沖擊回波法對鋼橋面鋪裝層質(zhì)量的檢測

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，鋪裝的脫開及疲勞開裂等問題也就比普通路面嚴(yán)重。因此，非常有必要對鋼橋面鋪裝的施工質(zhì)量及使用過程中的整體質(zhì)量狀況進(jìn)行全面的檢測和評估。然而，對鋼橋面鋪裝的檢測，長期以來一直缺乏行之有效的無損檢測方法。沖擊回波法作為一種新的檢測手段，操作簡便，圖形直觀，檢測效率較高。筆者基于對沖擊回波法檢測原理的分析，使用沖擊回波法對鋼橋面鋪裝層質(zhì)量進(jìn)行檢測，通過對檢測典型頻譜圖的分析得到檢測結(jié)果。

1 沖擊回波檢測原理

沖擊回波在常見的混凝土結(jié)構(gòu)中傳播時，回報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別。而混凝土中存在缺陷時，會破壞和改變這些模式，從而通過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檢測混凝土結(jié)構(gòu)中的缺陷。

當(dāng)應(yīng)力波在兩種材料間傳播時，部分入射波在兩種材料界面處會發(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，幾乎會發(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)部會產(chǎn)生包括縱波、橫波和表面波等瞬時應(yīng)力波?？v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應(yīng)的關(guān)系。而時域中，反射應(yīng)力波引起的表面位移和時間構(gòu)成位移波形，對位移波形進(jìn)行分析可獲得邊界反射的信息。而分析波形時，通常使用快速傅里葉變換（FFT）法將時域波形轉(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，可通過下式計算外邊界的深度d：

式中：f為縱波反射FFT的主頻率，稱為板厚頻率。

2 工程應(yīng)用案例

2.1 工程概況和檢測方案

某項(xiàng)目行車道橋面鋪裝為環(huán)氧瀝青混合料鋪裝，總厚度為5.5cm，采用雙層國產(chǎn)環(huán)氧瀝青混合料鋪裝：下面層3cm、上面層2.5cm。緊急?？繋Р捎秒p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年半時間的運(yùn)營，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橋面鋪裝質(zhì)量進(jìn)行全面檢測。考慮到檢測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，通過回聲的主頻的不同來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，再采用沖擊回波法進(jìn)行頻譜檢測。以下主要介紹該工程的沖擊回波法的檢測過程和結(jié)果。

2.2 沖擊回波法檢測

2.2.1 檢測設(shè)備

采用某公司研制的沖擊回波檢測儀，該儀器可對信號波形、聲參量數(shù)據(jù)實(shí)時顯示及頻譜分析處理，具有快速、準(zhǔn)確的聲時、波幅自動判讀等功能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)分析和處理的高度自動化。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 檢測過程

（1）測定波速

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

（2）布置測點(diǎn)

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

2.2.3 檢測結(jié)果與分析

檢測后，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 沖擊回波法檢測鋪裝層的典型頻譜

經(jīng)過對判別脫開和碎裂的部位鑿開驗(yàn)證，沖擊回波判斷的結(jié)果與實(shí)際情況吻合，說明沖擊回波在鋪裝質(zhì)量檢測中可靠性較高。

3 結(jié)語

隨著鋼橋面鋪裝應(yīng)用的日益廣泛，開發(fā)對其鋪裝質(zhì)量的可靠檢測手段的重要性日益突出。通過分析，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。應(yīng)用該方法對鋼橋面鋪裝層質(zhì)量進(jìn)行檢測并經(jīng)過工程驗(yàn)證，結(jié)果表明：沖擊回波法可有效辨別鋼橋面使用過程中發(fā)生的脫空、開裂等病害情況，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)計方法的思考［J］.公路，2004（8）：38－42.

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