鋼結(jié)構(gòu)橋梁鋪裝層組合結(jié)構(gòu)疲勞性能試驗(yàn)研究

譙理格 趙明宇 丁慶軍 趙日煦

(中建商品混凝土有限公司1) 武漢 430074) (沈陽建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2) 沈陽 110168) (武漢工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)試驗(yàn)室3) 武漢 430070)

0 引 言

鋼結(jié)構(gòu)橋梁以其構(gòu)件質(zhì)量輕、運(yùn)輸與架設(shè)方便、施工周期短等特點(diǎn)，在大跨度橋梁中得到廣泛應(yīng)用[1-2].研究與應(yīng)用結(jié)果表明，隨著國內(nèi)外鋼橋面板橋梁工程的不斷增多，采用鋼橋面板的鋼結(jié)構(gòu)橋梁鋪裝層在使用年限內(nèi)發(fā)生破壞的報(bào)道屢見不鮮[3-5],因此，目前大跨徑橋梁在設(shè)計(jì)上開始逐漸采用鋼架-混凝土板組合橋面結(jié)構(gòu)，以解決鋼橋面鋪裝這個世界性技術(shù)難題[6-7].

武漢鸚鵡洲長江大橋橋面鋪裝采用預(yù)制混凝土橋面板+高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層+高黏高彈SMA-16面層的結(jié)構(gòu)形式.混凝土橋面板取代鋼橋面板的鋪裝工藝，有效解決了鋼橋面板與瀝青鋪裝層間黏結(jié)力不足的問題，降低了橋面鋪裝出現(xiàn)推移、擁包、開裂等病害的風(fēng)險[8].然而，由于鸚鵡洲長江大橋采用預(yù)制混凝土橋面板間澆筑濕接縫混凝土的橋面形式，在行車荷載及懸索橋較大變形的服役條件下，接縫位置的裂縫反射問題及鋪裝層材料的疲勞壽命是決定鸚鵡洲長江大橋使用耐久性的關(guān)鍵問題.本文以該為背景，模擬不同位置鋪裝組合構(gòu)件，研究其在動態(tài)力學(xué)條件下行為特征，以評價鋪裝層的使用壽命.

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1混凝土

依據(jù)文獻(xiàn)[9]中對橋面鋪裝層混凝土性能的要求，進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，見表1.

表1 橋面鋪裝層混凝土配合比 kg/m3

注：粗集料為16～26.5 mm連續(xù)級配卵石破碎型碎石，細(xì)集料為5～16 mm連續(xù)級配卵石破碎型碎石

1.1.2防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層

防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層采用粒徑為9.5～13.2 mm的玄武巖集料，撒鋪量為14～16 kg/m2；采用的瀝青分別為SBS改性瀝青、橡膠瀝青、高黏高彈改性瀝青，瀝青灑布量為1.7～2.0 kg/m2,形成的瀝青膜厚度約為2 mm，三種瀝青的性能指標(biāo)見表2.

1.1.3高黏高彈SMA

SMA面層所用粗集料為粒徑5～10 mm與10～20 mm的玄武巖集料，壓碎值9.6%；細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂，2.36 mm篩孔通過率85.2%；礦粉為石灰石磨細(xì)礦粉，0.075 mm篩孔通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88.6%；瀝青采用高黏高彈改性瀝青.配合比設(shè)計(jì)依據(jù)文獻(xiàn)[10]中的要求進(jìn)行，確定的級配組成見表3，各項(xiàng)體積指標(biāo)見表4.

表2 瀝青的性能指標(biāo)

表3 高粘高彈SMA礦料合成級配

表4 高黏高彈SMA馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

本研究結(jié)合羅桑等[11]針對環(huán)氧瀝青混凝土疲勞試驗(yàn)的相關(guān)研究方法，設(shè)計(jì)組合結(jié)構(gòu)疲勞性能及結(jié)構(gòu)阻止裂縫擴(kuò)展性能兩組試驗(yàn)，以對動荷載條件下鋼結(jié)構(gòu)橋梁鋪裝層關(guān)鍵位置的耐久性進(jìn)行研究評價.在試件上表面跨中處黏貼BX120-100AA(100 mm×3 mm)型號混凝土應(yīng)變片，利用TEST3827E應(yīng)變測試系統(tǒng)對應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并導(dǎo)入MTS測試系統(tǒng)，以試件表面瀝青層跨中處產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?00×10-6時作為試件疲勞破壞的判定依據(jù).

1.2.1試件制作

本文提出的基于防水黏結(jié)應(yīng)力吸收橋面鋪裝方案的結(jié)構(gòu)由下層混凝土橋面板、中層防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層、SMA面層瀝青混合料組成，試件尺寸為550 mm×150 mm×92 mm.本文研究的兩種鋪裝層組合結(jié)構(gòu)示意見圖1.圖1a)為組合結(jié)構(gòu)疲勞性能試塊的結(jié)構(gòu)形式，模擬鋪裝層在循環(huán)行車荷載作用的條件下的疲勞性能，試驗(yàn)選取六種不同結(jié)構(gòu)類型，編號A1～A6，見表5；圖1b)為阻止裂縫擴(kuò)展性能試塊的結(jié)構(gòu)形式，模擬鋪裝層下預(yù)制混凝土橋面板接縫位置在循環(huán)行車荷載作用條件下阻止裂縫反射的性能，結(jié)構(gòu)下層混凝土橋面板成型時在試塊中部預(yù)留5 mm的切縫，試驗(yàn)共選取五種不同結(jié)構(gòu)類型，編號B1～B5.試件的成型過程見圖2.

圖1 鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)方案橋面鋪裝結(jié)構(gòu)試驗(yàn)類型(由下至上)A15 cm混凝土+3 cm普通改性SMA-16A25 cm混凝土+5 cm普通改性SMA-16A35 cm混凝土+3 cm高黏高彈改性SMA-16A45 cm混凝土+5 cm高黏高彈改性SMA-16A5 5 cm混凝土+1 cm高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層+3 cm高黏高彈SMA-16A6 5 cm混凝土+1 cm高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層+5 cm高黏高彈SMA-16B1 5 cm混凝土+1 cmSBS改性瀝青黏結(jié)層+5 cm高黏高彈SMA-16B2 5 cm混凝土+1 cm橡膠瀝青應(yīng)力吸收層+5 cm高黏高彈SMA-16B3 5 cm混凝土+1 cm高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層-A+5 cm高黏高彈SMA-16B4 5 cm混凝土+1 cm高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層-B+5 cm高黏高彈SMA-16B5 5 cm混凝土+1 cm高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層-C+5 cm高黏高彈SMA-16

注：表中B3～B5組高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層的瀝青灑布量分別為：1.4～1.7 kg/m2(A)，1.7～2.0 kg/m2(B)，2.0～2.3 kg/m2(C).

圖2 試驗(yàn)試件制作

1.2.2MTS加載

本文采用某公司制造的MTS505.90型電液伺服式疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行組合鋪裝結(jié)構(gòu)疲勞性能測試.加載方式均采用三分四點(diǎn)彎加載方式，見圖3.組合結(jié)構(gòu)疲勞性能試驗(yàn)采用正弦波方式加載，應(yīng)力水平0.7，循環(huán)應(yīng)力比取0.2，加載頻率4 Hz，記錄試件表面應(yīng)變達(dá)到700×10-6時的循環(huán)加載次數(shù)，最大加載至1 000萬次時停止.結(jié)構(gòu)阻止裂縫擴(kuò)展性能試驗(yàn)采用正弦波加載方式，應(yīng)力水平取0.7，循環(huán)應(yīng)力比取0.5，加載頻率4 Hz，分別記錄初裂、裂縫擴(kuò)展至1，2，3，4 cm及終裂時的循環(huán)加載次數(shù)，最大加載至200萬次時停止.

圖3 試驗(yàn)加載方式(單位：mm)

2 結(jié)果與討論

2.1 組合結(jié)構(gòu)疲勞性能試驗(yàn)

針對不同瀝青材料組成、不同厚度的面層SMA-16以及鋪設(shè)高黏高彈應(yīng)力吸收層的試塊進(jìn)行彎拉疲勞性能測試，每組試塊成型2塊，通過MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)控制加載，測得試塊跨中處應(yīng)變達(dá)到700×106時的循環(huán)加載次數(shù)見表6和圖4.

表6 組合結(jié)構(gòu)彎拉疲勞試驗(yàn)結(jié)果 萬次

圖4 組合結(jié)構(gòu)彎拉疲勞試驗(yàn)結(jié)果

表6與圖4中A1，A2與A3，A4分別為采用普通SMA-16作為面層的試塊與采用高黏高彈SMA-16作為面層的試塊達(dá)到700 με時的循環(huán)加載次數(shù)，由對比可知，由于高黏高彈改性瀝青優(yōu)異的黏韌性能，采用其作為面層的試塊加載次數(shù)增加，提升了結(jié)構(gòu)的疲勞性能.A1，A3，A5與A2，A4，A6分別為面層鋪裝層厚度為3和5 cm的試塊達(dá)到目標(biāo)應(yīng)變值時的循環(huán)加載次數(shù)，由對比可知，增加面層鋪裝層厚度可明顯增加結(jié)構(gòu)的疲勞性能，對于高黏高彈SMA-16路面的提升效果更加明顯.A3，A4與A5，A6分別為未鋪設(shè)防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層與鋪設(shè)防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層的試塊達(dá)到初裂時的循環(huán)加載次數(shù)，通過對比可知，由于高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層可分散組合結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)用及較好的界面黏結(jié)性能，鋪設(shè)防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層的試塊加載次數(shù)增加，整體的鋪裝結(jié)構(gòu)疲勞性能得到了顯著的提升.

2.2 阻止裂紋反射性能試驗(yàn)

針對不同瀝青材料組成的防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層以及不同瀝青撒鋪量的高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)的試塊進(jìn)行彎拉疲勞性能測試，每組試塊成型2塊，通過MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)控制加載，分別測得試塊跨中處SMA面層初裂、裂紋擴(kuò)展擴(kuò)展至1，2，3，4 cm，以及終裂時的循環(huán)加載次數(shù)，各組數(shù)據(jù)取平均值后結(jié)果見表7.

表7 組合結(jié)構(gòu)彎拉疲勞試驗(yàn)結(jié)果

表7中B1，B2，B3～B5分別為使用SBS改性瀝青、橡膠瀝青、高黏高彈改性瀝青作為防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層瀝青材料的試塊在裂紋反射到不同程度時的循環(huán)加載次數(shù)，由對比可知，鋪設(shè)SBS改性瀝青防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層試塊在加載至890次時面層SMA即出現(xiàn)裂紋，加載至1萬次試塊即完全破壞，其阻止裂紋反射性能較差，鋪設(shè)橡膠瀝青防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層與高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層的試塊加載次數(shù)分別為其2倍與4倍，因此由試驗(yàn)可知，使用高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層的結(jié)構(gòu)阻止裂紋反射性能最優(yōu).B3～B5分別為不同應(yīng)力吸收層瀝青灑鋪量下的試塊在裂紋反射至不同程度時的循環(huán)加載次數(shù)，通過對比可知，瀝青灑鋪量為1.7～2.0 kg/m2的試塊較灑鋪量為1.4～1.7 kg/m2的試塊加載次數(shù)增加了30%以上，對結(jié)構(gòu)阻止裂紋反射性能的提升有較明顯效果，而瀝青灑鋪量為2.0～2.3 kg/m2的試塊較灑鋪量為1.7～2.0 kg/m2的試塊增加的加載次數(shù)少于5%，對結(jié)構(gòu)阻止裂紋反射性能的提升效果不明顯，因此，采用2.0 kg/m2作為防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層的灑鋪量.

3 結(jié) 論

1) 防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層作為橋面鋪裝體系中的重要組成部分，由于其優(yōu)異的界面黏結(jié)性能，提升了橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)的疲勞性能和阻止裂縫反射性能，在不同瀝青材料組成的防水黏接應(yīng)力吸收層中，高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層對組合結(jié)構(gòu)的性能提升效果最好，由試驗(yàn)可知，高黏高彈防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層的瀝青灑鋪量為2.0 kg/m2時最佳.

2) 由組合結(jié)構(gòu)疲勞性能試驗(yàn)可以看出，面層SMA材料的選擇對組合結(jié)構(gòu)的疲勞性能有較大影響，使用高黏高彈SMA可以較大提升結(jié)構(gòu)的疲勞性能，提高橋面鋪裝層耐久性，延長橋梁使用壽命，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景.