李 鍵, 崔浩斌, 羅傳熙

(1.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司, 廣州 510000;2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410000)

隨著新時(shí)代經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展,我國(guó)鋼橋建設(shè)數(shù)量呈遞增趨勢(shì)。因環(huán)氧瀝青鋪裝是一種強(qiáng)度與力學(xué)性能較普通瀝青混凝土更優(yōu)的路面材料,特別是出色的高溫穩(wěn)定性與密水性能,被廣泛地應(yīng)用于鋼橋面鋪裝中[1-2]。但環(huán)氧瀝青混凝土的性能不僅受配合比設(shè)計(jì)的影響,很大程度上疲勞性能、滲透密閉性能、黏結(jié)性能也受成型時(shí)溫度、水氣控制、攤鋪速度、碾壓工藝等因素變化的影響[3]。施工過(guò)程中一旦外界水氣進(jìn)入鋪裝層中,由于環(huán)氧瀝青的致密性與鋼橋面的高溫條件,極易出現(xiàn)環(huán)氧瀝青鋪裝鼓包病害。鼓包病害是環(huán)氧瀝青鋪裝的最大難題[4]。早期若未及時(shí)識(shí)別與處治鼓包病害,在鋼橋面高溫與交通荷載作用下會(huì)迅速發(fā)展,導(dǎo)致環(huán)氧鋪裝層出現(xiàn)裂縫、松散、坑槽等病害[5-7]。因此對(duì)環(huán)氧瀝青鋪裝鼓包病害早期識(shí)別十分必要。黃健華等[8]通過(guò)紅外熱成像儀與回彈儀配合的方法檢測(cè)鋼橋面鼓包病害,經(jīng)開(kāi)挖驗(yàn)證準(zhǔn)確性較高。熊春龍等[9]在無(wú)人機(jī)上搭載紅外攝像頭對(duì)鋼橋面進(jìn)行拍攝,通過(guò)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行鼓包病害分析。何明[10]提出了紅外檢測(cè)鋼橋面鼓包病害的方法并對(duì)鼓包病害區(qū)域進(jìn)行了處置?，F(xiàn)有研究對(duì)鋼橋面鼓包病害檢測(cè)已突破傳統(tǒng)觀測(cè)法,逐步采用紅外熱成像儀,但并未進(jìn)行鼓包尺寸大小與溫差關(guān)聯(lián)性的研究。同時(shí),不同時(shí)間段紅外檢測(cè)效果明顯不同,但上述文獻(xiàn)并未對(duì)紅外最佳檢測(cè)時(shí)間開(kāi)展研究?；诖?本文通過(guò)有限元軟件分析鼓包尺寸、高度、位置對(duì)面域溫差的影響差異,并對(duì)實(shí)體工程中紅外檢測(cè)出的鼓包病害進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)證,通過(guò)擬合方法驗(yàn)證數(shù)值模擬與實(shí)體工程兩者的相關(guān)性,最后結(jié)合廣州氣候條件提出一年四季最合理的檢測(cè)時(shí)間,旨在準(zhǔn)確快速地檢測(cè)鋼橋面鼓包病害及其尺寸大小,從而提升鋼橋面整體的使用壽命。

1 模型建立及相關(guān)理論

1.1 模型建立

依托廣東省廣州市黃埔大橋進(jìn)行有限元建模分析,鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝層分兩層鋪筑,以標(biāo)準(zhǔn)梁段為例,長(zhǎng)度為16 m,梁寬為35 m,路面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為3.5 cm環(huán)氧瀝青鋪裝上層+3.5 cm環(huán)氧瀝青鋪裝下層+2 cm鋼板,橫隔板間距為3.2 m,縱隔板中心距為3.2 m。路面鋪裝組合結(jié)構(gòu)及三維有限元模型如圖1所示,鋪裝層各層之間完全連續(xù)。對(duì)垂直于路線兩側(cè)的x方向及延路線方向兩側(cè)的y方向進(jìn)行約束,同時(shí)模型底面完全約束,網(wǎng)格選擇自由劃分,單元類型網(wǎng)格采用DC3D8進(jìn)行分析。

圖1 三維有限元模型

1.2 熱學(xué)原理

路面處于自然界中,與空氣直接接觸,其與大氣進(jìn)行熱交換的方式主要有太陽(yáng)輻射、路面有效輻射、空氣對(duì)流熱交換等,形成路面溫度場(chǎng)。

1.2.1 太陽(yáng)輻射

太陽(yáng)輻射q(t)的日變化過(guò)程可采用以下函數(shù)近似表示:

(1)

式中:t為時(shí)刻,h;c為實(shí)際有效日照對(duì)數(shù),h;q0為中午最大輻射,q0=0.131Qm,m=12/c,Q為日太陽(yáng)輻射總量,J/m2;ω為角頻率,ω=2π/24,rad。太陽(yáng)輻射在軟件中的load模塊中定義。

1.2.2 氣溫及對(duì)流熱交換

氣溫的日變化過(guò)程可用式(2)進(jìn)行模擬:

(2)

1.2.3 路面有效輻射

路面有效輻射可采用式(3)直接實(shí)現(xiàn)地面有效輻射的邊界條件:

qF=εσ[(T1|z=0-T2)4-(Ta-TZ)4]

(3)

式中:ε為路面發(fā)射率(黑度),瀝青路面取0.81;qF為地面有效輻射,W/(m2·℃);σ為黑體輻射系數(shù),σ=5.669 7×10-8W/(m2K4);T1|z=0為路表溫度,℃;Ta為大氣溫度,℃;TZ為絕對(duì)零度值,TZ為-273 ℃。路面有效輻射在軟件中的Interaction中定義。

1.3 環(huán)境與材料參數(shù)

1.3.1 環(huán)境溫度條件

參考相關(guān)文獻(xiàn)[12],廣州市夏季氣候參數(shù)如下:風(fēng)速為2.1 m/s;日太陽(yáng)輻射總量為16.0×10-6J/m2;日照時(shí)間為7.4 h;路面太陽(yáng)輻射吸收率為0.90。本文選取廣州市夏季某天24 h溫度分布數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究,如圖2所示。

圖2 廣州市夏季溫度分布數(shù)據(jù)

1.3.2 材料參數(shù)

材料參數(shù)取值參考曾國(guó)東[11]對(duì)于鋼橋面鋪裝力學(xué)性能研究中的各項(xiàng)材料參數(shù)取值,具體見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析及實(shí)體工程驗(yàn)證

2.1 鼓包位置對(duì)面域溫差的影響

實(shí)際的鋼橋面鼓包是不規(guī)則類圓錐體的形狀,為了便于模型分析,采用圓錐體部件構(gòu)造鼓包,研究鼓包位置(上面層層底、下面層層底)對(duì)路表面域溫差的影響。

鼓包區(qū)域模擬尺寸選取7.5 cm(半徑)×2 cm(高度),形狀為類似圓錐體。鼓包區(qū)域位于路面結(jié)構(gòu)層上面層底部,位置示意圖如圖3所示。

圖3 鼓包區(qū)域位于路面結(jié)構(gòu)層上面層底部

將構(gòu)建好的模型進(jìn)行基于上述條件下的溫度場(chǎng)模擬,環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝鼓包區(qū)域路表面域存在一定溫差情況及鋪裝層結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布如圖4所示。

圖4 11:00的鋪裝層溫度云圖

提取有限元模型運(yùn)算結(jié)果,廣州夏季全天24 h內(nèi)環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝鼓包(所在位置上面層底部)區(qū)域路表溫度與相鄰區(qū)域溫度分布及規(guī)律如圖5所示。當(dāng)鼓包位于上面層底部時(shí)路表鼓包區(qū)域面域與正常區(qū)域在全天24 h均存在明顯溫差,其中在11:00段溫差達(dá)到最大,為3.91 ℃。

圖5 面域溫度

當(dāng)鼓包區(qū)域位于下面層底部時(shí),如圖6所示,進(jìn)行仿真模擬,統(tǒng)計(jì)一天24 h內(nèi)鼓包病害正上方與其相鄰的路表溫度,如圖7所示,并同時(shí)統(tǒng)計(jì)鼓包分別位于上面層層底與下面層層底所造成的面域溫差,如圖8所示。

圖6 鼓包區(qū)域位于下面層底部

圖7 面域溫度

圖8 上、下面層溫差

由圖7、圖8可知,鼓包位于上面層層底時(shí)對(duì)路面面域溫度影響遠(yuǎn)大于其位于下面層,當(dāng)鼓包位于下面層底部時(shí)鼓包區(qū)域在11:00—13:00表現(xiàn)出最大溫差為0.39 ℃左右,不宜被紅外熱成像儀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)。因此,建議鋪裝完下面層后立刻進(jìn)行紅外鼓包檢測(cè)可獲得較為明顯的溫差,從而更加準(zhǔn)確地判斷鼓包病害。

2.2 鼓包底面積對(duì)路表面域溫差的影響

為研究鼓包區(qū)域底面積變化對(duì)路表溫度的影響,基于上述研究成果,設(shè)定鼓包區(qū)域位于鋪裝層上面層底部。鼓包區(qū)域形狀依舊采用類似圓錐形,高度設(shè)定為2 cm,底面直徑從15 cm減小為10、5、2 cm 4種工況,研究在各個(gè)工況下路表溫度差異情況,如圖9所示,最大溫差見(jiàn)表2。

表2 不同底面直徑下最大溫差

圖9 不同底面直徑下各時(shí)段溫差

由圖9及表2可知,鼓包的底面積變化對(duì)路表溫度差的變化影響明顯,隨著鼓包區(qū)域底面直徑減小,路表面域溫差隨之減少,變化幅度明顯。當(dāng)?shù)酌嬷睆綖? cm時(shí),路表面域溫差最大值在1 ℃左右,實(shí)際工作中,因環(huán)境條件也會(huì)造成面域有較小溫差(通常小于1 ℃),因此在實(shí)體工程檢測(cè)中以大于1 ℃為判斷鼓包病害的臨界溫度。

2.3 鼓包高度對(duì)路表面域溫差的影響

鼓包區(qū)域底面積不變依舊采用直徑15 cm,高度由2 cm減小到1.5、1、0.5 cm 4種工況,研究在各個(gè)工況下路表溫度差異情況,如圖10所示,最大溫差見(jiàn)表3。

表3 不同鼓包高度下最大溫差

圖10 不同鼓包高度下各時(shí)段溫差

由表3和圖10可知,鼓包在上面層底部時(shí),鼓包區(qū)域底面積不變,隨著鼓包高度的減小,面域溫差也隨之減少,但減小幅度較小,鼓包高度對(duì)面域溫差影響較小。

3 實(shí)體工程驗(yàn)證

3.1 紅外掃描結(jié)果

基于上述研究成果在夏季11:00時(shí)左右,采用filr TG167紅外成像儀在黃埔大橋的鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝上進(jìn)行全斷面鼓包病害檢測(cè),并對(duì)溫度高于1 ℃區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記,共發(fā)現(xiàn)3處(序號(hào)為1#、2#、3#)溫度異常區(qū)域,如圖11所示,面域溫差見(jiàn)表4。

表4 3處鼓包面域溫差

圖11 3處紅外鼓包病害檢測(cè)結(jié)果

3.2 現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖驗(yàn)證

對(duì)上述3處紅外檢測(cè)異常區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)切割、挖除驗(yàn)證,如圖12所示,并對(duì)3處鼓包病害的尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見(jiàn)表5。

表5 3處鼓包尺寸

圖12 3處鼓包開(kāi)挖驗(yàn)證情況

2.3 相關(guān)性分析

紅外檢測(cè)3處溫度異常區(qū)域經(jīng)開(kāi)挖驗(yàn)證均存在鼓包病害,說(shuō)明紅外熱成像技術(shù)可準(zhǔn)確地檢測(cè)鋼橋面瀝青鋪裝上面層鼓包病害。為分析數(shù)值模擬鼓包底面積與溫差關(guān)系和紅外檢測(cè)中底面積與溫差關(guān)系的相關(guān)性,對(duì)數(shù)值模擬下的不同底面積對(duì)應(yīng)的溫差進(jìn)行線性擬合,同時(shí)統(tǒng)計(jì)實(shí)體工程檢測(cè)中鼓包數(shù)據(jù),如圖13所示。

圖13 相關(guān)性分析

由圖13可知,數(shù)值模擬數(shù)據(jù)擬合后的直線R2=0.966 53,表明擬合后的曲線可較好地反映數(shù)值模擬中鼓包底面積與溫差關(guān)系,而實(shí)體工程中3處鼓包病害檢測(cè)點(diǎn)分布在直線附近,說(shuō)明兩者具有良好的相關(guān)性,數(shù)值模擬結(jié)果可較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際工程中鼓包區(qū)域病害的面積。

4 氣候?qū)β繁頊囟鹊挠绊?/h2>

基于熱學(xué)原理,檢測(cè)時(shí)不同的環(huán)境條件會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果。為給廣州市其他鋼橋面鼓包病害提供良好的檢測(cè)時(shí)間依據(jù),開(kāi)展了廣州一年四季不同氣候條件下的模擬研究,鼓包尺寸選用底面直徑采用10 cm,高度采用0.5 cm的模型。

參考相關(guān)氣象文件[12],廣州市2022年春、夏、秋、冬環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表6,通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,繪制不同季節(jié)鼓包區(qū)域與其相鄰區(qū)域面域溫度如圖14所示,同時(shí),統(tǒng)計(jì)不同季節(jié)面域最大溫差出現(xiàn)的時(shí)間及其大小,見(jiàn)表7。

表6 環(huán)境參數(shù)

表7 不同季節(jié)最大溫差

圖14 一年四季鼓包區(qū)域與其相鄰區(qū)域面域溫度

由表7可知,同一鼓包病害一年四季路表面溫差差距不大,廣州市鋼橋面鋪裝鼓包病害最佳檢測(cè)時(shí)間春、秋、夏季為12:00,夏季最佳檢測(cè)時(shí)間為11:00。

5 結(jié)論

參考廣州市2022年氣候文件,基于黃埔大橋?qū)嶋H工程,采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)不同工況下的鋼橋面鋪裝鼓包病害進(jìn)行仿真模擬分析,結(jié)合實(shí)體工程進(jìn)行驗(yàn)證,得出如下結(jié)論:

1)數(shù)值模擬結(jié)果表明,鼓包底面積大小對(duì)面域溫差影響較大,鼓包病害出現(xiàn)在下面層時(shí),面域溫差不明顯,建議實(shí)體工程鋪裝完下面層后且在上面層鋪筑前進(jìn)行紅外熱成像儀鼓包檢測(cè)工作。

2)實(shí)體工程開(kāi)挖驗(yàn)證表明,數(shù)值模擬結(jié)果與開(kāi)挖驗(yàn)證結(jié)果具有良好的相關(guān)性,紅外熱成像技術(shù)不僅可以檢測(cè)鼓包病害的存在,且可進(jìn)一步推算其尺寸大小。

3)基于熱學(xué)原理,提出了廣州市鋼橋面鋪裝鼓包病害最佳檢測(cè)時(shí)間春、秋、夏季為12:00,夏季最佳檢測(cè)時(shí)間為11:00。