實橋加載下鋼橋面瀝青鋪裝層應(yīng)變動態(tài)響應(yīng)

武金婷，葉 奮，2，吳懷睿，賈曉陽

（1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830047；3.田納西大學(xué) 土木與環(huán)境學(xué)院，諾克思維爾37996）

合理可靠的鋼橋面瀝青鋪裝不僅能提高行車舒適性和安全性，而且作為橋面板的有效防護(hù)體系，可保證橋梁結(jié)構(gòu)耐久性.但由于正交異性鋼橋面瀝青鋪裝層局部剛度小、撓度及變形大、傳熱快等原因，純力學(xué)的方法很難真實了解其實際力學(xué)響應(yīng)情況，而現(xiàn)場試驗或工程經(jīng)驗便成為聯(lián)系理論與實踐的橋梁.

國外鋼橋面鋪裝試驗橋研究起步較早.Hameau等［1］曾采用兩跨連續(xù)復(fù)合梁模型測量得到鋪裝層和鋼板內(nèi)的應(yīng)變情況.英國1963年在重交通干道上建造了與Severn橋相類似的試驗段，通過10年的觀測與研究，TRRL（Transport and Road Research Laboratory）認(rèn)為符合BS1447：1962規(guī)范的澆注式瀝青混合料更適用于英國環(huán)境.1976年，日本鋪設(shè)了長浦地鋼床板試驗橋，研究認(rèn)為“下層澆注式、上層改性密級配瀝青混合料”的鋪裝結(jié)構(gòu)最好.瑞典為選擇適合于濱海高橋的防水與鋪裝體系，于1993年在BD1337號橋上開展了8種鋪裝結(jié)構(gòu)的試鋪工作，開展了為期4年的觀測與調(diào)查工作［2］.國內(nèi)自虎門大橋開始重視對鋼箱梁橋面鋪裝的研究，相關(guān)單位先后在室內(nèi)修筑正交異性鋼橋面鋪裝環(huán)道或直道模型，通過加速加載試驗對比了不同鋪裝結(jié)構(gòu)的性能，主要涉及文獻(xiàn)［3-10］的相關(guān)研究工作.潤揚長江公路大橋鋼橋面鋪裝課題組采用應(yīng)變片對試驗橋鋪裝層進(jìn)行了現(xiàn)場測試［2，11］.

以上國內(nèi)外鋼橋瀝青鋪裝試驗方面的相關(guān)研究雖然取得了一定的成果，但仍存在不足：室內(nèi)試驗不能準(zhǔn)確再現(xiàn)鋼橋在實際交通及自然環(huán)境下的真實變形、受力等狀況；室外研究受技術(shù)手段所限，大多停留在鋪裝表面觀測，而未進(jìn)行過鋪裝層內(nèi)部監(jiān)測，即沒有進(jìn)行過鋼橋面鋪裝體系的完整性研究.所以，目前尚需進(jìn)一步對實橋瀝青鋪裝層進(jìn)行系統(tǒng)加載試驗及長期監(jiān)測.

依托上海昌吉東路大橋建設(shè)項目，隨其施工過程在不同鋪裝層位中埋設(shè)了應(yīng)變及溫度傳感器，可實現(xiàn)實時及長期測試數(shù)據(jù)采集.通過現(xiàn)場實橋加載試驗，對瀝青鋪裝層在靜動荷載作用下的應(yīng)變狀況進(jìn)行了系統(tǒng)分析，以便為鋼橋面瀝青鋪裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供實測數(shù)據(jù).

1 試驗概況

昌吉東路大橋2010年竣工，主橋采用兩跨連續(xù)下承式鋼桁架拱全焊接組合鋼結(jié)構(gòu)，跨徑組合為66 m+135m，主橋橋?qū)挒?3m，雙向四車道.橋面板為正交異性，頂板厚16mm；橫隔板間距3.375m，厚10mm；U形加勁肋間距600mm，高280mm，厚8 mm.橋面橫向坡度2%.

1.1 瀝青鋪裝層

鋼橋面行車道鋪裝上面層為4cm瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13（stone mastic asphalt），下面層為4cm環(huán)氧瀝青混合料EA-10（epoxy asphalt），防水黏結(jié)層采用環(huán)氧瀝青，防腐層采用環(huán)氧富鋅漆.表1～4為試驗結(jié)果，表明所用材料均滿足要求.

表1 鋪裝層瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果Tab.1 Marshall test results of asphalt mixtures

表2 鋪裝層瀝青混合料性能試驗結(jié)果Tab.2 Performance test results of asphalt mixtures

表3 防水黏結(jié)層剪切試驗結(jié)果Tab.3 Shear test results of waterproof bonding layer

表4 防水黏結(jié)層拉拔試驗結(jié)果Tab.4 Pullout test results of waterproof bonding layer

1.2 傳感器

選用光纖光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行應(yīng)變測試，采集頻率100Hz；選用特制封裝Pt100溫度傳感器進(jìn)行溫度采集及應(yīng)變溫度補(bǔ)償，采集頻率1次·min-1.應(yīng)變ε由式（1）確定：

式中：Δλ為傳感器光纖光柵中心波長變化量，pm；αT為隨結(jié)構(gòu)標(biāo)定的溫度補(bǔ)償系數(shù)，pm·℃-1；ΔT為相對于初始波長對應(yīng)的初始溫度的變化，℃；αε為傳感器應(yīng)變靈敏度系數(shù)，pm·με-1.

傳感器布置于外側(cè)行車道，在EA層底、SMA層底及鋪裝層表面上下層位對應(yīng)安裝埋設(shè)應(yīng)變、溫度傳感器，并考慮輪跡橫向分布及輪隙中心距等因素，布設(shè)方案詳見圖1.在相鄰2個橫隔板的中心直線上測試橫向應(yīng)變，傳感器分別對應(yīng)于第2個、第5個U形肋底部中心；在橫隔板直線上測試縱向應(yīng)變，傳感器縱向?qū)?yīng)于橫向應(yīng)變傳感器.在距橫縱向應(yīng)變傳感器外側(cè)0.25m處分別布設(shè)1個溫度傳感器.加載試驗過程中，氣溫為20～24℃，EA層底溫度為19～21℃，SMA層底溫度為20～24℃，鋪裝層表面溫度為22～27℃.

1.3 加載車輛

采用東風(fēng)中型貨車作為加載試驗車輛，車箱中滿載袋裝黃砂，其參數(shù)見表5.試驗中后軸輪隙中心與傳感器縱向布置線重合（如圖1所示）.

圖1 鋪裝結(jié)構(gòu)中傳感器布設(shè)示意（單位：m）Fig.1 Laid schematic diagram of sensors in the pavement structure（unit：m）

表5 加載車輛參數(shù)Tab.5 Loading vehicle parameters

1.4 加載試驗

通過預(yù)定加載條件對鋼橋面施加靜態(tài)、動態(tài)荷載進(jìn)行瀝青鋪裝層在不同行車載荷條件下的力學(xué)響應(yīng)分析.于2010年7月、2011年5月進(jìn)行了2次實橋加載試驗，加載試驗項目主要有：①勻速試驗.加載車輛以行駛速率20～60km·h-1勻速通過測點.②剎車試驗.加載車輛在行駛速率20～60km·h-1下進(jìn)行剎車，通過事先確定的剎車距離使應(yīng)變測點位于剎車范圍內(nèi).③靜載試驗.加載車輛在預(yù)定測點熄火靜止5min.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 SMA層底應(yīng)變

由所測的試驗數(shù)據(jù)繪圖分析可知，同一測點在行車荷載以不同速率勻速通過時的應(yīng)變曲線變化趨勢相同.因此，圖2、圖3分別僅以40km·h-1勻速、剎車條件下測試結(jié)果為例給出了SMA層底各測點應(yīng)變的動態(tài)響應(yīng)曲線.

圖2 勻速動載時SMA層底應(yīng)變動態(tài)響應(yīng)曲線Fig.2 Real-time strain curves of SMA layer at a uniform velocity

綜合分析圖2及圖3可知，①對于同一測點，勻速行車荷載作用下應(yīng)變動態(tài)響應(yīng)曲線與剎車時形態(tài)相同，具有顯著突變和波動特性.②不同動載（勻速、剎車）速率下的應(yīng)變時程曲線趨勢相同，但變化幅值及響應(yīng)時間存在差異.③SMA層底應(yīng)變在不同軸重（前軸、后軸）作用瞬間具有一致的變化趨勢，但動態(tài)應(yīng)變響應(yīng)隨軸重增加而變大.④SMA層底的縱向、橫向應(yīng)變動態(tài)響應(yīng)曲線具有不同特性.橫隔板對應(yīng)的縱向應(yīng)變實時曲線表現(xiàn)為壓-拉交替突變及波動特性.在車載作用瞬間，測點表現(xiàn)為受壓；車載離開后，橫向拉應(yīng)變的迅速增大引起與其協(xié)同變化的縱向拉應(yīng)變增大，隨后縱向受拉狀態(tài)逐步恢復(fù).而2個橫隔板中間對應(yīng)的橫向應(yīng)變實時曲線僅表現(xiàn)為波動特性.在車載作用瞬間，測點表現(xiàn)為受壓；車載離開后，測點壓應(yīng)變逐步恢復(fù).

圖3 剎車動載時SMA層底應(yīng)變動態(tài)響應(yīng)曲線Fig.3 Real-time strain curves of SMA layer under brake condition

綜合分析表6及圖4可知，①剎車作用下的SMA層底縱向、橫向應(yīng)變動態(tài)響應(yīng)峰谷值及幅值大于勻速動載作用下相應(yīng)值.②剎車作用下橫向應(yīng)變對軸重的敏感性（即應(yīng)變值隨軸重變化而產(chǎn)生的增減程度）小于勻速狀態(tài)下，且橫向應(yīng)變幅值所受軸重影響較縱向應(yīng)變更為顯著.對于橫向應(yīng)變，勻速時后軸作用下的應(yīng)變幅值為前軸下的2.8倍，剎車時為1.3倍；對于縱向應(yīng)變，其值分別為2.0倍、1.7倍.③SMA層底縱橫向應(yīng)變在相對較大的軸重（即后軸）下隨車速變化顯著.④對應(yīng)于第2個U形肋（應(yīng)變1）的縱橫向應(yīng)變波谷值小于第5個U形肋（應(yīng)變2）對應(yīng)值，即遠(yuǎn)離縱梁約束的鋪裝上層層底受到車載的瞬間壓應(yīng)變程度更大.

由表7可知，動載作用下SMA層底應(yīng)變小于靜載條件下相應(yīng)值，且橫向應(yīng)變比縱向應(yīng)變受動載影響更大.具體表現(xiàn)為：前軸作用時SMA層底縱向、橫向動態(tài)應(yīng)變分別約為靜載應(yīng)變的55%，35%.

2.2 EA層底應(yīng)變

由于施工擾動問題，EA層底只有1個橫向應(yīng)變傳感器埋設(shè)成活，其布設(shè)于鋼板環(huán)氧瀝青混合料層底，未焊接于橋面板上.相比之下，上面層底及表面層光纖光柵應(yīng)變傳感器在埋設(shè)及加載中均表現(xiàn)成活且性能穩(wěn)定，但下面層與鋼板的百倍模量差異降低了應(yīng)變傳感器的成活率，在后續(xù)相關(guān)研究中需加強(qiáng)鋪裝下層與鋼板間傳感器的安裝工作.

同SMA層底，EA層底應(yīng)變在不同行車荷載速率下的動態(tài)響應(yīng)曲線趨勢相同.圖5為在40km·h-1勻速行車荷載條件下的EA層底橫向應(yīng)變實時曲線，動態(tài)應(yīng)變結(jié)果見表8（工況序號對應(yīng)的加載條件與表6中相同），動載與靜載應(yīng)變結(jié)果比較見表9.

表6 不同動載條件下SMA層底動態(tài)應(yīng)變Tab.6 Dynamic strains of SMA layer under different loading conditions

圖4 SMA層底應(yīng)變動態(tài)響應(yīng)峰值、谷值、幅值間關(guān)系Fig.4 Relationship among peak，trough and amplitude of dynamic strain of SMA layer

表7 SMA層底靜載與動載應(yīng)變對比Tab.7 Contrast of static and dynamic strains of SMA layer

由圖5可知，EA層底橫向應(yīng)變動態(tài)響應(yīng)曲線趨勢大致與SMA層底同，但對行車荷載離開后的反應(yīng)存在差異：在車載作用瞬間，測點表現(xiàn)為受壓；車載離開后，測點壓應(yīng)變恢復(fù)并表現(xiàn)為較小程度的受拉.

由表8可知，①EA層底橫向應(yīng)變幾乎不受車速影響；后軸作用下的EA層底橫向應(yīng)變幅值為前軸作用下的4倍.②EA層底橫向應(yīng)變小于SMA層底，前者約為后者的1/5～1/3，且在剎車情況下的差異小于勻速條件下相應(yīng)值.由表9可知，EA層底橫向動靜載應(yīng)變均為壓應(yīng)變，且動態(tài)荷載作用下受壓程度較大.

圖5 EA層底橫向應(yīng)變動態(tài)響應(yīng)曲線Fig.5 Real-time transverse strain curve of EA layer

表8 不同動載條件下EA層底橫向動態(tài)應(yīng)變Tab.8 Dynamic transverse strains of EA layer under different loading conditions

表9 EA層底靜載與動載應(yīng)變對比Tab.9 Contrast of static and dynamic strains of EA layer

2.3 鋪裝層表面應(yīng)變

加載試驗中，考慮車輪沿其行進(jìn)方向會對應(yīng)變傳感器產(chǎn)生挫傷破壞，將表面縱向應(yīng)變傳感器布置于距離輪跡帶中心外側(cè)0.5m處，由于其已處于荷載作用范圍以外（相關(guān)文獻(xiàn)研究中距離d＞0.16 m），動載條件下表面縱向應(yīng)變幾乎不受荷載影響，與靜態(tài)應(yīng)變結(jié)果相符.在40km·h-1勻速荷載條件下，鋪裝層表面應(yīng)變隨動載工況發(fā)展的變化曲線見圖6，動態(tài)應(yīng)變結(jié)果見表10.

圖6 鋪裝層表面應(yīng)變動態(tài)響應(yīng)曲線Fig.6 Real-time strain curves of surface at a uniform velocity

表10 不同動載條件下鋪裝層表面動態(tài)應(yīng)變Tab.10 Dynamic strains of surface under different loading conditions

由圖6及表10可知，①鋪裝層表面橫向應(yīng)變動態(tài)響應(yīng)曲線具有波動性和突變性，且車速越大，橫向應(yīng)變越小.②鋪裝層表面應(yīng)變對行車荷載的反應(yīng)時間（自測點動態(tài)應(yīng)變開始產(chǎn)生至恢復(fù)為零所需時間）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他層位（SMA，EA層底），僅約為0.1s.

由表11可知，與SMA，EA層底動靜態(tài)應(yīng)變對比關(guān)系不同，鋪裝層表面靜載應(yīng)變小于動載應(yīng)變，且在不同軸重作用下表現(xiàn)不同.在前軸作用下，靜載及動載時的表面橫向應(yīng)變相差不大；在后軸作用下，動載下的表面橫向應(yīng)變較大，這是因為靜載試驗時測點傳感器位于雙輪輪隙中，而動載試驗時車輪可能正好壓在測點傳感器上.

表11 鋪裝層表面靜態(tài)與動態(tài)應(yīng)變對比Tab.11 Contrast of static and dynamic strains of surface

2.4 各層位應(yīng)變特征分析

分析輪跡帶范圍內(nèi)加勁肋及橫隔板上方的鋪裝層應(yīng)變，對于鋼橋面鋪裝材料選型、鋪裝結(jié)構(gòu)組合設(shè)計與優(yōu)化及其疲勞開裂設(shè)計指標(biāo)制定等都具有重要意義.

通過分析不同層位的應(yīng)變特征可知，SMA層底應(yīng)變的動態(tài)響應(yīng)屬于小應(yīng)變水平，這主要是由于試驗環(huán)境溫度屬于常溫狀態(tài)，加之車輛荷載的動態(tài)效應(yīng)，鋪裝層表現(xiàn)為較高的勁度模量，從而使得上面層底應(yīng)變水平較低.但SMA層底在某些工況下也會出現(xiàn)應(yīng)變水平較高的情況（如2個橫隔板間的橫向應(yīng)變），且動載下其拉壓應(yīng)變交替特性易造成鋪裝層的疲勞破壞；鋼橋面鋪裝層間力學(xué)分析也表明，雙層式鋪裝結(jié)構(gòu)的層間出現(xiàn)的拉應(yīng)變（力）水平十分可觀，因此在橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計中對于雙層式鋪裝結(jié)構(gòu)的層間受力狀態(tài)應(yīng)予以關(guān)注.

EA層底應(yīng)變水平普遍小于SMA層底.這是由于EA層與鋼板之間的環(huán)氧瀝青黏結(jié)層為熱固性材料，其具有良好的溫度穩(wěn)定性和極高的黏聚力，使黏結(jié)的上、下兩部分充分結(jié)合，整體受力，提高荷載擴(kuò)散能力，從而減小了層底應(yīng)變水平.

鋪裝層表面拉應(yīng)變是鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)之一，以疲勞開裂作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時，控制鋪裝層表面的最大拉應(yīng)變（力）不超過瀝青混合料相應(yīng)的容許值.筆者對上海市內(nèi)近20座中小跨徑鋼橋面的瀝青鋪裝進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)鋼橋面鋪裝主要破壞表現(xiàn)為沿橋面縱向產(chǎn)生疲勞開裂，并伴隨有一定的斜向裂縫，且裂縫的橫向分布間距具有規(guī)律性.因此對于正交異性板鋼橋面鋪裝設(shè)計，鋪裝表面拉應(yīng)變?nèi)允潜仨氷P(guān)注的設(shè)計指標(biāo).

相關(guān)分析表明，在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，大跨徑鋼橋面瀝青鋪裝層的表面拉應(yīng)變水平為400×10-6～800×10-6［2，12］，遠(yuǎn)高于路面.從本文實測結(jié)果可知，梁式鋼橋由于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好，鋪裝表面應(yīng)變?yōu)?00×10-6～400×10-6，低于大跨徑鋼橋，病害程度低于后者.因此，對于面積小、總造價低的較小跨徑鋼橋面，現(xiàn)有大型鋼橋面鋪裝設(shè)計、選材原則并不完全適用，本文測試結(jié)果可作為后續(xù)較小跨徑鋼橋面鋪裝設(shè)計及選材的參考.

3 動態(tài)應(yīng)變幅值與車速

由應(yīng)變動態(tài)響應(yīng)曲線中2個相鄰應(yīng)變波峰（或波谷）間的時間差，即前軸、后軸作用于測點的時間間隔，以及加載車輛的前后縱向軸距，按照前后軸距與時間差的比值計算得到加載車速.圖7為不同層位動態(tài)應(yīng)變幅值與相應(yīng)計算加載車速的關(guān)系.

圖7 動態(tài)應(yīng)變幅值與加載車速關(guān)系Fig.7 Relationship between dynamic strain amplitude and loading velocity

由圖7可知：①橫向應(yīng)變幅值比縱向應(yīng)變幅值對車速更為敏感.②鋪裝層動態(tài)應(yīng)變幅值自上而下對軸重的敏感程度逐漸減小，但同一層位動態(tài)應(yīng)變幅值在不同軸重作用下隨車速的變化趨勢相同.③由于鋪裝層表面動態(tài)應(yīng)變幅值最大，所以路表為最容易發(fā)生破壞層位.因此，宜以表面動態(tài)應(yīng)變幅值作為車速對橋面鋪裝影響程度的首要考慮因素，其他層位相應(yīng)值作為參考.鋪裝層表面橫向動態(tài)應(yīng)變與加載車速的回歸關(guān)系式為

式中：εt為鋪裝層表面橫向動態(tài)應(yīng)變，10-6；V為加載車速，km·h-1；R2為相關(guān)系數(shù).試驗中，當(dāng)V=26 km·h-1時，表面橫向動態(tài)應(yīng)變最??；SMA層底在25.49km·h-1動載下取得最小值后趨于穩(wěn)定；EA層底受車速影響較小.所以，可認(rèn)為行車荷載為26 km·h-1時橋面鋪裝整體動態(tài)應(yīng)變較為穩(wěn)定.

4 結(jié)論

（1）對于同一測點，勻速和剎車作用下的動態(tài)應(yīng)變具有相同的時程響應(yīng)狀態(tài)，但剎車條件下的動態(tài)應(yīng)變值較大，結(jié)果可作為后續(xù)室內(nèi)試驗中考慮線形、坡度、速率等因素后放大系數(shù)的參考.SMA及EA層底的動態(tài)應(yīng)變在一定程度上反映層間的應(yīng)變狀態(tài)，可作為室內(nèi)鋪裝材料疲勞試驗、瀝青黏結(jié)體系試驗中應(yīng)變水平的參考.不同層位動態(tài)應(yīng)變低于大跨徑鋼橋，可作為后續(xù)較小跨徑鋼橋面鋪裝設(shè)計及選材的參考.

（2）在動載作用下，橫向應(yīng)變大于縱向應(yīng)變且兩者動態(tài)響應(yīng)特性不同.橫隔板上方對應(yīng)的縱向應(yīng)變實時曲線表現(xiàn)為“壓-拉”交替突變及波動特性.橫隔板中間對應(yīng)的橫向應(yīng)變實時曲線表現(xiàn)僅為波動特性，基本無拉壓交替.

（3）動態(tài)應(yīng)變隨不同因素的影響表現(xiàn)為：動態(tài)橫向應(yīng)變自表面向下而減小，鋪裝表面動態(tài)應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上、下面層底部應(yīng)變，而對車載作用的反應(yīng)時間逐漸延長；動態(tài)應(yīng)變隨軸重增加、車速降低而增大，且自下而上橫向應(yīng)變幅值比縱向應(yīng)變幅值對軸重、車速更為敏感；動載瞬間應(yīng)變與靜載應(yīng)變間差異視層位不同而異.

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