冲击回波法对钢桥面铺装层质量的检测

朱绍华

（上海材料研究所，上海 200437）

钢桥面是指在桥面板的底面用纵肋和横肋补强的钢桥面板，由于其主梁、横肋、纵肋在垂直方向互相交织，形成网络状承重结构物，故与上部的钢板共同称为正交异性钢箱梁桥面板，普通路面结构与钢桥面铺装层结构的比较如图1所示。钢桥面通常作为主梁、横肋、纵肋的组合体发挥作用，在现代大跨径桥梁建设中被广泛采用［1］。由于钢桥面板是通过焊接固定在正交异性结构梁和纵肋上的，且钢桥面体系柔性大、易挠曲，故与普通水泥混凝土桥梁相比，其在车辆荷载、温度荷载作用下的受力特点、变形等方面具有非常明显的区别，即便在同一桥梁的不同部位，变形和受力的区别也非常明显。

图1 普通路面结构与钢桥面铺装层结构的比较

钢桥的桥面为正交异性板结构，钢板的变形受纵横加筋梁的限制、刚度差异、温度等各方面因素影响，导致钢桥面在车辆荷载的作用下，桥面不同部位产生的变形不同，铺装层在不同部位的受力不同，铺装的脱开及疲劳开裂等问题也就比普通路面严重。因此，非常有必要对钢桥面铺装的施工质量及使用过程中的整体质量状况进行全面的检测和评估。然而，对钢桥面铺装的检测，长期以来一直缺乏行之有效的无损检测方法。冲击回波法作为一种新的检测手段，操作简便，图形直观，检测效率较高。笔者基于对冲击回波法检测原理的分析，使用冲击回波法对钢桥面铺装层质量进行检测，通过对检测典型频谱图的分析得到检测结果。

1 冲击回波检测原理

冲击回波在常见的混凝土结构中传播时，回报的波形和频谱都具有明显的特点，波形和频谱的主要模式，尤其是频谱中的峰值和分布很容易被识别。而混凝土中存在缺陷时，会破坏和改变这些模式，从而通过分析波形和频谱的变化，可获得相关缺陷的定性和定量信息［2］。因此，可以利用冲击回波法来检测混凝土结构中的缺陷。

当应力波在两种材料间传播时，部分入射波在两种材料界面处会发生反射，反射波的幅度与入射角成函数关系，且垂直入射（入射角90°）时反射波波幅最大。垂直入射的反射系数为：

式中：Z1、Z2分别为材料1、2的声阻抗（波速和材料密度的乘积）。

此处的两种材料为空气和混凝土，因为空气的声阻抗远小于混凝土的声阻抗（R≈1），所以，应力波经混凝土传播到包含空气的界面时，几乎会发生完全反射。

结构表面受到机械冲击后，结构内部会产生包括纵波、横波和表面波等瞬时应力波。纵波和横波在外边界发生反射，反射波到达结构表面时将引起表面位移，并被接收换能器接收。冲击点附近的表面位移主要由纵波产生，这是由于冲击点下方的纵波波幅最大，横波波幅较小。表面波的到达会引起结构表面的大幅度向下位移。而纵波在上、下表面之间发生多次反射，而引起一系列重复的向下位移，并且形成瞬时共振，产生具有周期性特征的波形。这些波形的频谱中存在明显的峰值，而峰值与边界深度存在对应的关系。而时域中，反射应力波引起的表面位移和时间构成位移波形，对位移波形进行分析可获得边界反射的信息。而分析波形时，通常使用快速傅里叶变换（FFT）法将时域波形转化为幅度谱而获得到达换能器的纵波的频率。故，在已知结构内部纵波速度Cp的情况下，可通过下式计算外边界的深度d：

式中：f为纵波反射FFT的主频率，称为板厚频率。

2 工程应用案例

2.1 工程概况和检测方案

某项目行车道桥面铺装为环氧沥青混合料铺装，总厚度为5.5cm，采用双层国产环氧沥青混合料铺装：下面层3cm、上面层2.5cm。紧急停靠带采用双层浇注式沥青混合料铺装：下面层厚度3.0cm、上面层厚度2.5cm。该桥钢桥面铺装经3年半时间的运营，路面存在局部缺陷，业主为了解整体质量，委托笔者所在单位对桥面铺装质量进行全面检测。考虑到检测全部采用冲击回波法工作量太大，故制定如下方案：先采用响锤敲击沥青路面进行普查，通过回声的主频的不同来判断沥青路面是否存在缺陷；当依据回声主频难以判断时，再采用冲击回波法进行频谱检测。以下主要介绍该工程的冲击回波法的检测过程和结果。

2.2 冲击回波法检测

2.2.1 检测设备

采用某公司研制的冲击回波检测仪，该仪器可对信号波形、声参量数据实时显示及频谱分析处理，具有快速、准确的声时、波幅自动判读等功能，实现了数据分析和处理的高度自动化。采用不同直径的钢球为冲击源，使用不同直径的钢球可以获得不同大小的冲击力以及不同频率范围的应力波。换能器采用体积小、质量小、安装方便的压电式换能器。

2.2.2 检测过程

（1）测定波速

检测铺装层的质量，波速是一个重要的参数，它的准确与否直接影响到检测结果。在铺装层上选择三个外表正常的测点，并将其设计厚度值输入到冲击回波检测仪器中，然后将换能器放置在该测点上，选择合适的钢球进行冲击试验，测出该处铺装层的波速。将此三个测点的平均波速，近似看成整个桥面的波速。

（2）布置测点

在钢桥面铺装层上，将敲击法无法辨别的测点标记，将（2）中所测的波速值输入到仪器中，将换能器放置在标记测点上，选择合适的钢球进行冲击试验，测出每个点的厚度值，并存储每个测点的波形图。

2.2.3 检测结果与分析

检测后，得到如图2所示的典型频谱图。

由图2（a）分析，主频峰值指示沥青路面厚度60mm左右，峰值单一，说明沥青路面本身完整且和钢箱梁粘接良好。图2（b）中，主频峰值指示沥青路面厚度大于100mm，峰值离散，说明沥青路面破碎。图2（c）中，主频峰值指示沥青路面厚度为30 mm左右，峰值单一，说明共振发生在上下两层的界面，沥青路面上下面层脱粘。

图2 冲击回波法检测铺装层的典型频谱

经过对判别脱开和碎裂的部位凿开验证，冲击回波判断的结果与实际情况吻合，说明冲击回波在铺装质量检测中可靠性较高。

3 结语

随着钢桥面铺装应用的日益广泛，开发对其铺装质量的可靠检测手段的重要性日益突出。通过分析，冲击回波法在混凝土中的传播原理及频谱特性，尤其适合铺装层质量的检测。应用该方法对钢桥面铺装层质量进行检测并经过工程验证，结果表明：冲击回波法可有效辨别钢桥面使用过程中发生的脱空、开裂等病害情况，可应用于实际工程。

［1］陈先华，黄卫，王建伟.大跨径钢箱梁桥面铺装沥青混合料设计方法的思考［J］.公路，2004（8）：38－42.

［2］林维正.土木工程质量无损检测技术［M］.北京：中国电力出版社，2008.