動水壓力對鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝裂縫擴(kuò)展影響

錢振東，張 勐，許 靜

(1.東南大學(xué) 智能運輸系統(tǒng)研究中心，江蘇 南京210096；2.國家知識產(chǎn)權(quán)局 專利局專利審查協(xié)作江蘇

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動水壓力對鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝裂縫擴(kuò)展影響

錢振東1，張 勐1，許 靜2

(1.東南大學(xué) 智能運輸系統(tǒng)研究中心，江蘇 南京210096；2.國家知識產(chǎn)權(quán)局 專利局專利審查協(xié)作江蘇

中心，江蘇 蘇州215000)

鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝發(fā)生裂縫病害后，水滲入裂縫，病害不斷擴(kuò)展.研究動水壓力對鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝裂縫的擴(kuò)展作用，采用ABAQUS建立帶裂縫的鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝體系模型，模擬不同溫度、不同鋪裝裂縫長度、寬度、深度及數(shù)量等條件，并通過數(shù)值分析鋪裝裂縫尖端的J積分值表征裂縫發(fā)展趨勢.研究結(jié)果表明，動水壓力越大，鋪裝裂縫尖端的J積分值越大，動水壓力對裂縫擴(kuò)展的作用越明顯；鋪裝層溫度在0～30 ℃時，溫度越高，鋪裝裂縫尖端的J積分值越大，動水壓力對裂縫擴(kuò)展的作用越明顯；動水壓力對裂縫擴(kuò)展的作用，受鋪裝裂縫長度、寬度影響大，受鋪裝裂縫深度、縱向裂縫數(shù)量影響??；同一動水壓力作用下，網(wǎng)狀裂縫更容易發(fā)生裂縫擴(kuò)展.

環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝；動水壓力；裂縫尺寸；裂縫尖端J積分；裂縫擴(kuò)展

0 引言

環(huán)氧瀝青混凝土是我國鋼橋橋面常用的瀝青混凝土鋪裝材料之一，其中裂縫病害是鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝的典型病害形式.當(dāng)環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層開裂后，雨水滲入裂縫，在行車荷載的作用下水在裂縫內(nèi)形成動水壓力，不斷沖刷鋪裝層，引發(fā)裂縫擴(kuò)展進(jìn)而導(dǎo)致防水粘結(jié)層的損害與鋼板的腐蝕. 現(xiàn)有研究主要是對普通瀝青路面進(jìn)行動水壓力與孔隙水壓力的理論推導(dǎo)、現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬，得到輪胎在水膜上駛過時產(chǎn)生的動水壓力與孔隙水壓力的大小.李志剛等[1]基于Hankel和Laplace積分變換，得到動水壓力的軸對稱彈性解.周長紅等[2]對飽和的瀝青路面動水壓力進(jìn)行時間和空間分布的計算.高俊啟等[3-4]通過實測發(fā)現(xiàn)，動水壓力隨行車速度的增大呈幾何增長.董澤蛟等[5]通過建立飽和瀝青路面孔隙水壓力模型，對水作用的力學(xué)機(jī)理進(jìn)行研究.而對鋼橋面上孔隙率較小的環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝表面動水壓力及其對瀝青鋪裝裂縫擴(kuò)展的研究尚處于起步階段.

由于鋼橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青混合料的孔隙率在1%～3%，環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層結(jié)構(gòu)內(nèi)部幾乎不發(fā)生滲水，但一旦開裂，在行車荷載作用下，水在環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝裂縫內(nèi)形成動水壓力，容易發(fā)生裂縫擴(kuò)展.筆者采用數(shù)值模擬的方法建立帶裂縫鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝體系模型，通過J積分有效評價瀝青混合料的抗裂性能[6-7]，計算不同溫度、鋪裝裂縫尺寸及數(shù)量等條件下鋪裝裂縫尖端的J積分，研究動水壓力對鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝裂縫的擴(kuò)展作用.

1 數(shù)值分析模型的建立

1.1 帶裂縫鋼橋面鋪裝體系模型

筆者采用ABAQUS建立鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝體系模型，取局部正交異性板結(jié)構(gòu)模型，縱橋向取3跨(4塊橫隔板)，橫橋向取7個U型加勁肋，如圖1所示.肋寬、高、厚、間距分別為280、280、8、600 mm，橫隔板厚和間距分別為14.3 mm，鋪裝層厚600 mm，鋼板厚16 mm,鋼橋面鋪裝體系模型詳細(xì)參數(shù)如表1所示.根據(jù)實際工程的調(diào)研情況，橋面鋪裝的主要裂縫為橫向拉應(yīng)力控制的縱向裂縫，位于U型加勁肋肋邊頂部鋪裝層上表面[8].本模型選取鋼橋面最常見的縱向裂縫，其橫向位置在U型加勁肋肋邊頂部鋪裝層上表面,對裂縫形狀進(jìn)行簡化，如圖2(a)所示.采用三點法對鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝體系模型進(jìn)行三維裂縫剖分，鋼橋面鋪裝模型中裂縫尖端的網(wǎng)格劃分如圖2(b)所示.

圖1 鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝體系模型

鋼板參數(shù)彈性模量/MPa泊松比密度/(kg·m-3)環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層參數(shù)厚度/mm模量/MPa泊松比2．1×1050．37．8×10330+3010000．25

圖2 裂縫的設(shè)置

1.2 動水壓力荷載作用方式

李宗利等[9]研究結(jié)果表明，裂縫內(nèi)水壓力可作為外荷載施加到結(jié)構(gòu)上.魯連軍等[10]的研究表明，動水壓力在裂縫邊緣處以垂直于裂縫邊緣的方向為主.對鋪裝裂縫內(nèi)動水壓力進(jìn)行簡化，動水壓力在裂縫處的具體加載方式如圖2(a)所示.

陳昊[11]對動水壓力的實測與計算結(jié)果表明，當(dāng)車輛行駛速度在40～100 km/h變化時，路面動水壓力值從0.087 MPa到0.402 MPa不等.筆者動水壓力取0.1、0.2 、0.3、0.4 MPa進(jìn)行計算.

1.3J積分計算結(jié)果輸出

J積分是彈塑性斷裂力學(xué)中常用的斷裂參數(shù)，用以度量裂紋頂端應(yīng)力應(yīng)變場強度，可作為帶裂紋彈塑性構(gòu)件斷裂的啟裂判據(jù)，J積分值越接近帶裂紋構(gòu)件的臨界J積分值JIC，構(gòu)件裂紋越容易發(fā)生擴(kuò)展[12].筆者擬根據(jù)不同條件下帶裂縫鋼橋面鋪裝體系模型中裂縫尖端J積分值的大小，評價動水壓力對鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝裂縫擴(kuò)展的影響程度.

對模型裂縫進(jìn)行剖分后，在ABAQUS軟件interaction模塊special-crack-assign seam中對裂縫的長度和寬度進(jìn)行定義;在step模塊中將domain設(shè)為contour integral，并設(shè)置number of contour為3，然后定義裂縫尖端J積分的輸出;裂縫尖端輸出的J積分有3個，在后處理dat文件中讀取裂縫尖端的J積分并取其平均值[13].

2 動水壓力作用下鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝裂縫尖端應(yīng)力場強度分析

2.1 不同溫度條件下J積分的變化規(guī)律

實測資料顯示，由于鋼箱梁箱體內(nèi)不通風(fēng)、散熱速度慢，當(dāng)環(huán)境溫度為34 ℃時，橋面鋪裝層及鋼板表面溫度可達(dá)到65 ℃以上；0 ℃以下，鋼橋面鋪裝層會出現(xiàn)結(jié)冰，不在本文研究范圍之內(nèi).

陳先華[14]在不同溫度條件下進(jìn)行了復(fù)合梁彎曲響應(yīng)研究，鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層模量與溫度的對應(yīng)表如表2所示.當(dāng)鋪裝層溫度大于35 ℃時，環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層在復(fù)合體系中模量為200 MPa.

表2 溫度與模量對應(yīng)表

本文研究的鋪裝層溫度范圍為0～35 ℃，裂縫尺寸為長度200 mm、深度30 mm、寬度2 mm.筆者計算鋼橋面鋪裝裂縫在不同動水壓力、溫度條件下，裂縫尖端J積分的變化規(guī)律，分析動水壓力對鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝裂縫擴(kuò)展的影響，結(jié)果如圖3所示.

由圖3可知，動水壓力越高，鋪裝裂縫越易于擴(kuò)展.動水壓力為0.1、0.2 MPa時，裂縫尖端J積分值隨溫度的升高而增大，溫度越高動水壓力對裂縫擴(kuò)展的作用越明顯.動水壓力為0.3、0.4 MPa且在0～30 ℃時，裂縫尖端J積分隨溫度的升高而變大，溫度越高動水壓力對裂縫擴(kuò)展的作用越明顯；溫度超過30 ℃時，J積分達(dá)到峰值.之后裂縫尖端J積分減小.溫度為30 ℃時，即鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝層溫度在0～30 ℃，動水壓力作用導(dǎo)致裂縫尖端J積分隨著溫度升高而增大，溫度越高動水壓力對裂縫擴(kuò)展的作用越明顯；在冬季過后開春季節(jié)存在裂縫的鋪裝層需要做好養(yǎng)護(hù)，抑制裂紋擴(kuò)展；鋪裝層溫度超過30 ℃時，動水壓力對裂縫擴(kuò)展影響的可能性和程度相對復(fù)雜.

采用UMT-3摩擦磨損試驗機(jī)對基體及涂層在600 °C下的摩擦磨損性能進(jìn)行測試。為降低涂層表面粗糙度對測試結(jié)果的影響，測試前依次采用220號、500號和1200號碳化硅砂紙打磨涂層樣品表面至其均勻光滑，無明顯的凸起物和凹坑為止，然后用酒精進(jìn)行超聲清理并烘干。測試在未添加潤滑油的情況下進(jìn)行，樣品臺轉(zhuǎn)速為70 r/min，載荷49 N，測試時間60 min，摩擦副為Si3N4陶瓷球。摩擦因數(shù)由試驗機(jī)直接產(chǎn)生，通過BS224S電子天平稱量樣品試驗前后的質(zhì)量來計算磨損量，采用DektakXT表面輪廓儀測量磨痕輪廓及3D形貌，并利用SEM觀察磨痕形貌。

圖3 不同溫度下裂縫尖端J積分變化曲線圖

2.2 不同裂縫尺寸下J積分的變化規(guī)律

2.2.1 裂縫深度不同時J積分的變化規(guī)律

鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層的厚度一般為50～60 mm.根據(jù)表2選取常溫時環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層模量為1 000 MPa，裂縫長度200 mm，裂縫寬度2 mm，裂縫深度分別為10、20、30、40、50 mm，計算在不同裂縫深度、動水壓力作用下裂縫尖端J積分，進(jìn)而分析動水壓力對鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝裂縫擴(kuò)展的影響，結(jié)果如圖4所示.

圖4 裂縫尖端J積分隨裂縫深度變化曲線圖

由圖4可以看出，同一動水壓力作用下，鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝裂縫深度的變化對裂縫尖端J積分影響幅度不大，且裂縫尖端J積分都在裂縫深度為30 mm時達(dá)到最大，動水壓力對裂縫擴(kuò)展的作用最明顯,故裂縫深度不作為評價鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層養(yǎng)護(hù)時機(jī)的依據(jù).

2.2.2 裂縫長度不同時J積分的變化規(guī)律

根據(jù)實際調(diào)研可知，鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝裂縫的長度一般在200 mm以內(nèi)[13]，根據(jù)表2選取常溫時環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層模量為 1 000 MPa，裂縫深度20 mm，裂縫寬度2 mm，裂縫長度分別為30、50、100、150、200 mm，計算在不同裂縫長度、動水壓力作用下裂縫尖端J積分，進(jìn)而分析動水壓力對鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝裂縫擴(kuò)展的影響，結(jié)果如圖5所示.

圖5 裂縫尖端J積分隨裂縫長度變化曲線圖

由圖5可知，同一動水壓力作用下，裂縫尖端J積分隨裂縫長度的增加近似呈線性增長；且不同動水壓力下，J積分隨裂縫長度增大而增大的趨勢基本一致，裂縫長度越大動水壓力對裂縫擴(kuò)展的作用越明顯.裂縫長度可作為評價鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層養(yǎng)護(hù)時機(jī)的指標(biāo).

2.2.3 裂縫寬度不同時J積分的變化規(guī)律

圖6 裂縫尖端J積分隨裂縫寬度變化曲線圖

由圖6可以看出，同一動水壓力下裂縫尖端J積分隨裂縫寬度的增大而變小，動水壓力為0.3、0.4 MPa時，裂縫寬度從1 mm增大到5 mm，裂縫尖端J積分分別減小了25.1%和21.2%，此時裂縫寬度的變化對動水壓力下裂縫擴(kuò)展的影響較明顯.動水壓力為0.1、0.2 MPa時，J積分隨裂縫寬度增加而減小的幅度在5%左右.因此裂縫寬度應(yīng)作為評價鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層養(yǎng)護(hù)時機(jī)的依據(jù).

分析隨裂縫寬度的增大時J積分變化規(guī)律.裂縫內(nèi)動水壓力為0.1 MPa，鋪裝裂縫寬度為1 mm情況下，鋪裝層表面橫向拉應(yīng)力云圖如圖7所示.由圖7可以看出，鋪裝層表面最大橫向拉應(yīng)力0.098 MPa，位于裂縫長度方向的兩端.經(jīng)計算，裂縫寬度為2、3、4、5 mm時，鋪裝層表面最大橫向拉應(yīng)力也都出現(xiàn)在裂縫的兩端，分別為 0.102、 0.116、0.118、0.127 MPa.

圖7 鋪裝層表面拉應(yīng)力云圖

綜上所述，鋪裝裂縫寬度增加時，鋪裝層表面最大橫向拉應(yīng)力均出現(xiàn)在裂縫的兩端并逐漸增大，且裂縫尖端J積分值逐漸減小.即鋪裝裂縫寬度增加時，動水壓力易使裂縫向長度方向擴(kuò)展，且動水壓力作用下裂縫向深度方向擴(kuò)展的趨勢變??；鋪裝裂縫寬度越小，若裂縫內(nèi)動水壓力越大，動水壓力越容易使鋪裝裂縫沿深度方向發(fā)生擴(kuò)展，鋪裝裂縫越容易發(fā)展為穿透型裂縫.

2.3 多條裂縫情況下J積分的變化規(guī)律

鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝裂縫與裂縫之間會相互影響，根據(jù)表2選取常溫時鋪裝層模量為1 000 MPa，裂縫長度200 mm，深度30 mm，寬度2 mm.裂縫組合為：①兩條相距為70 mm的平行縱向裂縫；②三條兩兩相距為70 mm的平行縱向裂縫；③兩條相距為70 mm的平行縱向裂縫，并且在縱向拉應(yīng)力集中位置處增加一條橫向裂縫.分別計算裂縫尖端J積分，并與單條裂縫計算結(jié)果相比較，分析不同裂縫寬度、動水壓力下動水壓力對鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝裂縫擴(kuò)展的影響，結(jié)果如表3所示.

表3 不同種類裂縫組合時J積分值

由表3可以看出，縱向裂縫數(shù)量越多，裂縫尖端J積分越大，但變化幅度較小，這說明縱向裂縫的數(shù)量不大影響動水壓力對裂縫擴(kuò)展的作用；但當(dāng)鋪裝層出現(xiàn)橫向裂縫時，J積分值比同等數(shù)量縱向裂縫情況下的J積分值大，這說明動水壓力作用下網(wǎng)狀裂縫更容易發(fā)生裂縫擴(kuò)展.

3 結(jié)論

(1)鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝層溫度在0～30 ℃范圍內(nèi)時，動水壓力作用導(dǎo)致裂縫尖端J積分隨著溫度升高而增大，溫度越高動水壓力對裂縫擴(kuò)展的作用越明顯，在冬季過后開春季節(jié)存在裂縫的鋪裝層需要做好養(yǎng)護(hù)，抑制裂紋擴(kuò)展；鋪裝層溫度超過30 ℃時，動水壓力對裂縫擴(kuò)展影響的可能性和程度相對復(fù)雜.

(2)鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝層裂縫深度的變化對裂縫尖端J積分的影響幅度較小，裂縫深度為30 mm時，動水壓力對裂縫擴(kuò)展的作用最明顯；裂縫長度越大，動水壓力對裂縫擴(kuò)展的作用越明顯；裂縫寬度增加時，裂縫易向長度方向擴(kuò)展；裂縫寬度越小，裂縫內(nèi)動水壓力越大，動水壓力越容易使裂縫沿深度方向發(fā)生擴(kuò)展，裂縫越容易發(fā)展為穿透型裂縫.

(3)裂縫長度和寬度可作為評價鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層養(yǎng)護(hù)時機(jī)的指標(biāo)，而裂縫深度不適合作為評價鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層養(yǎng)護(hù)時機(jī)的指標(biāo).

(4)縱向裂縫的數(shù)量變化時，動水壓力對裂縫擴(kuò)展的作用變化不明顯；而動水壓力作用下網(wǎng)狀裂縫更容易發(fā)生裂縫擴(kuò)展.

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The Influence of Hydrodynamic Pressure on the Propagation of Steel Bridge Deck Epoxy Asphalt Concrete Pavement Crack

QIAN Zhendong1, ZHANG Meng1, XU Jing2

(1.Research Center of Intelligent Transportation System, Southeast University, Nanjing 210096, China；2.Patent Examination Cooperation Jiangsu Center of the Patent Office Ispo,Suzhou 215000, China)

After cracks appear on steel bridge deck epoxy asphalt concrete pavement, the water would seep into cracks which would lead to crack propagation. This paper studied the impact of hydrodynamic pressure on the propagation of steel bridge deck epoxy asphalt concrete pavement crack. ABAQUS was utilized to build a model of steel bridge deck epoxy asphalt concrete pavement with crack. TheJintegral of pavement crack under different temperatures, different pavement crack widths, different pavement crack lengths, different pavement crack depths and different number of pavement cracks were calculated. The impact of hydrodynamic pressure on steel bridge deck epoxy asphalt concrete pavement crack propagation was discussed. The results indicated that when hydrodynamic pressure increased, theJintegral of pavement crack tip increased, and the effect of hydrodynamic pressure on crack propagation was more obvious. When the temperature was within the range of 0℃ to 30℃, the increase of temperature would lead to the increase ofJintegral of pavement crack tip and the effect of hydrodynamic pressure on crack propagation would be more obvious. The effect of hydrodynamic pressure on the crack propagation changed obviously under different crack lengths and widths, while the effect of hydrodynamic pressure on the crack propagation changed unobviously under different crack depths and different number of longitudinal crack. Pattern cracking was easy to propagate under the same hydrodynamic pressure.

epoxy asphalt concrete pavement; hydrodynamic pressure; size of crack;Jintegral of crack tip; crack propagation

2015-10-29；

2015-12-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(51178114)

錢振東(1969—) ，女，江蘇南通人，東南大學(xué)教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事橋面鋪裝技術(shù)研究及新型瀝青路面材料和結(jié)構(gòu)研究，E-mail: qianzd@seu.edu.cn.

1671-6833(2016)06-0048-05

U443.33

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.03.028