鋼橋面鋪裝脫層開裂病害沖擊響應(yīng)強度評價方法研究

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 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

0 引言

公路橋梁是高速公路的關(guān)鍵樞紐和節(jié)點工程，是道路的重要組成部分。隨著經(jīng)濟體量、設(shè)計水平和施工技術(shù)等的不斷發(fā)展，我國公路橋梁已突破80萬座，橋梁工程在建設(shè)規(guī)模、科技水平已經(jīng)躋身世界先進行列[1]。

大跨徑橋梁大都采用自重較輕、經(jīng)濟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，能夠抵御化學侵蝕、雨水等環(huán)境作用對橋面板的腐蝕，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。

我國鋼橋面鋪裝的研究與工程應(yīng)用，經(jīng)歷了3個階段，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，以及與橋面板隨從性好等特點，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)越的力學性能和路用性能，在鋼橋面鋪裝中極具競爭力[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，在強風、車輛荷載等作用下產(chǎn)生振動、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)特點和材料性能，是其出現(xiàn)病害的內(nèi)因，而交通荷載、風荷載和溫度荷載，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]。

我國首次將環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝體系，應(yīng)用在南京長江二橋，隨后應(yīng)用在潤揚長江大橋、蘇通大橋、黃埔大橋等20余座大跨徑鋼橋中，鋪裝設(shè)計施工成套技術(shù)不斷完善[2]。該鋪裝體系在我國應(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、界限分明、不規(guī)則、面積大等特點[2-8]。當水、空氣通過微裂縫進入鋪裝后，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，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)生剪切破壞和相對推移，出現(xiàn)脫層并不斷擴展，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，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)護的重要內(nèi)容。

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

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價方法研究。其一，基于近源彈性波場在層狀介質(zhì)中的傳播特性，利用三維有限元數(shù)值計算，研究脫層開裂對波場的放大效應(yīng)，明確檢測方法的適用性和可靠性。其二，通過反演計算獲得的沖擊響應(yīng)強度指標，結(jié)合病害分布形態(tài)和尺寸，對其影響程度進行分級評價。

1 近源彈性波場的傳播特性

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)置多個脫層開裂病害。按照沖擊映像法的檢測流程，模擬激振工況，通過數(shù)值求解計算模型的波動方程，分析近源彈性波場的響應(yīng)特性。同時，建立病害與沖擊響應(yīng)強度的對應(yīng)關(guān)系，并對脫層開裂與否進行判定，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，當雙輪荷載對稱作用在縱向加勁肋兩側(cè)時，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]。本研究的重點是鋼橋面與鋪裝層之間的貼合狀態(tài)問題，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×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×寬=4.0 m×1.5 m，病害區(qū)域②尺寸為：長×寬=1.0 m×1.0 m，高度均為10 mm。

綜合考慮計算精度、計算效率等因素，模型網(wǎng)格尺寸為10 cm，共7 020個單元，8 556個節(jié)點，如圖2所示。同時，模型四側(cè)和下方設(shè)置無限元邊界，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

根據(jù)黃埔大橋環(huán)氧瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)，材料的密度和力學參數(shù)如表1所示[2]。為考慮數(shù)值計算收斂性等問題，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，施加方向為沿鋪裝層法向。雷克子波波形簡單，收斂快，延時短，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)時間2×10-3s，固有頻率1.0 kHz，震源加速度時程曲線如圖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 近源波場響應(yīng)特性

圖5 瞬時速度分布云圖(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，可簡化為層狀介質(zhì)的內(nèi)部缺陷檢測問題。基于彈性波傳播理論，輸入震源產(chǎn)生的彈性波場，從激發(fā)點開始，呈半球面?zhèn)鞑?，并在界面處產(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，研究近源彈性波場的響應(yīng)特性，及介質(zhì)內(nèi)部缺陷對其的影響，是一種有效的手段。

選取3個典型工況進行分析。工況1：A點位于病害區(qū)域①內(nèi)，坐標(2.0, 2.0)；工況2：B點位于病害區(qū)域②內(nèi)，坐標(6.4, 1.5)；工況3：C點位于其他區(qū)域，坐標(2.0, 3.25)。3個工況在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、B點)，由于病害邊界效應(yīng)的影響，波場在邊界處發(fā)生了強烈的反射、折射和轉(zhuǎn)換，接收到波形的振幅較大、持時較長；而在工況3中(C點)，彈性波傳播能量逐漸消散，振幅逐漸減小、持時較短。

將3個工況的響應(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，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 評價指標與方法

當激發(fā)點與接收點距離很近，即在近源波場范圍內(nèi)，面波、體波，及其直達波和反射波尚未分離時，無法采用反射法對波形進行分離與分析[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)問題，接收到彈性波的各個頻率成分，均是對層狀結(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行病害分析[15-18]。

按照現(xiàn)場檢測流程，沿縱向逐點進行激發(fā)和接收，獲得各測點的響應(yīng)波形，測點間距和偏移距均為0.1 m。同時，計算響應(yīng)波形振幅的絕對值之和，定義為沖擊響應(yīng)強度I。該參數(shù)是接收到彈性波的能量函數(shù)，其數(shù)值的大小是對內(nèi)部缺陷的綜合反映[18]。通過歸一化處理后，繪制二維可視化云圖，如圖7所示。

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

由圖可知，沖擊響應(yīng)強度數(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，當激發(fā)點與接收點橫跨病害邊界時，近源波場的傳播更為復(fù)雜，指標對病害區(qū)邊界的刻畫存在模糊區(qū)，對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)強度對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)強度，分為密實和脫層開裂兩個等級，以進行脫層與否的判定。具體為：當02.4時，判定為脫層開裂。

2 工程應(yīng)用

廣州珠江黃埔大橋，全長7 016.5 m，為雙向六車道高速公路橋，設(shè)計時速100 km/h。自2008年建成通車以來，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

檢測區(qū)域為東半幅路慢車道，長17.5 m，寬3.2 m，樁號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，對已維修鋪裝周邊區(qū)域進行檢測，共布置測線33條，如圖8所示。測點縱、橫向間距為0.15 m，偏移距0.15 m，測點總數(shù)1 950個，采樣間隔設(shè)置為20.833 μs，記錄長度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)、添加位置坐標信息等。

(2)波形處理：包括時窗切除、頻率濾波等，將外界干擾信號剔除，并按測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的響應(yīng)能量與全部測點的平均值做商，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：將各測點的響應(yīng)能量，按照理論分析獲得的評價指標，以不同顏色對其進行分級，形成二維可視化云圖。

2.3 指標分級

脫層開裂區(qū)域的連續(xù)性，對鋪裝體系受力狀態(tài)的影響顯著。當區(qū)域連續(xù)時，鋪裝層拉應(yīng)力、界面剪應(yīng)力和拉應(yīng)力將顯著增大；當區(qū)域不連續(xù)，單塊脫層區(qū)域的寬度小于10 cm時，對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)強度實測值，將病害的影響程度分為3級，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)分級后的指標，獲得具備評價意義的二維可視化云圖，如圖9所示。

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

由圖可知，檢測區(qū)域輪跡帶位置，沖擊響應(yīng)強度顯著高于其他區(qū)域，與典型病害的分布位置一致。同時，測線7.5～18 m段，指標數(shù)值整體較小，僅兩處單點狀脫層，影響程度為輕度；測線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，對比3個典型工況，表明病害對響應(yīng)能量具有較強的放大效應(yīng)，且病害面積越大，沖擊響應(yīng)強度指標對其的刻畫越準確。

(2)當沖擊響應(yīng)強度02.4時，可判定為脫層開裂。同時，初步建立了基于病害分布形態(tài)、尺寸和沖擊響應(yīng)強度指標的評價標準，將其影響程度分為輕度、中度和重度3級。

(3)沖擊映像法具有可視化展示、數(shù)值化評價的優(yōu)點，研究結(jié)果為工程應(yīng)用提供了參考。同時，病害分級標準，需進一步基于病害調(diào)查、數(shù)理統(tǒng)計與大量實測數(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、完善的體系，為鋼橋面鋪裝的病害調(diào)查、日常養(yǎng)護，以及維修方案的制定與實施，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和評價依據(jù)。