多角度下鋼橋面瀝青鋪裝層裂縫研究

白明舉 周智海 詹程陽(yáng)

【摘?要】為深入剖析鋼橋面瀝青鋪裝層的裂縫病害，對(duì)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)行了綜述。首先，探討了不同鋼橋面瀝青鋪裝層裂縫類型及其成因;其次，分析了鋼橋面瀝青鋪裝層裂縫產(chǎn)生的機(jī)理;最后，研究了基于斷裂、損傷力學(xué)的鋼橋面瀝青鋪裝層裂縫開(kāi)展行為。研究結(jié)果表明：鋼橋面瀝青鋪裝中的疲勞裂縫是其主要病害，主要可分為Top-Down型和Down-Top型。鋼橋面瀝青鋪裝層裂縫的行為可以采用疲勞、損傷、斷裂力學(xué)的理論方法，并通過(guò)應(yīng)力強(qiáng)度因子、J積分、尖端張開(kāi)位移等參數(shù)，在溫度、初始縫高比、初始縫深等因素下的變化進(jìn)行判斷，并最終可以對(duì)鋪裝層的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

【關(guān)鍵詞】鋼橋面瀝青鋪裝層;裂縫;疲勞斷裂;研究進(jìn)展

Research on cracks in steel pavement asphalt pavement under multiple angles

Bai Ming-ju1，Zhou Zhi-hai2，Zhan Cheng-yang3

（1.Guizhou Duyun Highway Administration?Duyun?Guizhou?558000 ;

2.China Merchants Chongqing Communication Research & Design Institute Co.，Ltd?Chongqing?400067;

3.Chongqing Jiaotong University?Chongqing?400074）

【Abstract】In order to deeply analyze the cracks in the asphalt pavement of large-span steel bridge decks， the research at home and abroad is reviewed. Firstly， the crack types and their causes of different steel bridge deck asphalt pavements are discussed. Secondly， the mechanism of cracks in steel pavement asphalt pavement is analyzed. Finally， the steel bridge deck asphalt pavement based on fracture and damage mechanics is studied. Layer behavior. The results show that the fatigue cracks in steel pavement asphalt pavement are the main diseases. The fatigue cracks can be divided into two categories： Top-Down type and Down-Top type. The behavior of steel bridge deck asphalt pavement cracks can be adopted. The theoretical methods of fatigue， damage and fracture mechanics are judged by the factors such as temperature， initial joint height ratio and initial seam depth by parameters such as stress intensity factor， J integral and crack tip opening displacement， and finally paved. The fatigue life of the layer is predicted.

【Key words】Steel deck asphalt pavement;Crack fatigue and fracture;Research progress

1. 引言

（1）自上世紀(jì)30年代以來(lái)，世界各國(guó)橋梁的發(fā)展十分迅速，我國(guó)自90年代開(kāi)始進(jìn)入橋梁建設(shè)高峰期 [1]。以往的橋梁多屬于跨?？缃惔髽颍医Y(jié)構(gòu)較為單一。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和交通的需要，許多省干線公路也通過(guò)橋梁架構(gòu)進(jìn)行路網(wǎng)間布局，并取得了顯著的社會(huì)效益，是未來(lái)的主流發(fā)展趨勢(shì)。其中鋼箱梁由于強(qiáng)度大、自重輕、優(yōu)良的韌塑性、受風(fēng)阻力小以及便于施工等優(yōu)點(diǎn)，成為廣大道路橋梁設(shè)計(jì)者的首要選擇。

（2）鋼箱梁平衡了跨徑與自重之間的矛盾，但也對(duì)其上的瀝青層提出了更高的挑戰(zhàn)。受限于設(shè)計(jì)規(guī)范的局限性和對(duì)鋼橋面瀝青鋪裝層認(rèn)識(shí)的不深入，我國(guó)早期的眾多省干線鋼橋?yàn)r青鋪裝層僅被當(dāng)作普通市政道路進(jìn)行修建，導(dǎo)致橋面通車后短期內(nèi)便產(chǎn)生了許多病害，如裂縫、車轍、坑槽、推移擁包及黏結(jié)層破壞等。其中又以疲勞裂縫最為嚴(yán)重和普遍[2]。裂縫的產(chǎn)生不僅使得橋面鋪裝的維修與養(yǎng)護(hù)消耗了額外的人力、物力，更是對(duì)鋼箱梁橋在省干線中的使用造成了制約。瀝青鋪裝層的疲勞開(kāi)裂問(wèn)題已成為了世界各國(guó)橋面鋪裝的“頑疾”[3]。近年來(lái)，經(jīng)過(guò)各國(guó)學(xué)者的不懈努力，鋼橋面瀝青鋪裝裂縫研究已獲得初步進(jìn)展。鑒于此，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)行歸納與總結(jié)，以期提高鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)和建設(shè)的科學(xué)性與合理性。

2. 鋼橋面鋪裝層裂縫類型及成因

2.1?主要裂縫類型。

（1）由于鋼橋面瀝青鋪裝和路面存在顯著差異，如圖1所示，同時(shí)在荷載的循環(huán)往復(fù)作用下，便會(huì)產(chǎn)生多種裂縫（路面和鋼橋面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1）。

（2）鋪裝層的裂縫主要可以分為兩大類：Top-Down型和Down-Top型，兩類裂縫在鋼橋面瀝青鋪裝層裂縫總量中達(dá)到了90%以上，其中又以第一類裂縫最為常見(jiàn)，部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。Top-Down型裂縫主要在肋頂和橫隔板頂端間出現(xiàn)，多呈自上而下的延伸狀態(tài)，此類裂縫為鋼橋面瀝青鋪裝層的特有裂縫[4]，如圖2所示（Top-Down型裂縫見(jiàn)圖2） 。

（3）第二類是類似于普通瀝青路裂縫自下向上擴(kuò)展的Down-Top型裂縫，多出現(xiàn)在一個(gè)縱肋的側(cè)肋之間和兩個(gè)縱肋的腹板之間，如圖3所示[5]。有關(guān)學(xué)者在對(duì)國(guó)內(nèi)多座鋼橋?yàn)r青鋪裝層進(jìn)行跟蹤調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)橋面鋪裝都不同度的含有以上兩種裂縫[6]（Down-Top型裂縫見(jiàn)圖3）。

2.2?不同裂縫成因。

（1）Top-Down型裂縫和Down-Top型裂縫其各自的成因有所不同。Top-Down型裂縫的產(chǎn)生與正交異性板的構(gòu)造關(guān)聯(lián)性較高。正交異形板通常由縱向加勁肋、橫隔板、鋼面板等組成。目前認(rèn)為，板之間的多物理因素耦合是導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的主要原因。而Down-Top型裂縫更多的是由于瀝青鋪裝層與鋼面板之間不完全連續(xù)的層間接觸條件，以及層間防水粘結(jié)層的滑移失效引起的[6]。

（2）裂縫開(kāi)展時(shí)期方面，Top-Down型裂縫一般先于Down-Top型出現(xiàn)，通常處于橋梁使用的初期階段，且不易被檢測(cè)發(fā)現(xiàn)。而Down-Top型裂縫則出現(xiàn)較晚，一般發(fā)生于橋面鋪裝設(shè)計(jì)年限中期或中后期。因此，當(dāng)Down-Top型裂縫大面積出現(xiàn)在鋼橋面鋪裝時(shí)，說(shuō)明其使用耐久性已經(jīng)達(dá)到了臨界點(diǎn)，應(yīng)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行矯正性維修或養(yǎng)護(hù)。而對(duì)于裂縫開(kāi)展路徑方面，目前仍有部分爭(zhēng)議。主流觀點(diǎn)認(rèn)為，由于縱肋內(nèi)的瀝青鋪裝層底的橫向拉應(yīng)力遠(yuǎn)比鋪裝層表面的橫向拉應(yīng)力大，因此Down-Top型裂縫先由層底進(jìn)行開(kāi)裂，然后傳至層頂，這也與眾多工程破壞實(shí)例是相一致[7]。但有關(guān)學(xué)者通過(guò)能量耗散原理對(duì)日本鋼橋面瀝青鋪裝層進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，Down-Top型裂縫在層間完全接觸條件下，其出現(xiàn)位置是在車輪荷載的最外側(cè)。然而這與較多的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果相反，僅符合少數(shù)工程實(shí)例，有待進(jìn)一步研究。

2.3?其他裂縫。

除了主流的Top-Down型和Down-Top型裂縫外，橋面鋪裝還存在少量其他類型的裂縫，如：放射環(huán)狀裂縫、無(wú)規(guī)律短頭發(fā)絲狀的裂縫、U型裂縫[8]。放射環(huán)狀裂縫是由于鋪裝層中鼓包導(dǎo)致的。無(wú)規(guī)律短頭發(fā)絲狀的裂縫主要是由施工過(guò)程中質(zhì)量控制環(huán)節(jié)的差異性引起的。U型裂縫則多是因?yàn)榉浪辰Y(jié)層粘結(jié)力和抗剪切力較低，以及鋪裝層瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不足造成的。

3. 鋪裝層裂縫產(chǎn)生的機(jī)理

由于汽車荷載和外界溫度等因素的反復(fù)變化，導(dǎo)致鋼橋面鋪裝層受到其內(nèi)部擾動(dòng)應(yīng)力的反復(fù)作用，當(dāng)局部區(qū)域受到過(guò)高的內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的疲勞裂紋。根據(jù)疲勞和斷裂力學(xué)原理，疲勞開(kāi)裂是一個(gè)發(fā)展的過(guò)程，包括疲勞裂紋萌生、穩(wěn)定擴(kuò)展及失穩(wěn)擴(kuò)展。

3.1?支撐條件。

瀝青鋪裝層與普通瀝青路面的支撐條件不同。普通瀝青路面是沿水平方向，在充分壓實(shí)后達(dá)到良好剛度和強(qiáng)度的路基板上鋪助的。而鋼橋面瀝青鋪裝層是鋪設(shè)在由縱向加勁肋、與縱向加勁肋正交的橫隔板、鋼面板組成的正交異性板上的[9～10]，一般為3至8cm的薄層，其簡(jiǎn)化模型如圖4所示 [11]。這種正交異性板作為支撐條件時(shí)柔性較大，當(dāng)行車荷載和溫度應(yīng)力反復(fù)作用其上時(shí)，縱向加勁肋頂部、縱隔板以及橫隔板頂部更易受到影響，產(chǎn)生較大的橫向拉應(yīng)力和橫向拉應(yīng)變。當(dāng)應(yīng)力和應(yīng)變超出震幅范圍時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生一種自上而下的疲勞裂紋，即為Top-Down型裂紋，這種裂縫行為與普通瀝青路面在行車荷載作用下的受力模式是全然不同的。

3.2?溫度。

首先，由于鋼箱梁封閉或半封閉的縱向加勁肋引起的箱室效應(yīng)，導(dǎo)致正交異性板溫度異常的高，通?？蛇_(dá)70～80℃[12]。同時(shí)，鋼橋一般位于交通狀況極為復(fù)雜的咽喉地段，其溫度條件較普通瀝青路面更為惡劣，最終導(dǎo)致鋪裝層產(chǎn)生一系列的疲勞裂縫，對(duì)耐久性造成了嚴(yán)重?fù)p害。其次，瀝青具有感溫性，瀝青鋪裝層疲勞斷裂受溫度的影響很大。有研究表明，5℃為瀝青鋪裝層發(fā)生線彈性和彈塑性開(kāi)裂的臨界溫度[13]。當(dāng)溫度低于5℃時(shí)，鋪裝層發(fā)生脆性斷裂。值得注意的是，當(dāng)水份侵入裂縫內(nèi)產(chǎn)生水壓力時(shí)，溫度對(duì)鋪裝層開(kāi)裂的影響又有所不同。當(dāng)溫度在5～30℃范圍內(nèi)逐漸升高時(shí)，鋪裝層彈塑性斷裂下的裂尖J積分值不斷增大，導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展的趨勢(shì)進(jìn)一步增加[14]。

3.3?荷載條件。

（1）無(wú)論是對(duì)瀝青路面還是瀝青鋪裝層來(lái)說(shuō)，重載、超載帶來(lái)的破壞都是毀滅性的，可以使疲勞等效下的當(dāng)量軸次成百上千倍增加。我國(guó)車輛超載現(xiàn)象仍然十分嚴(yán)重。有關(guān)研究表明：過(guò)載30%時(shí)，鋼橋面鋪裝層引起的疲勞損傷是BZZ-190標(biāo)準(zhǔn)軸載的6倍;過(guò)載50%和100%時(shí)則分別是標(biāo)準(zhǔn)軸載的32倍及93倍[14]。

（2）綜上所述，鋼橋面板特殊的支撐條件、溫度條件、交通條件，促使了瀝青鋪裝層在行車荷載和溫度的反復(fù)作用下疲勞裂縫的產(chǎn)生。此外，光照、濕度、風(fēng)荷載等一系列耦合因素更進(jìn)一步對(duì)鋼橋面鋪裝的耐久性提出了挑戰(zhàn)。由于鋼橋面建設(shè)史在我國(guó)時(shí)期不長(zhǎng)，同時(shí)其上的瀝青鋪裝層投入運(yùn)營(yíng)也多在20～30年間。因此，在后續(xù)的研究中探尋鋼橋面瀝青鋪裝層裂縫產(chǎn)生與發(fā)展更為詳細(xì)的機(jī)理，依舊擁有較高的平臺(tái)和廣闊的前景。

4. 基于力學(xué)的鋪裝層裂縫行為研究

4.1?基于斷裂力學(xué)。

斷裂力學(xué)源于20世紀(jì)50年代。其假定前提是構(gòu)件中已存在裂縫，而后對(duì)該構(gòu)件在不同行車荷載、溫度和濕度的循環(huán)作用下，進(jìn)行裂縫平衡、穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)斷裂規(guī)律研究[15]。斷裂力學(xué)主要針對(duì)各種含裂紋構(gòu)件的研究，鋼橋面瀝青鋪裝層包含其中。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。Salam等應(yīng)用粘彈性損傷模型的能量轉(zhuǎn)換方法對(duì)瀝青鋪裝層的損傷場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行了分析[16]。以裂縫產(chǎn)生的機(jī)理和鋪裝層與正交異性板組合而成的復(fù)合體系的損傷場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)在荷載作用下的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律為基礎(chǔ)，最終得出了車輛軸載換算公式和瀝青鋪裝層疲勞性能方程，如圖5所示。研究結(jié)果成功應(yīng)用于南京長(zhǎng)江二橋?qū)嶋H工程中。