南京長(zhǎng)江第四大橋鋼橋面鋪裝疲勞性能試驗(yàn)研究

詹 俞，李國(guó)芬，王宏暢

（南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210037）

1 前言

南京長(zhǎng)江第四大橋鋼橋面鋪裝采用“下面層40 mm的澆筑式瀝青混凝土+上面層改性密級(jí)配瀝青混凝土”的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)。由于澆筑式瀝青混凝土較高的膠泥含量，其混合料的疲勞性能優(yōu)良，上面層高彈改性瀝青在國(guó)內(nèi)使用較少，對(duì)其性能參數(shù)了解不夠。本文從鋪裝各層混合料入手，再進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的疲勞性能試驗(yàn)，全面驗(yàn)證鋼橋面鋪層的疲勞性能。

2 試驗(yàn)材料

1）瀝青和集料。澆筑式瀝青混合料采用20#～40#低標(biāo)號(hào)的直餾瀝青為基質(zhì)瀝青，摻入一定比例的特立尼達(dá)天然湖瀝青（TLA），上面層高彈改性瀝青為日本本四聯(lián)絡(luò)橋使用改性Ⅰ型瀝青，兩層混合料層間撒布一定量的熱朔性彈性體（SBS）乳化瀝青。集料主要使用南京盤晶礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的玄武巖1#～4#料，并按鋪裝設(shè)計(jì)要求摻入天然砂，礦粉采用鎮(zhèn)江市丹徒石馬永興建材廠生產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉。

2）鋪裝配合比設(shè)計(jì)[1]。為了真實(shí)地模擬鋪裝層的實(shí)際情況，試驗(yàn)使用實(shí)際鋪裝施工中拌合站生產(chǎn)的瀝青混合料。澆筑式瀝青混合料取用的是在庫(kù)卡車中攪拌升溫到規(guī)定指標(biāo)的混合料。

3 疲勞性能試驗(yàn)

對(duì)單層混合料采用目前國(guó)內(nèi)外使用較多的圓柱體劈裂疲勞試驗(yàn)，對(duì)組合結(jié)構(gòu)整體疲勞性能采用帶鋼板復(fù)合梁疲勞試驗(yàn)[2]。

1）試件成型。劈裂疲勞試件均從車轍板試件上鉆芯、切割得到直徑為100±2 mm、高為40±5 mm的圓柱體試件[3]，澆筑式瀝青車轍板自動(dòng)流淌成型，輔助人工振搗抹平，上面層改性瀝青混合料在室內(nèi)碾壓成型。帶鋼板復(fù)合梁試件是預(yù)埋鋼板在混凝土試驗(yàn)段橋面上，現(xiàn)場(chǎng)施工成型，切割得到帶鋼板復(fù)合梁試件（見圖1）。

圖1 成型帶鋼板復(fù)合梁試件Fig.1 Molding composite beam with steel

2）試驗(yàn)參數(shù)。本文疲勞試驗(yàn)采用更能模擬實(shí)際情況的應(yīng)力控制方式[4]，試驗(yàn)溫度為20℃，荷載頻率為10 Hz，不設(shè)間歇時(shí)間，加載波形選擇正弦波，為防止試驗(yàn)中加載脫空，設(shè)置最小接觸力為20 N，終止條件為試件開裂破壞。劈裂疲勞試驗(yàn)根據(jù)試件劈裂強(qiáng)度選擇應(yīng)力水平以0.1分級(jí)，分為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6這5個(gè)等級(jí)，帶鋼板復(fù)合梁疲勞試驗(yàn)選擇荷載為6 kN、7 kN和8 kN。

4 疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 單層圓柱體劈裂疲勞試驗(yàn)

按照國(guó)內(nèi)規(guī)范[3]瀝青混合料劈裂試驗(yàn)測(cè)定混合料劈裂破壞強(qiáng)度（見表1）。由于澆筑式瀝青中摻入了天然硬質(zhì)瀝青，所以其混合料的強(qiáng)度和模量都比高彈改性瀝青混合料要高很多。表2為瀝青混合料在20℃下劈裂疲勞試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)。上下面層混合料的疲勞性能相近，應(yīng)力比越大澆筑式瀝青混合料的疲勞性能越好，因?yàn)闈仓綖r青混合料中加入了天然硬質(zhì)瀝青，相同溫度下其混合料的模量要大于上面層改性瀝青混凝土，再者澆筑式瀝青混凝土較高的瀝青含量也有助于提高其混合料的疲勞性能。

表1 瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 The splitting strength of asphalt mixture

表2 瀝青混合料20℃劈裂疲勞試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 2 The result of indirect fatigue test at 20℃

國(guó)內(nèi)外廣泛采用式（1）作為應(yīng)力控制方式疲勞試驗(yàn)的疲勞方程[5]，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)相關(guān)系數(shù)都能達(dá)到95%以上，因此說明采用間接拉升劈裂疲勞試驗(yàn)這種方法在進(jìn)行應(yīng)力控制模式的疲勞試驗(yàn)取得數(shù)據(jù)較為合理。

對(duì)式（1）兩邊取對(duì)數(shù)得

式（1）和（2）中，Nf為試件破壞時(shí)的重復(fù)荷載作用次數(shù)，次；σ為實(shí)際施加應(yīng)力最大幅值，MPa；n和lgK為線性回歸常數(shù)。

對(duì)劈裂疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)其進(jìn)行雙對(duì)數(shù)回歸分析，得到應(yīng)力水平與疲勞壽命雙對(duì)數(shù)關(guān)系圖（見圖2）。對(duì)劈裂疲勞數(shù)據(jù)回歸得兩類混合料的劈裂疲勞方程。

澆筑式瀝青混凝土

改性瀝青混凝土

圖2 應(yīng)力水平與疲勞壽命雙對(duì)數(shù)圖Fig.2 Double logarithmic chart between stress levels and fatigue life

由此可以看出，澆筑式瀝青混合料的劈裂疲勞性能要優(yōu)于改性瀝青混合料。兩者相同應(yīng)力水平下的疲勞壽命相差并不是太大，而且回歸得到的疲勞方程的斜率相近，即兩種混合料疲勞壽命隨應(yīng)力水平的變化規(guī)律相近。由此可以認(rèn)為在疲勞性能方面，兩種混合料適合組成復(fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)。

4.2 帶鋼板復(fù)合梁疲勞試驗(yàn)

鋼箱梁橋面上，橋面鋪裝的最大應(yīng)力和拉應(yīng)變均應(yīng)出現(xiàn)在U形加勁肋的頂部[6]，因此根據(jù)鋼箱梁具體參數(shù)設(shè)計(jì)出帶鋼板的復(fù)合件疲勞試驗(yàn)來評(píng)價(jià)鋼橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)整體的疲勞性能，試件由鋼板（鋼板厚14 mm）+4 cm澆筑式瀝青混凝土+3.5 cm改性瀝青混合料組成。為了進(jìn)一步驗(yàn)證生產(chǎn)配合比，在混凝土南引橋段開展了試驗(yàn)段試鋪工作，并借此機(jī)會(huì)預(yù)先埋設(shè)現(xiàn)場(chǎng)成型帶鋼板復(fù)合梁試件，試驗(yàn)段分南北兩段設(shè)計(jì)了不同瀝青含量的混合料，北側(cè)試件為“下面層8.2%的澆筑式瀝青混凝土+上面層6.0%的改性瀝青混凝土”，南側(cè)試件為“下面層8.3%的澆筑式瀝青混凝土+上面層5.8%的改性瀝青混凝土”。帶鋼板復(fù)合梁疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表3。試件勁度模量變化規(guī)律相同，取其中一個(gè)具有代表性的試件南側(cè)1#，其勁度模量隨加載次數(shù)變化如圖3所示。

表3 復(fù)合梁疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The result of composite beam fatigue test

圖3 南側(cè)1#試件勁度模量變化圖Fig.3 The trend graph of stiffness modulus of south 1#

采用式（1）對(duì)帶鋼板復(fù)合梁疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到疲勞方程，見式（5）和（6）。

南側(cè)試件疲勞方程

北側(cè)試件疲勞方程

式（5）和（6）中，F(xiàn)為施加的實(shí)際荷載，復(fù)合梁疲勞方程使用的變量為施加的真實(shí)荷載，因?yàn)檎鎸?shí)荷載與所產(chǎn)生的實(shí)際應(yīng)力成一定的比例關(guān)系，所以其回歸方程系數(shù)不會(huì)產(chǎn)生變化。復(fù)合梁試件由于附加了鋼板，其破壞荷載比普通瀝青混合料要大很多，在文中所選荷載條件下其疲勞壽命較長(zhǎng)。圖4為疲勞壽命相對(duì)于施加荷載的雙對(duì)數(shù)圖。

圖4 疲勞壽命相對(duì)于施加荷載的雙對(duì)數(shù)圖Fig.4 Double logarithmic chart between load and fatigue life

南側(cè)試件裂縫產(chǎn)生過程明顯，裂縫從鋪裝面層發(fā)展到與鋼板的粘結(jié)處。北側(cè)試件的裂縫都是從鋪裝中間層產(chǎn)生，最終發(fā)展為整條裂縫。裂縫的發(fā)展情況和瀝青含量有著很大的關(guān)系，南側(cè)試件上面層改性瀝青混合料的瀝青含量為5.8%，比北側(cè)的6.0%低0.2%，高彈改性瀝青具有優(yōu)良的延展性，其用量的增加會(huì)對(duì)混合料的疲勞特性產(chǎn)生較大的影響，因此南側(cè)試件從上面層外表面產(chǎn)生裂縫繼而向內(nèi)發(fā)展。相對(duì)于澆筑式瀝青混凝土本身較高的瀝青含量來說，南側(cè)比北側(cè)只高0.1%的絕對(duì)值，相對(duì)值只高出1.2%，因此瀝青含量為8.2%，這和8.3%的澆筑式瀝青混凝土疲勞性能已經(jīng)相差不大。試件的模量變化情況主要有3個(gè)階段。第一階段，復(fù)合梁試件中的混合料硬化模量變大，曲線處于上升階段；第二階段，混合料受荷載反復(fù)作用強(qiáng)度衰減，開始產(chǎn)生微小裂縫并逐漸擴(kuò)展增大，曲線下降，而且下降速度呈減緩的形勢(shì)；第三階段，復(fù)合梁試件裂縫完全形成，其抗彎強(qiáng)度已經(jīng)主要靠鋼板提供，試件模量漸漸趨于平穩(wěn)。

5 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了橋面鋪裝設(shè)計(jì)的合理性，鋪裝上下面層疲勞性能相近，較適合組成復(fù)合結(jié)構(gòu)。對(duì)于澆筑式瀝青混合料來說，8.2%和8.3%的瀝青含量對(duì)其疲勞性能影響不大，但對(duì)上面層改性瀝青混合料，瀝青含量的提高對(duì)其疲勞性能的提高作用很明顯。參照國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，選擇式（1）對(duì)應(yīng)力控制方式的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到疲勞方程，其線性疲勞方程的相關(guān)系數(shù)都在0.97以上，說明方程擬合程度已經(jīng)很高，能對(duì)今后橋面鋪裝使用提供一定的參考。另外，由帶鋼板復(fù)合梁疲勞試驗(yàn)時(shí)勁度模量的變化情況可以發(fā)現(xiàn)，在橋面鋪裝使用前期，U形加勁肋上方鋪裝層的抗彎拉能力是隨行車荷載作用而提高的。

[1] 多田宏行.橋面鋪裝的設(shè)計(jì)與施工[M] .日本：鹿島出版社，1993.

[2] 李洪濤.大跨徑懸索橋新型鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)研究[D] .南京：東南大學(xué)，2006.

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[5] 張登良.瀝青路面工程手冊(cè)[M] .北京：人民交通出版社，2004.

[6] 錢振東，黃 衛(wèi)，駱俊偉，等.正交異性鋼橋面鋪裝層的力學(xué)特性分析[J] .交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2002，2（3）：36-39.