钢桥面铺装早期病害无损检测方法研究

严兵

江苏苏通大桥有限责任公司，江苏 南通 226000

摘 要 由于钢箱梁柔性支撑特点以及材料耐久性的需要，对其上所覆的铺装性能提出了更高的要求和更大的挑战，环氧沥青混凝土是一种常见的钢桥面铺装材料。因使用荷载、气候环境和构造条件的综合影响，在役环氧沥青混凝土铺装多出现了不同程度损伤状况。基于苏通大桥钢桥面铺装多年工程养护实践与无损检测，梳理了针对环氧沥青混凝土铺装早期病害的无损检测手段，对比了不同方法的优缺点。重点阐述了裂缝、脱层与脱空的典型实测特征样本，为环氧沥青混凝土铺装早期病害诊断提供参考。

关键词 钢桥面铺装 环氧沥青混凝土 早期病害 无损检测 冲击回波法 红外测温法 振动导纳法

1 概述

鉴于钢箱梁柔性支撑特点以及钢材材料耐久性的需要，对其上所覆的铺装性能提出了更高的要求，使用过程中面临了更大的挑战。环氧沥青混凝土方案具有的优良的抗车辙、抗疲劳、抗滑移和防水、防化学物质侵蚀的能力。包括苏通大桥在内的多座大跨径桥梁均采用了环氧沥青混凝土铺装方案，基本可适应大交通量、重载交通的需求。但因使用荷载、气候环境和构造条件的综合影响，在役钢桥面环氧沥青混凝土铺装也多开始呈现出了早期病害萌芽、损伤快速发展的状态。

苏通大桥跨江主桥钢桥面铺装采用双层环氧沥青方案，铺装层总厚度为5.5cm，铺装下层厚2.5cm，上层厚3.0cm，材料采用美国环氧沥青混凝土。

钢桥面铺装经过多年工程养护，整体状况良好，历年养护主要集中在局部铺装的小修保养方面。随着交通量不断的增加和材料使用寿命的延长，铺装破损面积也呈现逐年增加的状况。截至2017年底修补铺装面积累计达7600㎡，呈现出早期病害萌芽状态。

使用荷载、气候环境和构造条件等均会影响环氧沥青混凝土的使用性能，有必要对苏通大桥使用环境和条件的改变进行梳理。

1.1 使用荷载（交通荷载）

总体来看，苏通大桥的交通荷载呈现出大交通量、重载交通特征。

（1）换算交通量在2011年即达到了工可预测值，且一直保持了增长的趋势。截止2017年底，实测换算交通量已达到工可预测交通量的1.6倍；

（2）通行交通量以两轴车为主，但随着运营时间的延长，三轴以上车辆所占比例逐渐增加，截止2017年底，N（两轴车）：N（三轴及以上车辆）≈52:49，接近1:1；

（3）累计轴次接近二次抛物线分布趋势。截止2017年底，换算的累计轴次达到1601万次/车道，而铺装按照15年设计年限所计算的标准轴载累计次数为1543万次/车道，当前累计轴次已超过设计轴次。

大桥地处亚热带季风气候区，夏季炎热，冬季较为寒冷。桥面铺装的设计最高温度为70℃，设计最低温度为-15℃。根据对苏通大桥实测钢箱梁温度场的统计监测，顶板温度标准值的最大值为60.9℃，最小值为-14.3℃，尚处于设计范围内^[1]。

1.3 构造条件

根据受力需要，顶板在顺桥向不同区段采用了14mm～24mm不同的厚度，钢箱梁内设置了横隔板和纵隔板^[4]。铺装直接支撑在钢桥面板上，直接受到钢箱梁整体和局部受力特点的影响。

2 早期病害形态

历年铺装养护历程实践表明，目前出现的典型病害有两类：裂缝、坑槽^[3]。

2.1 裂缝

裂缝有三种形态：（1）单根裂缝，多表现为纵向短裂缝，分布在施工接缝或轮迹带附近；（2）放射裂缝，分布无规律；（3）环形裂缝，部分环形裂缝内部同时伴随凹陷，多分布在轮迹带附近。

2.2 坑槽

坑槽形态较为单一，表现为单独的坑槽破损或原有修补坑槽的延续形态。分布主要集中在轮迹带附近。纵向在伸缩缝位置附近、辅助墩墩顶以及中跨跨中等位置呈现集聚现象。

上述早期病害中裂缝（特别是裂透至顶板的深层裂缝）、隐性的脱层、脱空等，会导致铺装的快速破损，表现为大块或连片坑槽的出现。

3 无损检测方法综述

目前可行的桥面铺装早期病害无损检测手段，主要有以下几种：

（1）雷达探测法；

（2）红外线探测法；

（3）冲击回波法（敲击式、扫描式）；

（4）冲击瞬态响应法（导纳法）。

对上述四种无损检测方法在钢桥面铺装的应用可行性对比分析如下。

表5 铺装脱空检测方案比选

4 工程实践

借助桥面铺装维修更换的契机进行红外探测法、冲击回波法（包括敲击式、扫描式）和冲击瞬态响应法（导纳法）的验证，论证病害无损识别的可靠性以及工作效率。

4.1红外探测法

可靠性分析：可以有效的判别典型的铺装脱空问题。受限于工作原理，对于脱层、脱空无法准确区分。另外，受铺装温度影响较大，在低温状况下，成像区分识别度差。

工作效率分析：通过热成像图像识别的非接触式方式对缺陷数据进行采集，工作效率可达到较高的水平。

4.2冲击回波法

1）敲击式冲击回波法

可靠性分析：可以有效的判别典型的铺装裂缝、脱空、脱层等问题。对裂缝的形态（表面裂缝、贯通裂缝）、施工接缝质量（是否形成整体连接）、脱层（上下铺装层粘结层破坏）、脱空（下铺装层粘结层破坏）等进行很好的识别与判断。

工作效率分析：现有设备均为单点收发设备，无法批量敲击和接收数据结果，影响工作效率。

2）扫描式冲击回波法

可靠性分析：与敲击式回波法相比，存在两方面的显著不同：①敲击力度通过锤击高度和重锤质量实现可控。②探头同扫描仪集成在一体，实现了沿路径各点的数据采集。可以有效的判别典型的铺装裂缝、脱空、脱层等问题。

工作效率分析：工作效率较单点敲击式冲击回波法要高，因尚属于接触式数据采集模式，工作效率尚有待继续提高。

4.3冲击瞬态响应法

可靠性分析：获得的是导纳值，由于同样监测了锤击力数值，可以对测试结果进行定量化分析。可以有效的判别典型的铺装裂缝、脱空、脱层等问题。

工作效率分析：工作效率较单点敲击式冲击回波法相当。

5 结语

通过对苏通大桥钢桥面铺装的实际检验，取得了以下两方面的成果。

1）铺装状况分析

根据对影响铺装使用性能和寿命的因素分析，苏通大桥现在面临了较大的外部环境因素挑战：交通荷载的急剧增加，累计作用轴次已超过设计寿命。铺装目前已表现出早期病害状况，且出现区域存在向各典型受力位置集聚的效果。表明铺装受力及病害成因不再单纯的与局部受力有关，更应该关注整体交变应力或冲击效应较大位置铺装的性能。从设计源头、养护实施等多方面采取针对性措施。

2）无损检测方法实践

不同的无损检测方法实践结果表明，现有的各类无损检测手段尚存在各自的缺陷。包括判别精度、工作效率等方面，还需要进行设备融合与新的研发。

参考文献

[1]王高新, 丁幼亮, 王晓晶,等. 苏通大桥扁平钢箱梁温度场长期监测与统计分析[J]. 公路交通科技, 2014, 31(2):69-73.

[2]杨建军, 郑健龙. 苏通大桥钢桥面铺装方案设计及轮载力学响应分析[C]// 中国公路学会2007年学术年会论文集(下). 2007.

[3]周建华. 苏通大桥钢桥面铺装使用状况及养护策略研究[J]. 上海公路, 2017(2):7-11.

[4]张喜刚, 袁洪, 吴国民. 苏通大桥总体设计[J]. 公路, 2004(7):28-33.

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