沖擊回波法對(duì)鋼橋面鋪裝層質(zhì)量的檢測(cè)

朱紹華

（上海材料研究所，上海 200437）

鋼橋面是指在橋面板的底面用縱肋和橫肋補(bǔ)強(qiáng)的鋼橋面板，由于其主梁、橫肋、縱肋在垂直方向互相交織，形成網(wǎng)絡(luò)狀承重結(jié)構(gòu)物，故與上部的鋼板共同稱(chēng)為正交異性鋼箱梁橋面板，普通路面結(jié)構(gòu)與鋼橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)的比較如圖1所示。鋼橋面通常作為主梁、橫肋、縱肋的組合體發(fā)揮作用，在現(xiàn)代大跨徑橋梁建設(shè)中被廣泛采用［1］。由于鋼橋面板是通過(guò)焊接固定在正交異性結(jié)構(gòu)梁和縱肋上的，且鋼橋面體系柔性大、易撓曲，故與普通水泥混凝土橋梁相比，其在車(chē)輛荷載、溫度荷載作用下的受力特點(diǎn)、變形等方面具有非常明顯的區(qū)別，即便在同一橋梁的不同部位，變形和受力的區(qū)別也非常明顯。

圖1 普通路面結(jié)構(gòu)與鋼橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)的比較

鋼橋的橋面為正交異性板結(jié)構(gòu)，鋼板的變形受縱橫加筋梁的限制、剛度差異、溫度等各方面因素影響，導(dǎo)致鋼橋面在車(chē)輛荷載的作用下，橋面不同部位產(chǎn)生的變形不同，鋪裝層在不同部位的受力不同，鋪裝的脫開(kāi)及疲勞開(kāi)裂等問(wèn)題也就比普通路面嚴(yán)重。因此，非常有必要對(duì)鋼橋面鋪裝的施工質(zhì)量及使用過(guò)程中的整體質(zhì)量狀況進(jìn)行全面的檢測(cè)和評(píng)估。然而，對(duì)鋼橋面鋪裝的檢測(cè)，長(zhǎng)期以來(lái)一直缺乏行之有效的無(wú)損檢測(cè)方法。沖擊回波法作為一種新的檢測(cè)手段，操作簡(jiǎn)便，圖形直觀(guān)，檢測(cè)效率較高。筆者基于對(duì)沖擊回波法檢測(cè)原理的分析，使用沖擊回波法對(duì)鋼橋面鋪裝層質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)對(duì)檢測(cè)典型頻譜圖的分析得到檢測(cè)結(jié)果。

1 沖擊回波檢測(cè)原理

沖擊回波在常見(jiàn)的混凝土結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，回報(bào)的波形和頻譜都具有明顯的特點(diǎn)，波形和頻譜的主要模式，尤其是頻譜中的峰值和分布很容易被識(shí)別。而混凝土中存在缺陷時(shí)，會(huì)破壞和改變這些模式，從而通過(guò)分析波形和頻譜的變化，可獲得相關(guān)缺陷的定性和定量信息［2］。因此，可以利用沖擊回波法來(lái)檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)中的缺陷。

當(dāng)應(yīng)力波在兩種材料間傳播時(shí)，部分入射波在兩種材料界面處會(huì)發(fā)生反射，反射波的幅度與入射角成函數(shù)關(guān)系，且垂直入射（入射角90°）時(shí)反射波波幅最大。垂直入射的反射系數(shù)為：

式中：Z1、Z2分別為材料1、2的聲阻抗（波速和材料密度的乘積）。

此處的兩種材料為空氣和混凝土，因?yàn)榭諝獾穆曌杩惯h(yuǎn)小于混凝土的聲阻抗（R≈1），所以，應(yīng)力波經(jīng)混凝土傳播到包含空氣的界面時(shí)，幾乎會(huì)發(fā)生完全反射。

結(jié)構(gòu)表面受到機(jī)械沖擊后，結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生包括縱波、橫波和表面波等瞬時(shí)應(yīng)力波。縱波和橫波在外邊界發(fā)生反射，反射波到達(dá)結(jié)構(gòu)表面時(shí)將引起表面位移，并被接收換能器接收。沖擊點(diǎn)附近的表面位移主要由縱波產(chǎn)生，這是由于沖擊點(diǎn)下方的縱波波幅最大，橫波波幅較小。表面波的到達(dá)會(huì)引起結(jié)構(gòu)表面的大幅度向下位移。而縱波在上、下表面之間發(fā)生多次反射，而引起一系列重復(fù)的向下位移，并且形成瞬時(shí)共振，產(chǎn)生具有周期性特征的波形。這些波形的頻譜中存在明顯的峰值，而峰值與邊界深度存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系。而時(shí)域中，反射應(yīng)力波引起的表面位移和時(shí)間構(gòu)成位移波形，對(duì)位移波形進(jìn)行分析可獲得邊界反射的信息。而分析波形時(shí)，通常使用快速傅里葉變換（FFT）法將時(shí)域波形轉(zhuǎn)化為幅度譜而獲得到達(dá)換能器的縱波的頻率。故，在已知結(jié)構(gòu)內(nèi)部縱波速度Cp的情況下，可通過(guò)下式計(jì)算外邊界的深度d：

式中：f為縱波反射FFT的主頻率，稱(chēng)為板厚頻率。

2 工程應(yīng)用案例

2.1 工程概況和檢測(cè)方案

某項(xiàng)目行車(chē)道橋面鋪裝為環(huán)氧瀝青混合料鋪裝，總厚度為5.5cm，采用雙層國(guó)產(chǎn)環(huán)氧瀝青混合料鋪裝：下面層3cm、上面層2.5cm。緊急停靠帶采用雙層澆注式瀝青混合料鋪裝：下面層厚度3.0cm、上面層厚度2.5cm。該橋鋼橋面鋪裝經(jīng)3年半時(shí)間的運(yùn)營(yíng)，路面存在局部缺陷，業(yè)主為了解整體質(zhì)量，委托筆者所在單位對(duì)橋面鋪裝質(zhì)量進(jìn)行全面檢測(cè)。考慮到檢測(cè)全部采用沖擊回波法工作量太大，故制定如下方案：先采用響錘敲擊瀝青路面進(jìn)行普查，通過(guò)回聲的主頻的不同來(lái)判斷瀝青路面是否存在缺陷；當(dāng)依據(jù)回聲主頻難以判斷時(shí)，再采用沖擊回波法進(jìn)行頻譜檢測(cè)。以下主要介紹該工程的沖擊回波法的檢測(cè)過(guò)程和結(jié)果。

2.2 沖擊回波法檢測(cè)

2.2.1 檢測(cè)設(shè)備

采用某公司研制的沖擊回波檢測(cè)儀，該儀器可對(duì)信號(hào)波形、聲參量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示及頻譜分析處理，具有快速、準(zhǔn)確的聲時(shí)、波幅自動(dòng)判讀等功能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)分析和處理的高度自動(dòng)化。采用不同直徑的鋼球?yàn)闆_擊源，使用不同直徑的鋼球可以獲得不同大小的沖擊力以及不同頻率范圍的應(yīng)力波。換能器采用體積小、質(zhì)量小、安裝方便的壓電式換能器。

2.2.2 檢測(cè)過(guò)程

（1）測(cè)定波速

檢測(cè)鋪裝層的質(zhì)量，波速是一個(gè)重要的參數(shù)，它的準(zhǔn)確與否直接影響到檢測(cè)結(jié)果。在鋪裝層上選擇三個(gè)外表正常的測(cè)點(diǎn)，并將其設(shè)計(jì)厚度值輸入到?jīng)_擊回波檢測(cè)儀器中，然后將換能器放置在該測(cè)點(diǎn)上，選擇合適的鋼球進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測(cè)出該處鋪裝層的波速。將此三個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均波速，近似看成整個(gè)橋面的波速。

（2）布置測(cè)點(diǎn)

在鋼橋面鋪裝層上，將敲擊法無(wú)法辨別的測(cè)點(diǎn)標(biāo)記，將（2）中所測(cè)的波速值輸入到儀器中，將換能器放置在標(biāo)記測(cè)點(diǎn)上，選擇合適的鋼球進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測(cè)出每個(gè)點(diǎn)的厚度值，并存儲(chǔ)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的波形圖。

2.2.3 檢測(cè)結(jié)果與分析

檢測(cè)后，得到如圖2所示的典型頻譜圖。

由圖2（a）分析，主頻峰值指示瀝青路面厚度60mm左右，峰值單一，說(shuō)明瀝青路面本身完整且和鋼箱梁粘接良好。圖2（b）中，主頻峰值指示瀝青路面厚度大于100mm，峰值離散，說(shuō)明瀝青路面破碎。圖2（c）中，主頻峰值指示瀝青路面厚度為30 mm左右，峰值單一，說(shuō)明共振發(fā)生在上下兩層的界面，瀝青路面上下面層脫粘。

圖2 沖擊回波法檢測(cè)鋪裝層的典型頻譜

經(jīng)過(guò)對(duì)判別脫開(kāi)和碎裂的部位鑿開(kāi)驗(yàn)證，沖擊回波判斷的結(jié)果與實(shí)際情況吻合，說(shuō)明沖擊回波在鋪裝質(zhì)量檢測(cè)中可靠性較高。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著鋼橋面鋪裝應(yīng)用的日益廣泛，開(kāi)發(fā)對(duì)其鋪裝質(zhì)量的可靠檢測(cè)手段的重要性日益突出。通過(guò)分析，沖擊回波法在混凝土中的傳播原理及頻譜特性，尤其適合鋪裝層質(zhì)量的檢測(cè)。應(yīng)用該方法對(duì)鋼橋面鋪裝層質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)并經(jīng)過(guò)工程驗(yàn)證，結(jié)果表明：沖擊回波法可有效辨別鋼橋面使用過(guò)程中發(fā)生的脫空、開(kāi)裂等病害情況，可應(yīng)用于實(shí)際工程。

［1］陳先華，黃衛(wèi)，王建偉.大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝瀝青混合料設(shè)計(jì)方法的思考［J］.公路，2004（8）：38－42.

［2］林維正.土木工程質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.