钢桥面铺装脱层开裂病害冲击响应强度评价方法研究

2020-12-08王海君王东宏冯少孔

公路交通科技 2020年11期

王海君，陈峰，胡杰，王东宏，冯少孔

(1. 广州市高速公路有限公司，广东广州 510700；2. 江苏筑升土木工程科技有限公司，江苏南通 226000； 3. 广州快速交通建设有限公司，广东广州 510640；4. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

0 引言

公路桥梁是高速公路的关键枢纽和节点工程，是道路的重要组成部分。随着经济体量、设计水平和施工技术等的不断发展，我国公路桥梁已突破80万座，桥梁工程在建设规模、科技水平已经跻身世界先进行列[1]。

大跨径桥梁大都采用自重较轻、经济性好的正交异性钢箱梁桥面板。钢桥面铺装是大跨径钢桥的重要附属设施，能够抵御化学侵蚀、雨水等环境作用对桥面板的腐蚀，并提高结构耐久性能，应具有较好的抗磨耗性和抗剪切变形能力[2]。钢桥面铺装是桥梁结构性能和使用功能的第一道防线，是大跨径钢桥建设的关键技术之一，受到广泛关注。

我国钢桥面铺装的研究与工程应用，经历了3个阶段，目前形成了浇注式沥青混凝土(GA)、改性沥青(SMA)和环氧沥青混凝土(EA)3大铺装体系[3]。浇注式沥青混凝土的矿粉含量、沥青含量、拌和温度均较高，具有密水性好、耐久性优、整体性强，以及与桥面板随从性好等特点，是大跨度钢桥面理想的铺装材料[4]。改性沥青是在GA的基础上发展而来的铺装体系，其性能较为全面，包括良好的高温抗车辙、低温抗裂、耐疲劳和水稳定性等[5]。环氧沥青混凝土是由环氧树脂与固化剂反应后，与沥青、增容剂等助剂固化后形成的热固性材料，具有优越的力学性能和路用性能，在钢桥面铺装中极具竞争力[6]。

钢桥面铺装层受力与变形状态较为复杂，主要表现为：桥面顶板薄，在强风、车辆荷载等作用下产生振动、冲击作用，影响铺装层的工作状态；桥面顶板布置加劲肋、纵横向隔板等部位，铺装层易产生负弯矩，出现较大拉应力和拉应变；铺装层的受力状态受温度变化影响[3,7]。因此，铺装层的结构特点和材料性能，是其出现病害的内因，而交通荷载、风荷载和温度荷载，以及施工技术水平等是外因。上述成因导致钢桥面铺装在服役过程中，逐步出现疲劳开裂、低温开裂、黏结层失效或脱层等结构性破坏，以及车辙、推移、隆胀和光滑等功能性破坏[5, 8]。

我国首次将环氧沥青混凝土铺装体系，应用在南京长江二桥，随后应用在润扬长江大桥、苏通大桥、黄埔大桥等20余座大跨径钢桥中，铺装设计施工成套技术不断完善[2]。该铺装体系在我国应用已近20年，服役期的病害调查发现，鼓包、开裂、坑槽和脱层是典型病害[3]。

脱层开裂是环氧沥青铺装的主要病害，一般出现在钢板表面，具有分布随机、界限分明、不规则、面积大等特点[2-8]。当水、空气通过微裂缝进入铺装后，在行车荷载作用下，向行车方向和两侧急速挤压、碰撞和冲击。同时，环氧富锌漆被氧化，钢板发生锈蚀，黏结层逐渐失效，发生剪切破坏和相对推移，出现脱层并不断扩展，继而导致铺装混合料发生大规模推移、开裂病害[2-3]。此时，铺装层的拉应力，以及与钢板界面层的剪应力、拉应力将显著增大，极端情况下是完好状态的3倍以上[9]。因此，准确定位脱层开裂病害的位置、分布状态，为铺装层的病害处治提供技术支持，提高处治效果和效率，降低处治成本，是钢桥面管理养护的重要内容。

目前，铺装层脱层开裂病害的无损检测方法主要有目测法、链拖法、探地雷达法、冲击回波法和红外热成像法[10]。但受制于检测技术与应用场景的局限性，上述方法存在主观因素影响大、可靠性不足、准确度不高、异常信息识别离散性大，以及结果展示不够直观等问题，且较难在路面病害出现之前，对隐性病害进行预防性检测。

本研究采用冲击映像法，开展钢桥面铺装层脱层开裂病害的评价方法研究。其一，基于近源弹性波场在层状介质中的传播特性，利用三维有限元数值计算，研究脱层开裂对波场的放大效应，明确检测方法的适用性和可靠性。其二，通过反演计算获得的冲击响应强度指标，结合病害分布形态和尺寸，对其影响程度进行分级评价。

1 近源弹性波场的传播特性

采用Abaqus有限元软件，建立典型双层环氧沥青铺装的三维有限元模型，并设置多个脱层开裂病害。按照冲击映像法的检测流程，模拟激振工况，通过数值求解计算模型的波动方程，分析近源弹性波场的响应特性。同时，建立病害与冲击响应强度的对应关系，并对脱层开裂与否进行判定，为工程应用提供理论指导和分析依据。

1.1 三维有限元模型

在实际正交异性钢桥面中，加劲肋与钢板连接处存在刚度畸变，当双轮荷载对称作用在纵向加劲肋两侧时，铺装层产生较大局部拉应力与弯曲变形，并在最不利荷载位置出现裂缝等病害[7, 11]。本研究的重点是钢桥面与铺装层之间的贴合状态问题，因此暂不考虑加劲肋的影响。建立三维有限元模型，平面尺寸为：长×宽=7.5 m×3.75 m。模型共分为3层：上面两层为环氧沥青铺装层，厚度均为30 mm，下层为桥面板，如图1所示。

图1 模型设置(单位：m)Fig.1 Model setting (unit: m)

按照典型交通流的横向分布规律，以及铺装层的局部应力效应，局部变形与脱层开裂病害主要位于轮迹带区域，且多出现在铺装层与钢板之间[2, 12-13]。因此，模型中的两处病害区，均设置在下层环氧沥青与钢板之间，且一处跨越轮迹带。病害区域①尺寸为：长×宽=4.0 m×1.5 m，病害区域②尺寸为：长×宽=1.0 m×1.0 m，高度均为10 mm。

综合考虑计算精度、计算效率等因素，模型网格尺寸为10 cm，共7 020个单元，8 556个节点，如图2所示。同时，模型四侧和下方设置无限元边界，削弱边界效应的影响，减少所采集波形中的噪音成分。

图2 三维有限元模型(单位：m)Fig.2 Three-dimensional finite element model (unit: m)

1.2 参数设计

根据黄埔大桥环氧沥青铺装结构，材料的密度和力学参数如表1所示[2]。为考虑数值计算收敛性等问题，脱层开裂病害采用软淤泥填充。表中，ρ为介质密度，E为弹性模量，μ为泊松比。

表1 材料参数Tab.1 Material parameters

采用雷克子波作为输入震源，施加方向为沿铺装层法向。雷克子波波形简单，收敛快，延时短，且频带较宽、峰值频率较高，符合作为输入震源的要求[14]。震源采样频率为1.0 kHz，采样间隔5.0×10-5s，持续时间2×10-3s，固有频率1.0 kHz，震源加速度时程曲线如图3所示，震源频谱曲线如图4所示。

图3 震源加速度时程曲线Fig.3 Acceleration time-history curve of input source

图4 震源频谱曲线Fig.4 Spectrum curve of input source

1.3 近源波场响应特性

图5 瞬时速度分布云图(单位：m/s)Fig.5 Nephograms of instantaneous velocity distribution(unit:m/s)

环氧沥青混凝土铺装，是典型的层状结构，脱层开裂病害检测，可简化为层状介质的内部缺陷检测问题。基于弹性波传播理论，输入震源产生的弹性波场，从激发点开始，呈半球面传播，并在界面处产生反射、折射等转换，形成多次反射波[15]。介质表面接收到的弹性波，是由层状结构各个界面的反射波和转换波，相互影响、叠加得到的，难以获得解析解[16]。因此，采用数值模拟的方法，研究近源弹性波场的响应特性，及介质内部缺陷对其的影响，是一种有效的手段。

选取3个典型工况进行分析。工况1：A点位于病害区域①内，坐标(2.0, 2.0)；工况2：B点位于病害区域②内，坐标(6.4, 1.5)；工况3：C点位于其他区域，坐标(2.0, 3.25)。3个工况在0.4，0.8，1.2，2 ms的速度分布云图，如图5所示。

在工况1和工况2中，输入震源位于病害区域内(A点、B点)，由于病害边界效应的影响，波场在边界处发生了强烈的反射、折射和转换，接收到波形的振幅较大、持时较长；而在工况3中(C点)，弹性波传播能量逐渐消散，振幅逐渐减小、持时较短。

将3个工况的响应波形罗列在一起，如图6所示。病害区响应波形的能量和持时，显著高于非病害区，且病害区面积越大，差异越显著。

图6 各工况响应波形Fig.6 Response waveform of each case

1.4 评价指标与方法

当激发点与接收点距离很近，即在近源波场范围内，面波、体波，及其直达波和反射波尚未分离时，无法采用反射法对波形进行分离与分析[15]。由于铺装层与钢板间的脱层开裂病害，是典型的薄层效应问题，接收到弹性波的各个频率成分，均是对层状结构内部缺陷的响应，具有特定的工程意义，因而可直接利用波形的特征进行病害分析[15-18]。

按照现场检测流程，沿纵向逐点进行激发和接收，获得各测点的响应波形，测点间距和偏移距均为0.1 m。同时，计算响应波形振幅的绝对值之和，定义为冲击响应强度I。该参数是接收到弹性波的能量函数，其数值的大小是对内部缺陷的综合反映[18]。通过归一化处理后，绘制二维可视化云图，如图7所示。

图7 二维冲击响应强度分布云图Fig.7 Nephogram of 2D impact response strength distribution

由图可知，冲击响应强度数值较大的区域与预设病害的位置具有较好的一致性。病害区域①的冲击响应强度大于病害区域②，且与非病害区域的数值差异更为显著。同时，当激发点与接收点横跨病害边界时，近源波场的传播更为复杂，指标对病害区边界的刻画存在模糊区，对病害的判定有一定难度[15]。病害区域②边界设置为正方形，云图显示存在1～2个偏移距的偏差，而区域①则更为精确，表明病害面积越大，冲击响应强度对病害位置和分布形态的描述越精确。

病害调查可知，脱层开裂病害边缘的铺装层黏结牢固，存在明显的界限[2]。因此，将冲击响应强度，分为密实和脱层开裂两个等级，以进行脱层与否的判定。具体为：当02.4时，判定为脱层开裂。

2 工程应用

广州珠江黄埔大桥，全长7 016.5 m，为双向六车道高速公路桥，设计时速100 km/h。自2008年建成通车以来，大桥交通流量逐渐增大，桥面铺装陆续出现了鼓包、裂缝、坑槽等病害。

钢桥面采用典型双层环氧铺装结构，具体为：防腐层(环氧富锌漆)、防水黏结层(环氧黏结剂，用量0.78 L/m2)、铺装下层(环氧沥青混凝土EA10，厚30 mm)、黏层(环氧黏结剂，用量0.45 L/m2)和铺装面层(环氧沥青混凝土EA10，厚30 mm)[5]。

2.1 数据采集

检测区域为东半幅路慢车道，长17.5 m，宽3.2 m，桩号K47+432 ～ K47+449.5。其中K47+442～K47+449.5段，已局部挖除破损铺装并重新摊铺。采用冲击映像法，对已维修铺装周边区域进行检测，共布置测线33条，如图8所示。测点纵、横向间距为0.15 m，偏移距0.15 m，测点总数1 950个，采样间隔设置为20.833 μs，记录长度0.5 s，以保证原始数据精度。

2.2 数据处理

冲击映像法的数据处理与分析，主要有预处理、波形处理、响应能量分析和可视化成像处理等步骤[14]。

(1)预处理：包括提取有效数据、添加位置坐标信息等。

(2)波形处理：包括时窗切除、频率滤波等，将外界干扰信号剔除，并按测线抽取共偏移距道集，形成纵向排列。

(3)响应能量分析：包括响应能量提取与归一化处理。其中，归一化处理是将各点的响应能量与全部测点的平均值做商，以消除锤击力度等人为因素，以及铺装表面平整度等外界因素的干扰。

(4)可视化成像处理：将各测点的响应能量，按照理论分析获得的评价指标，以不同颜色对其进行分级，形成二维可视化云图。

2.3 指标分级

脱层开裂区域的连续性，对铺装体系受力状态的影响显著。当区域连续时，铺装层拉应力、界面剪应力和拉应力将显著增大；当区域不连续，单块脱层区域的宽度小于10 cm时，对铺装体系的受力状态影响较小[9]。

工程应用中，需将数值计算、病害分析相结合，从理论分析和病害分布规律两方面，精确识别、判定和描述病害。因此，基于数值模拟结果，结合病害的分布形态、尺寸和冲击响应强度实测值，将病害的影响程度分为3级，如表2所示。

表2 脱层开裂病害的影响程度Tab.2 Influence degrees of delamination cracking disease

2.4 结果分析

经流程化的数据处理，根据分级后的指标，获得具备评价意义的二维可视化云图，如图9所示。

图9 冲击响应强度分布云图Fig.9 Nephogram of impact response strength distribution

由图可知，检测区域轮迹带位置，冲击响应强度显著高于其他区域，与典型病害的分布位置一致。同时，测线7.5～18 m段，指标数值整体较小，仅两处单点状脱层，影响程度为轻度；测线0～7.5 m段，横向1.5～2.0 m范围内，出现两处块状脱层，影响程度为中度；测线0～7.5 m段，横向2.3～2.8 m 范围内，出现多处连续块状脱层，影响程度为重度。