公路交通科技  2020, Vol. 37 Issue (11): 49−55

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王海君, 陈峰, 胡杰, 王东宏, 冯少孔
WANG Hai-jun, CHEN Feng, HU Jie, WANG Dong-hong, FENG Shao-kong
钢桥面铺装脱层开裂病害冲击响应强度评价方法研究
Study on Evaluation Method of Impact Response Strength in Delamination Cracking of Steel Deck Pavement
公路交通科技, 2020, 37(11): 49-55
Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2020, 37(11): 49-55
10.3969/j.issn.1002-0268.2020.11.007

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收稿日期: 2019-11-06
钢桥面铺装脱层开裂病害冲击响应强度评价方法研究
王海君1 , 陈峰2 , 胡杰3 , 王东宏2 , 冯少孔4     
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
摘要: 采用数值模拟与现场测试相结合的方法,对钢桥面铺装脱层开裂病害的评价方法与影响程度开展研究。建立环氧沥青铺装体系的三维有限元模型,在下层环氧沥青与钢板间设置两处面积不一的病害区,以研究弹性波场在脱层开裂病害下的响应特性。采用冲击响应强度I为指标,对病害进行数值化描述。结果表明:波场在病害边界处发生了强烈的反射、折射和转换,波形振幅较大、持时较长,病害对响应能量具有较强的放大效应,且病害面积越大,指标对其分布形态和位置的描述越精确。将指标I分为密实和脱层开裂两个等级,当0 < I < 2.4时,判定为密实;当I>2.4时,判定为脱层开裂。同时,开展了黄埔大桥钢桥面的现场测试,并结合病害的分布形态、尺寸,将病害的影响程度分为轻度、中度和重度3级。当病害为单点状、宽度 < 10 cm,且2.4 < I < 2.8时,影响程度定为轻度;当病害为局部块状、宽度>10 cm,且I>2.8时,影响程度定为中度;当病害为连续块状、宽度>10 cm,且I>2.8时,影响程度定为重度。研究结果论证了检测方法和评价指标I的适用性,并初步建立了脱层开裂病害影响程度的分级评价指标,为病害检测与评价提供了参考。
关键词: 桥梁工程     评价方法     冲击响应强度     脱层开裂     环氧沥青桥面铺装    
Study on Evaluation Method of Impact Response Strength in Delamination Cracking of Steel Deck Pavement
WANG Hai-jun1, CHEN Feng2, HU Jie3, WANG Dong-hong2, FENG Shao-kong4    
1. Guangzhou Expressway Co. Ltd., Guangzhou Guangdong 510700, China;
2. Jiangsu Zhusheng Civil Engineering Technology Co., Ltd., Nantong Jiangsu 226000, China;
3. Guangzhou Rapid Traffic Construction Co. Ltd., Guangzhou Guangdong 510640, China;
4. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China
Abstract: Combining numerical simulation with field test, the evaluation method and the influence degree of delamination cracking in steel deck pavement are researched. Through establishing the 3D finite element model of epoxy asphalt pavement, 2 diseased areas with different areas are set up between the lower epoxy asphalt and the steel deck to study the response characteristics of the elastic wave field in delamination cracking. The disease is described numerically by using the indicator I, which is defined as impact response strength. The result shows that (1) The wave field appears a strong reflection, refraction and transformation in the boundaries of the disease. The waveform amplitude and the duration are longer, which means the disease has a strong amplification effect on response energy of the elastic wave. The larger the disease area, the more accurate the indicator description of the distribution pattern and location. (2) The indicator I is divided into 2 grades, which is dense and delaminating crack. When 0 < I < 2.4, it is judged as dense; when I>2.4, it is judged as delamination cracking. At the same time, a field test on the steel deck of the Huangpu Bridge is carried out, and the influence of the disease is divided into 3 levels (mild, moderate and severe) combining with the distribution pattern and size of the disease. When the disease shows as single point, the width less than 10 cm, and 2.4 < I < 2.8, the influence degree is mild. When the disease shows as local block, the width larger than 10 cm, and I>2.8, the influence degree is moderate. When the disease is distributed continuously, the width larger than 10 cm, and I>2.8, the influence degree is severe. The result demonstrated the applicability of the detection method and the evaluation indicator I, and initially established a graded evaluation indicator for the influence of the delamination cracking disease, which provides a reference for disease detection and evaluation.
Key words: bridge engineering     evaluation method     impact response strength     delamination cracking     epoxy asphalt deck pavement    
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
介质 ρ/(kg·m-3) E/GPa μ
环氧沥青 2 400 5.0 0.25
钢桥面 7 900 210 0.30
脱层开裂病害 1 100 0.001 0.45

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5.0×10-5 s,持续时间2×10-3 s,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

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。

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

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0<I<2.4时,判定为密实;当I>2.4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。

图 8 检测区域示意图(单位:m) Fig. 8 Schematic diagram of detection area (unit: m)

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
分布形态 尺寸/cm 评价指标I 影响程度
单点状 宽度 < 10 2.4 < I < 2.8 轻度
局部块状 宽度>10 I>2.8 中度
连续块状 宽度>10 I>2.8 重度

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。

3 结论

(1)  建立脱层开裂病害的三维有限元模型,对比3个典型工况,表明病害对响应能量具有较强的放大效应,且病害面积越大,冲击响应强度指标对其的刻画越准确。

(2)  当冲击响应强度0 < I < 2.4时,可判定为密实;当I>2.4时,可判定为脱层开裂。同时,初步建立了基于病害分布形态、尺寸和冲击响应强度指标的评价标准,将其影响程度分为轻度、中度和重度3级。

(3)  冲击映像法具有可视化展示、数值化评价的优点,研究结果为工程应用提供了参考。同时,病害分级标准,需进一步基于病害调查、数理统计与大量实测数据,并结合钢桥面的结构形式与现行规范,以形成更加科学、完善的体系,为钢桥面铺装的病害调查、日常养护,以及维修方案的制定与实施,提供基础数据和评价依据。

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