，其强度的变化和传播方向随着时间变化，其变化的曲线称为波形。声波在介质中传播时，声波发生能量的衰减，如若衰减程度较小，则声波的传递满足经典的波动方程，我们称之为线性波，如若能量衰减较大，则不满足线性的声波方程，会出现波的色散，并产生激波。在声波层析成像检测中，检波器接收到的声波，其实质为接收点在声波的作用下的一个振动过程。
声波的主要参数分为：声波的主要参数包括振幅、周期、频率、相位、波长、波速等，下面对各个参数的基本概念进行阐述[41]。
振幅，表示声波传播过程中指点偏离初始位置的幅度，振幅的大小反映的是声波震动的程度。周期，描述单一、重复的压力变化序列。从零压力，到高压，再到低压，最后恢复为零，这一时间的持续视为一个周期。如波峰到下一个波峰，波谷到下一个波谷均为一个周期。频率，声波频率指的是声波传播过程中，在单位时间内完成周期变化的次数，描述声波周期运动频繁度的量，声波频率以赫兹（Hz）为单位测量，描述每秒周期数。相位，表示周期中的波形位置，以度为单位测量，共 360o。相位也可以弧度为单位。弧度是角的国际单位，符号为 rad。波长，表示具有相同相位度的两个点之间的距离，也是波在一个时间周期内传播的距离。以长度单位测量。波长随频率的增加而减少。波速，指单位时间内声波所传播的距离。
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2.2 声波在介质面传播特点
2.2.1 声波的反射与折射
声波在不同介质中传播时，会在介质的交界面处发生反射和散射。其中，入射角用声α表示，代表入射波射线和交界面法线的夹角；反射角用β表示，代表反射波射线和交界面法线的夹角；折射角用γ表示，代表着折射波射线和交界面法线的夹角。根据以上参数可以推算出反射波和折射波的定律[45]。如图 2.5 所示。
2.2.2 声波的绕射与散射
声波的绕射现象的产生取决于障碍物的尺寸和声波的波长。在通常条件下，声波为直线传播，不会发生明显的绕射，我们能听到的声波，波长在 17cm—17m的范围内，是可以与一般障碍物（如墙角、柱子等建筑部件）的尺度相比的，所以能绕过一般障碍物，使我们听到障碍物另一侧的声音。声源的频率越低，绕射现象越明显。在声波的波长大于障碍物时，声波的大部分能量是能够绕过障碍物的，只有很少的一部分能量在障碍物周围发生散射现象。
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第 3 章 混凝土构件的声波层析成像试验.................................23
3.1 试验仪器与构件模型............................23
3.1.1 试验仪器................................. 23
3.1.2 试验模型.................................. 24
第 4 章 实例应用................................49
4.1 工程概况.....................................49
4.2 检测仪器与测线布置.............................49
第 5 章 结论................................59
第 4 章 实例应用
4.1 工程概况
秦皇岛市北环路上跨铁路立交桥位于秦皇岛市建国路与北环路交叉处，在秦皇岛站东侧，上跨津秦、京哈先、秦东联络线、柳江线共 7 条正线，与铁路交叉里程为 K300+800。北环路桥采用 38+38m 预应力混凝土简支小箱梁，全长 127.2m，桥梁宽度为 48m，五幅。小箱梁梁高 2.2m，共 97 片箱梁，4 片边梁，94 片中梁。下部采用桩接盖梁式墩台。民族路桥采用 36.85+40.35+10.79 预应力混凝土简支小箱梁，全长 89m，桥面宽为 49.2m，两幅。小箱梁梁高 2.2m，每幅有 6 片中梁，2 片边梁，下部采用桩接盖梁式墩台。
为查明北环路桥和民族路桥的预制小箱梁的混凝土密实度和强度分布情况，采用声波层析成像技术，对上述两座桥的 3 片预应力箱梁进行了声波 CT 检测。
据此，作为混凝土抗压强度和缺陷评价的定量指标，用于混凝土浇筑质量的评价。下表为适合河北地区混凝土桥梁检测的试验数据。
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第 5 章 结论
声波层析成像法在混凝土桥梁的质量检测中有重要的作用，本文从声波层析成像试验与实例工程检测的基础上，进行了深入研究，主要研究成果如下：
（1）基于声波层析成像法的基本原理深入分析了声波在混凝土内部传播的特点，深入探讨和分析声波参数与混凝土强度的关系。对混凝土材料的竖向管道模型、离析模型、孔洞模型及支座和较长构件进行声波层析成像试验，得出结论：L 型布置方式比直线型布置更加有优势；激发点布置越密集，检测结果越精确；声波层析成像技术可对较长构件进行检测；采样时长的选择对检测尤为重要；试验数据误差在构件的激发点位置产生主要影响。
（2）在混凝土质量评价体系方面，选定 5 个参数作为混凝土质量评价的定量指标，分别为射线密度、射线正交性、平均波速、波速离散度和合格率面积比，它们为实际工程检测提供了数据处理依据。探讨了混凝土内部钢筋，混凝土龄期及混凝土表面铺装沥青层对声波层析成像检测的影响，并提出相应的解决算法；根据质量评价体系制定了混凝土检测结果表示方法，即由速度分布云图、速度分布直方图和强度分布云图组成的综合评价体系。
（3）依托实际检测工程，对两座混凝土结构的桥梁运用声波层析成像技术对混凝土密实度和强度分布情况，验证了声波层析成像技术在工程检测中的优越性，同时证实混凝土质量评价体系的系统性、全面性。
参考文献（略）