鋼橋面鋪裝脫層開裂病害沖擊響應(yīng)強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法研究

王海君，陳 峰，胡 杰，王東宏，馮少孔

(1. 廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510700；2. 江蘇筑升土木工程科技有限公司，江蘇 南通 226000； 3. 廣州快速交通建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510640；4. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

公路橋梁是高速公路的關(guān)鍵樞紐和節(jié)點(diǎn)工程，是道路的重要組成部分。隨著經(jīng)濟(jì)體量、設(shè)計(jì)水平和施工技術(shù)等的不斷發(fā)展，我國(guó)公路橋梁已突破80萬(wàn)座，橋梁工程在建設(shè)規(guī)模、科技水平已經(jīng)躋身世界先進(jìn)行列[1]。

大跨徑橋梁大都采用自重較輕、經(jīng)濟(jì)性好的正交異性鋼箱梁橋面板。鋼橋面鋪裝是大跨徑鋼橋的重要附屬設(shè)施，能夠抵御化學(xué)侵蝕、雨水等環(huán)境作用對(duì)橋面板的腐蝕，并提高結(jié)構(gòu)耐久性能，應(yīng)具有較好的抗磨耗性和抗剪切變形能力[2]。鋼橋面鋪裝是橋梁結(jié)構(gòu)性能和使用功能的第一道防線，是大跨徑鋼橋建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，受到廣泛關(guān)注。

我國(guó)鋼橋面鋪裝的研究與工程應(yīng)用，經(jīng)歷了3個(gè)階段，目前形成了澆注式瀝青混凝土(GA)、改性瀝青(SMA)和環(huán)氧瀝青混凝土(EA)3大鋪裝體系[3]。澆注式瀝青混凝土的礦粉含量、瀝青含量、拌和溫度均較高，具有密水性好、耐久性優(yōu)、整體性強(qiáng)，以及與橋面板隨從性好等特點(diǎn)，是大跨度鋼橋面理想的鋪裝材料[4]。改性瀝青是在GA的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的鋪裝體系，其性能較為全面，包括良好的高溫抗車轍、低溫抗裂、耐疲勞和水穩(wěn)定性等[5]。環(huán)氧瀝青混凝土是由環(huán)氧樹脂與固化劑反應(yīng)后，與瀝青、增容劑等助劑固化后形成的熱固性材料，具有優(yōu)越的力學(xué)性能和路用性能，在鋼橋面鋪裝中極具競(jìng)爭(zhēng)力[6]。

鋼橋面鋪裝層受力與變形狀態(tài)較為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為：橋面頂板薄，在強(qiáng)風(fēng)、車輛荷載等作用下產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊作用，影響鋪裝層的工作狀態(tài)；橋面頂板布置加勁肋、縱橫向隔板等部位，鋪裝層易產(chǎn)生負(fù)彎矩，出現(xiàn)較大拉應(yīng)力和拉應(yīng)變；鋪裝層的受力狀態(tài)受溫度變化影響[3,7]。因此，鋪裝層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材料性能，是其出現(xiàn)病害的內(nèi)因，而交通荷載、風(fēng)荷載和溫度荷載，以及施工技術(shù)水平等是外因。上述成因?qū)е落摌蛎驿佈b在服役過(guò)程中，逐步出現(xiàn)疲勞開裂、低溫開裂、黏結(jié)層失效或脫層等結(jié)構(gòu)性破壞，以及車轍、推移、隆脹和光滑等功能性破壞[5, 8]。

我國(guó)首次將環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝體系，應(yīng)用在南京長(zhǎng)江二橋，隨后應(yīng)用在潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋、蘇通大橋、黃埔大橋等20余座大跨徑鋼橋中，鋪裝設(shè)計(jì)施工成套技術(shù)不斷完善[2]。該鋪裝體系在我國(guó)應(yīng)用已近20年，服役期的病害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鼓包、開裂、坑槽和脫層是典型病害[3]。

脫層開裂是環(huán)氧瀝青鋪裝的主要病害，一般出現(xiàn)在鋼板表面，具有分布隨機(jī)、界限分明、不規(guī)則、面積大等特點(diǎn)[2-8]。當(dāng)水、空氣通過(guò)微裂縫進(jìn)入鋪裝后，在行車荷載作用下，向行車方向和兩側(cè)急速擠壓、碰撞和沖擊。同時(shí)，環(huán)氧富鋅漆被氧化，鋼板發(fā)生銹蝕，黏結(jié)層逐漸失效，發(fā)生剪切破壞和相對(duì)推移，出現(xiàn)脫層并不斷擴(kuò)展，繼而導(dǎo)致鋪裝混合料發(fā)生大規(guī)模推移、開裂病害[2-3]。此時(shí)，鋪裝層的拉應(yīng)力，以及與鋼板界面層的剪應(yīng)力、拉應(yīng)力將顯著增大，極端情況下是完好狀態(tài)的3倍以上[9]。因此，準(zhǔn)確定位脫層開裂病害的位置、分布狀態(tài)，為鋪裝層的病害處治提供技術(shù)支持，提高處治效果和效率，降低處治成本，是鋼橋面管理養(yǎng)護(hù)的重要內(nèi)容。

目前，鋪裝層脫層開裂病害的無(wú)損檢測(cè)方法主要有目測(cè)法、鏈拖法、探地雷達(dá)法、沖擊回波法和紅外熱成像法[10]。但受制于檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用場(chǎng)景的局限性，上述方法存在主觀因素影響大、可靠性不足、準(zhǔn)確度不高、異常信息識(shí)別離散性大，以及結(jié)果展示不夠直觀等問(wèn)題，且較難在路面病害出現(xiàn)之前，對(duì)隱性病害進(jìn)行預(yù)防性檢測(cè)。

本研究采用沖擊映像法，開展鋼橋面鋪裝層脫層開裂病害的評(píng)價(jià)方法研究。其一，基于近源彈性波場(chǎng)在層狀介質(zhì)中的傳播特性，利用三維有限元數(shù)值計(jì)算，研究脫層開裂對(duì)波場(chǎng)的放大效應(yīng)，明確檢測(cè)方法的適用性和可靠性。其二，通過(guò)反演計(jì)算獲得的沖擊響應(yīng)強(qiáng)度指標(biāo)，結(jié)合病害分布形態(tài)和尺寸，對(duì)其影響程度進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)。

1 近源彈性波場(chǎng)的傳播特性

采用Abaqus有限元軟件，建立典型雙層環(huán)氧瀝青鋪裝的三維有限元模型，并設(shè)置多個(gè)脫層開裂病害。按照沖擊映像法的檢測(cè)流程，模擬激振工況，通過(guò)數(shù)值求解計(jì)算模型的波動(dòng)方程，分析近源彈性波場(chǎng)的響應(yīng)特性。同時(shí)，建立病害與沖擊響應(yīng)強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并對(duì)脫層開裂與否進(jìn)行判定，為工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和分析依據(jù)。

1.1 三維有限元模型

在實(shí)際正交異性鋼橋面中，加勁肋與鋼板連接處存在剛度畸變，當(dāng)雙輪荷載對(duì)稱作用在縱向加勁肋兩側(cè)時(shí)，鋪裝層產(chǎn)生較大局部拉應(yīng)力與彎曲變形，并在最不利荷載位置出現(xiàn)裂縫等病害[7, 11]。本研究的重點(diǎn)是鋼橋面與鋪裝層之間的貼合狀態(tài)問(wèn)題，因此暫不考慮加勁肋的影響。建立三維有限元模型，平面尺寸為：長(zhǎng)×寬=7.5 m×3.75 m。模型共分為3層：上面兩層為環(huán)氧瀝青鋪裝層，厚度均為30 mm，下層為橋面板，如圖1所示。

圖1 模型設(shè)置(單位：m)Fig.1 Model setting (unit: m)

按照典型交通流的橫向分布規(guī)律，以及鋪裝層的局部應(yīng)力效應(yīng)，局部變形與脫層開裂病害主要位于輪跡帶區(qū)域，且多出現(xiàn)在鋪裝層與鋼板之間[2, 12-13]。因此，模型中的兩處病害區(qū)，均設(shè)置在下層環(huán)氧瀝青與鋼板之間，且一處跨越輪跡帶。病害區(qū)域①尺寸為：長(zhǎng)×寬=4.0 m×1.5 m，病害區(qū)域②尺寸為：長(zhǎng)×寬=1.0 m×1.0 m，高度均為10 mm。

綜合考慮計(jì)算精度、計(jì)算效率等因素，模型網(wǎng)格尺寸為10 cm，共7 020個(gè)單元，8 556個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。同時(shí)，模型四側(cè)和下方設(shè)置無(wú)限元邊界，削弱邊界效應(yīng)的影響，減少所采集波形中的噪音成分。

圖2 三維有限元模型(單位：m)Fig.2 Three-dimensional finite element model (unit: m)

1.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)黃埔大橋環(huán)氧瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)，材料的密度和力學(xué)參數(shù)如表1所示[2]。為考慮數(shù)值計(jì)算收斂性等問(wèn)題，脫層開裂病害采用軟淤泥填充。表中，ρ為介質(zhì)密度，E為彈性模量，μ為泊松比。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

采用雷克子波作為輸入震源，施加方向?yàn)檠劁佈b層法向。雷克子波波形簡(jiǎn)單，收斂快，延時(shí)短，且頻帶較寬、峰值頻率較高，符合作為輸入震源的要求[14]。震源采樣頻率為1.0 kHz，采樣間隔5.0×10-5s，持續(xù)時(shí)間2×10-3s，固有頻率1.0 kHz，震源加速度時(shí)程曲線如圖3所示，震源頻譜曲線如圖4所示。

圖3 震源加速度時(shí)程曲線Fig.3 Acceleration time-history curve of input source

圖4 震源頻譜曲線Fig.4 Spectrum curve of input source

1.3 近源波場(chǎng)響應(yīng)特性

圖5 瞬時(shí)速度分布云圖(單位：m/s)Fig.5 Nephograms of instantaneous velocity distribution(unit:m/s)

環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝，是典型的層狀結(jié)構(gòu)，脫層開裂病害檢測(cè)，可簡(jiǎn)化為層狀介質(zhì)的內(nèi)部缺陷檢測(cè)問(wèn)題。基于彈性波傳播理論，輸入震源產(chǎn)生的彈性波場(chǎng)，從激發(fā)點(diǎn)開始，呈半球面?zhèn)鞑ィ⒃诮缑嫣幃a(chǎn)生反射、折射等轉(zhuǎn)換，形成多次反射波[15]。介質(zhì)表面接收到的彈性波，是由層狀結(jié)構(gòu)各個(gè)界面的反射波和轉(zhuǎn)換波，相互影響、疊加得到的，難以獲得解析解[16]。因此，采用數(shù)值模擬的方法，研究近源彈性波場(chǎng)的響應(yīng)特性，及介質(zhì)內(nèi)部缺陷對(duì)其的影響，是一種有效的手段。

選取3個(gè)典型工況進(jìn)行分析。工況1：A點(diǎn)位于病害區(qū)域①內(nèi)，坐標(biāo)(2.0, 2.0)；工況2：B點(diǎn)位于病害區(qū)域②內(nèi)，坐標(biāo)(6.4, 1.5)；工況3：C點(diǎn)位于其他區(qū)域，坐標(biāo)(2.0, 3.25)。3個(gè)工況在0.4，0.8，1.2，2 ms的速度分布云圖，如圖5所示。

在工況1和工況2中，輸入震源位于病害區(qū)域內(nèi)(A點(diǎn)、B點(diǎn))，由于病害邊界效應(yīng)的影響，波場(chǎng)在邊界處發(fā)生了強(qiáng)烈的反射、折射和轉(zhuǎn)換，接收到波形的振幅較大、持時(shí)較長(zhǎng)；而在工況3中(C點(diǎn))，彈性波傳播能量逐漸消散，振幅逐漸減小、持時(shí)較短。

將3個(gè)工況的響應(yīng)波形羅列在一起，如圖6所示。病害區(qū)響應(yīng)波形的能量和持時(shí)，顯著高于非病害區(qū)，且病害區(qū)面積越大，差異越顯著。

圖6 各工況響應(yīng)波形Fig.6 Response waveform of each case

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法

當(dāng)激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)距離很近，即在近源波場(chǎng)范圍內(nèi)，面波、體波，及其直達(dá)波和反射波尚未分離時(shí)，無(wú)法采用反射法對(duì)波形進(jìn)行分離與分析[15]。由于鋪裝層與鋼板間的脫層開裂病害，是典型的薄層效應(yīng)問(wèn)題，接收到彈性波的各個(gè)頻率成分，均是對(duì)層狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的響應(yīng)，具有特定的工程意義，因而可直接利用波形的特征進(jìn)行病害分析[15-18]。

按照現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)流程，沿縱向逐點(diǎn)進(jìn)行激發(fā)和接收，獲得各測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)波形，測(cè)點(diǎn)間距和偏移距均為0.1 m。同時(shí)，計(jì)算響應(yīng)波形振幅的絕對(duì)值之和，定義為沖擊響應(yīng)強(qiáng)度I。該參數(shù)是接收到彈性波的能量函數(shù)，其數(shù)值的大小是對(duì)內(nèi)部缺陷的綜合反映[18]。通過(guò)歸一化處理后，繪制二維可視化云圖，如圖7所示。

圖7 二維沖擊響應(yīng)強(qiáng)度分布云圖Fig.7 Nephogram of 2D impact response strength distribution

由圖可知，沖擊響應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值較大的區(qū)域與預(yù)設(shè)病害的位置具有較好的一致性。病害區(qū)域①的沖擊響應(yīng)強(qiáng)度大于病害區(qū)域②，且與非病害區(qū)域的數(shù)值差異更為顯著。同時(shí)，當(dāng)激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)橫跨病害邊界時(shí)，近源波場(chǎng)的傳播更為復(fù)雜，指標(biāo)對(duì)病害區(qū)邊界的刻畫存在模糊區(qū)，對(duì)病害的判定有一定難度[15]。病害區(qū)域②邊界設(shè)置為正方形，云圖顯示存在1～2個(gè)偏移距的偏差，而區(qū)域①則更為精確，表明病害面積越大，沖擊響應(yīng)強(qiáng)度對(duì)病害位置和分布形態(tài)的描述越精確。

病害調(diào)查可知，脫層開裂病害邊緣的鋪裝層黏結(jié)牢固，存在明顯的界限[2]。因此，將沖擊響應(yīng)強(qiáng)度，分為密實(shí)和脫層開裂兩個(gè)等級(jí)，以進(jìn)行脫層與否的判定。具體為：當(dāng)02.4時(shí)，判定為脫層開裂。

2 工程應(yīng)用

廣州珠江黃埔大橋，全長(zhǎng)7 016.5 m，為雙向六車道高速公路橋，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h。自2008年建成通車以來(lái)，大橋交通流量逐漸增大，橋面鋪裝陸續(xù)出現(xiàn)了鼓包、裂縫、坑槽等病害。

鋼橋面采用典型雙層環(huán)氧鋪裝結(jié)構(gòu)，具體為：防腐層(環(huán)氧富鋅漆)、防水黏結(jié)層(環(huán)氧黏結(jié)劑，用量0.78 L/m2)、鋪裝下層(環(huán)氧瀝青混凝土EA10，厚30 mm)、黏層(環(huán)氧黏結(jié)劑，用量0.45 L/m2)和鋪裝面層(環(huán)氧瀝青混凝土EA10，厚30 mm)[5]。

2.1 數(shù)據(jù)采集

檢測(cè)區(qū)域?yàn)闁|半幅路慢車道，長(zhǎng)17.5 m，寬3.2 m，樁號(hào)K47+432 ～ K47+449.5。其中K47+442～K47+449.5段，已局部挖除破損鋪裝并重新攤鋪。采用沖擊映像法，對(duì)已維修鋪裝周邊區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，共布置測(cè)線33條，如圖8所示。測(cè)點(diǎn)縱、橫向間距為0.15 m，偏移距0.15 m，測(cè)點(diǎn)總數(shù)1 950個(gè)，采樣間隔設(shè)置為20.833 μs，記錄長(zhǎng)度0.5 s，以保證原始數(shù)據(jù)精度。

2.2 數(shù)據(jù)處理

沖擊映像法的數(shù)據(jù)處理與分析，主要有預(yù)處理、波形處理、響應(yīng)能量分析和可視化成像處理等步驟[14]。

(1)預(yù)處理：包括提取有效數(shù)據(jù)、添加位置坐標(biāo)信息等。

(2)波形處理：包括時(shí)窗切除、頻率濾波等，將外界干擾信號(hào)剔除，并按測(cè)線抽取共偏移距道集，形成縱向排列。

(3)響應(yīng)能量分析：包括響應(yīng)能量提取與歸一化處理。其中，歸一化處理是將各點(diǎn)的響應(yīng)能量與全部測(cè)點(diǎn)的平均值做商，以消除錘擊力度等人為因素，以及鋪裝表面平整度等外界因素的干擾。

(4)可視化成像處理：將各測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)能量，按照理論分析獲得的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以不同顏色對(duì)其進(jìn)行分級(jí)，形成二維可視化云圖。

2.3 指標(biāo)分級(jí)

脫層開裂區(qū)域的連續(xù)性，對(duì)鋪裝體系受力狀態(tài)的影響顯著。當(dāng)區(qū)域連續(xù)時(shí)，鋪裝層拉應(yīng)力、界面剪應(yīng)力和拉應(yīng)力將顯著增大；當(dāng)區(qū)域不連續(xù)，單塊脫層區(qū)域的寬度小于10 cm時(shí)，對(duì)鋪裝體系的受力狀態(tài)影響較小[9]。

工程應(yīng)用中，需將數(shù)值計(jì)算、病害分析相結(jié)合，從理論分析和病害分布規(guī)律兩方面，精確識(shí)別、判定和描述病害。因此，基于數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合病害的分布形態(tài)、尺寸和沖擊響應(yīng)強(qiáng)度實(shí)測(cè)值，將病害的影響程度分為3級(jí)，如表2所示。

表2 脫層開裂病害的影響程度Tab.2 Influence degrees of delamination cracking disease

2.4 結(jié)果分析

經(jīng)流程化的數(shù)據(jù)處理，根據(jù)分級(jí)后的指標(biāo)，獲得具備評(píng)價(jià)意義的二維可視化云圖，如圖9所示。

圖9 沖擊響應(yīng)強(qiáng)度分布云圖Fig.9 Nephogram of impact response strength distribution

由圖可知，檢測(cè)區(qū)域輪跡帶位置，沖擊響應(yīng)強(qiáng)度顯著高于其他區(qū)域，與典型病害的分布位置一致。同時(shí)，測(cè)線7.5～18 m段，指標(biāo)數(shù)值整體較小，僅兩處單點(diǎn)狀脫層，影響程度為輕度；測(cè)線0～7.5 m段，橫向1.5～2.0 m范圍內(nèi)，出現(xiàn)兩處塊狀脫層，影響程度為中度；測(cè)線0～7.5 m段，橫向2.3～2.8 m 范圍內(nèi)，出現(xiàn)多處連續(xù)塊狀脫層，影響程度為重度。

3 結(jié)論

(1)建立脫層開裂病害的三維有限元模型，對(duì)比3個(gè)典型工況，表明病害對(duì)響應(yīng)能量具有較強(qiáng)的放大效應(yīng)，且病害面積越大，沖擊響應(yīng)強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)其的刻畫越準(zhǔn)確。

(2)當(dāng)沖擊響應(yīng)強(qiáng)度02.4時(shí)，可判定為脫層開裂。同時(shí)，初步建立了基于病害分布形態(tài)、尺寸和沖擊響應(yīng)強(qiáng)度指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將其影響程度分為輕度、中度和重度3級(jí)。

(3)沖擊映像法具有可視化展示、數(shù)值化評(píng)價(jià)的優(yōu)點(diǎn)，研究結(jié)果為工程應(yīng)用提供了參考。同時(shí)，病害分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，需進(jìn)一步基于病害調(diào)查、數(shù)理統(tǒng)計(jì)與大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合鋼橋面的結(jié)構(gòu)形式與現(xiàn)行規(guī)范，以形成更加科學(xué)、完善的體系，為鋼橋面鋪裝的病害調(diào)查、日常養(yǎng)護(hù)，以及維修方案的制定與實(shí)施，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)依據(jù)。