瀝青混合料鋪裝層車(chē)轍加速加載試驗(yàn)及車(chē)轍有限元預(yù)估

黃承立 虞將苗 牛書(shū)彬 穆克雷 張東迎 余冰冰 陳全順

(中鐵十局集團(tuán)第三建設(shè)有限公司1) 合肥 230088) (華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院2) 廣州 510640) (中鐵十局集團(tuán)西北工程有限公司3) 西安 410000)

0 引 言

某大橋是我國(guó)在建的一條超大型跨海公路通道，大橋主體工程包括15.8 km深水區(qū)橋梁，除三座通航橋梁外，某大橋深水區(qū)非通航孔采用110 m跨整墩整幅鋼箱梁連續(xù)橋梁，淺水區(qū)非通航橋孔采用85 m跨組合連續(xù)梁，鋼箱梁連續(xù)梁橋面板主要采用正交異性鋼箱梁橋面板結(jié)構(gòu)形式[1-2].鋼橋面鋪裝面積約50萬(wàn)m2，是世界上規(guī)模最大的鋼橋面鋪裝工程.由于鋼橋面鋪裝層受復(fù)雜多變的自然環(huán)境影響及繁重交通的交通負(fù)荷作用，工作條件十分苛刻，鋼橋面鋪裝問(wèn)題現(xiàn)已是一項(xiàng)世界性的技術(shù)難題.而且該橋所處的區(qū)域夏季高溫、多雨，持續(xù)高溫時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)瀝青混合料鋪裝材料高溫性能要求更高.

針對(duì)某大橋擬采用的“下面層30 mm厚澆筑式瀝青+上面層40 mm厚SMA13”瀝青混合料橋面鋪裝結(jié)構(gòu)方案，采用大型直道MLS66型加速加載試驗(yàn)設(shè)備，在60 ℃溫度下以標(biāo)準(zhǔn)雙輪軸載的荷載水平進(jìn)行試驗(yàn)橋加速加載試驗(yàn)，運(yùn)行次數(shù)為5萬(wàn)次或車(chē)轍深度達(dá)到1 in(25.4 mm)進(jìn)行控制[3-4].建立與試驗(yàn)橋相同的鋼橋面鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)試驗(yàn)橋在相同條件下的永久變形進(jìn)行仿真.采用單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)方法對(duì)擬采用的兩種鋪裝材料在60 ℃溫度下的蠕變特性進(jìn)行試驗(yàn)研究；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，利用origin非線性擬合工具獲得基于冪率模型的蠕變參數(shù)；將參數(shù)輸入ABAQUS非線性有限元軟件，仿真得到模型在60 ℃下的永久變形.比較試驗(yàn)實(shí)測(cè)永久變形與仿真結(jié)果，驗(yàn)證了模型的合理性和實(shí)用性，為鋼橋面鋪裝瀝青層車(chē)轍研究提供理論支撐.

1 試驗(yàn)橋高溫性能加速加載試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)橋模型結(jié)構(gòu)形式

試驗(yàn)為足尺試驗(yàn)，試驗(yàn)構(gòu)件為實(shí)橋模型的部分節(jié)段.根據(jù)高溫加速加載試驗(yàn)條件構(gòu)件長(zhǎng)度方向?yàn)? 000 mm、寬度方向?yàn)? 300 mm、高度為1 680 mm，橫隔板間距2 500 mm，橋段沿橋長(zhǎng)度方向支撐長(zhǎng)度250 mm，橫向支撐寬度2 085 mm，底部端部支撐采用地錨式錨固.荷載中心位于邊腹板正上方.試驗(yàn)橋見(jiàn)圖1，模型主要尺寸見(jiàn)表1.

圖1 試驗(yàn)橋模型

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?mm

1.2 鋪裝層材料性能

根據(jù)某大橋擬采用的“澆筑式瀝青+SMA-13”瀝青橋面鋪裝結(jié)構(gòu)方案，加速加載試驗(yàn)用MA及SMA-13粗集料均為花崗巖，細(xì)集料采用石灰?guī)r集料，填料選用石灰?guī)r礦粉，SMA用穩(wěn)定劑采用絮狀木質(zhì)素纖維，摻量為混合料質(zhì)量的0.3%.根據(jù)文獻(xiàn)[5],考慮到我國(guó)與英國(guó)的氣候交通條件不同，同時(shí)參考香港安達(dá)臣瀝青有限公司提供的香港昂船洲大橋及青馬大橋混合料級(jí)配設(shè)計(jì)報(bào)告，MA類(lèi)鋪裝材料用瀝青膠結(jié)料采用A-70瀝青與特立尼達(dá)湖瀝青(TLA)按30%A-70+70%TLA摻配，兩種瀝青性能及在專(zhuān)用拌合罐內(nèi)混合后的性能見(jiàn)表2.

表2 MA用瀝青性能

SMA-13用瀝青膠結(jié)料采用殼牌SBS改性瀝青，技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表3.根據(jù)文獻(xiàn)[6]規(guī)定，并借鑒香港地區(qū)鋼橋面鋪裝成功案例，進(jìn)行MA配合比設(shè)計(jì)，見(jiàn)表4.據(jù)規(guī)范[7]及集料的篩分結(jié)果對(duì)SMA-13型瀝青混合料礦料級(jí)配范圍的要求，對(duì)SMA-13進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，見(jiàn)表5.

表3 SBS改性瀝青性能

表4 MA配合比

1.3 加速加載試驗(yàn)結(jié)果

加速加載試驗(yàn)一起采用南非生產(chǎn)的MLS66(mobile load simulator66)見(jiàn)圖2，此設(shè)備可以模擬路面在真實(shí)輪胎荷載作用.該設(shè)備由剛性主框架、六組輪架及內(nèi)部配有的雙輪胎等主要構(gòu)件組成，輪架在垂直環(huán)形導(dǎo)軌中運(yùn)行，當(dāng)軌道運(yùn)行到底部時(shí)，輪架上的測(cè)試輪與鋪面接觸施壓，見(jiàn)圖3.由前期大量的有限元分析模擬可知，該橋模型最不利荷載位置為加載中心位于試驗(yàn)橋腹板上方，見(jiàn)圖4.

表5 SMA-13配合比

本試驗(yàn)高溫加速加載試驗(yàn)溫度控制在60 ℃±2 ℃，采用雙輪組荷載為50 kN加載，輪壓0.7 MPa.

圖2 MLS66試驗(yàn)設(shè)備

圖3 MLS66荷載作用

圖4 測(cè)試橋上車(chē)輪荷載作用位置

分別于加載5 000，10 000，20 000，30 000及50 000次之后進(jìn)行道面平整度精確測(cè)量以確定車(chē)轍深度.車(chē)轍深度測(cè)量采用設(shè)備附帶的自動(dòng)斷面記錄儀(profile-meter)，它是一種利用位移傳感器記錄斷面車(chē)轍形態(tài)的儀器.瀝青鋪裝層斷面車(chē)轍深度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5.

圖5 斷面車(chē)轍深度

2 瀝青鋪裝層高溫蠕變參數(shù)研究

ABAQUS通用有限元軟件蠕變模型有冪率模型和雙曲正弦模型[8-9]，其中冪率模型有兩種形式為時(shí)間硬化形式和應(yīng)變硬化形式，對(duì)于蠕變過(guò)程應(yīng)力變化范圍不太大時(shí)，時(shí)間硬化形式比較合適.其微分表達(dá)式為

(1)

對(duì)式(1)進(jìn)行積分，積分結(jié)果為

(2)

為了獲得有限元模型澆筑式瀝青及SMA-13的蠕變參數(shù)，需要對(duì)瀝青混合料進(jìn)行單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn).蠕變?cè)囼?yàn)試件的原材料和配合比設(shè)計(jì)與高溫加速加載試驗(yàn)一致.參照文獻(xiàn)[10]中的試驗(yàn)方法T0713—2011，試件直徑為100 mm，高度為100 mm.其中澆筑式瀝青蠕變?cè)囼?yàn)試件為現(xiàn)場(chǎng)cooker機(jī)拌合后成型試件取芯，SMA-13采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件.利用MTS-810萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件在60 ℃溫度環(huán)境箱內(nèi)，進(jìn)行單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)，加載速率為2 mm/min.試件端部采用四氟乙烯薄膜墊塊作為潤(rùn)滑膜，考慮到澆筑式瀝青及SMA-13在60 ℃溫度下的蠕變特性，試驗(yàn)荷載水平不宜太大，本文澆筑式瀝青、SMA-13單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)所采用的荷載水平分別為0.3，0.5 MPa.60 ℃溫度下的澆筑式瀝青及SMA-13蠕變曲線見(jiàn)圖6.

圖6 60 ℃溫度下澆筑式瀝青、SMA-13蠕變曲線

根據(jù)蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)，利用origin非線性擬合工具通過(guò)擬合方程(2)即可得到蠕變參數(shù)A，n，m，見(jiàn)表6.

表6 蠕變參數(shù)

3 鋼橋面鋪裝有限元仿真研究

3.1 有限元模型結(jié)構(gòu)形式及邊界條件

ABAQUS有限元蠕變分析所采用的模型尺寸與加速加載試驗(yàn)橋模型一致.構(gòu)件長(zhǎng)度方向?yàn)? 000 mm、寬度方向?yàn)? 300 mm、高度為1 680 mm，懸臂伸出寬度為1 800 mm，橫隔板間距2 500 mm，橋段沿橋長(zhǎng)度方向支撐長(zhǎng)度250 mm，橫向支撐寬度2 085 mm，模型底部端部支撐采用固結(jié)約束.MA下面層厚度為30 mm，SMA-13上面層厚度為40 mm.瀝青層間的接觸采用TIE約束，MA層與鋼板之間的接觸也采用TIE約束.根據(jù)大量的鋼橋面鋪裝有限元計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)局部均布荷載位于橋段中部時(shí)為最不利荷載布置，為了模擬MLS66型加速加載試驗(yàn)設(shè)備相間3 080 mm的兩個(gè)輪組同時(shí)作用于試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系暮奢d，有限元模型荷載位置設(shè)置為一個(gè)輪組作用在橋段中部，荷載中心位于邊腹板正上方.另外一組輪組作用位置與橋段中部輪組相間3 080 mm，荷載中心也位于邊腹板正上方.模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7.

圖7 鋼橋面鋪裝有限元模型

3.2 有限元模型參數(shù)及荷載條件設(shè)置

ABAQUS蠕變分析過(guò)程先通過(guò)靜態(tài)分析后，在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)，然后才進(jìn)行蠕變計(jì)算.鋼材彈性模量取2.06×105MPa，密度為7.85×10-9t/mm3，瀝青混合料鋪裝層自重不計(jì).由于模型單元總數(shù)較多，為了提高計(jì)算速度，本模型采用兩種單元.鋼材采用殼單元(S4R)，瀝青混合料鋪裝層采用實(shí)體單元(C3D8R).荷載采用接地壓為0.7 MPa的等效靜荷載，輪胎與路面的接觸為直徑213 mm的圓.與加載次數(shù)相對(duì)應(yīng)的靜荷載可以用動(dòng)載等效方法進(jìn)行換算.車(chē)輛以恒定速度在路面上行駛時(shí)，車(chē)輪對(duì)路面的作用時(shí)間為

(3)

式中：d為輪胎與路面接觸圓直徑，m；v為車(chē)輛行駛速度，m/s.

MLS66型加速加載試驗(yàn)設(shè)備的加載速度為20 km/h，接觸圓的直徑為0.213 m，根據(jù)式(2)等效換算為靜荷載，將所換算的靜荷載作用時(shí)間作為蠕變分析步時(shí)間輸入到ABAQUS有限元中進(jìn)行瀝青鋪裝層的蠕變分析.

3.3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

分別經(jīng)過(guò)與加速加載運(yùn)行次數(shù)相對(duì)應(yīng)的192，383，767，1 150，1 917 s靜載加載后瀝青混合料路面車(chē)轍深度仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表7.

由表7可知，隨著荷載作用時(shí)間增大，車(chē)轍深度加深，這與試驗(yàn)橋加速加載試驗(yàn)結(jié)果一致.并且，車(chē)轍主要發(fā)生在MA層，SMA層車(chē)轍較小，與加速加載試驗(yàn)后現(xiàn)場(chǎng)切割的鋪裝層橫斷面一致，因而在鋪裝層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要著重考慮增強(qiáng)MA層的抗車(chē)轍性能.加速加載試驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果有一定的誤差.當(dāng)運(yùn)行次數(shù)較小時(shí)，誤差較大，這是因?yàn)榧铀偌虞d試驗(yàn)開(kāi)始階段，鋪裝層瀝青混合料處于壓密階段，這個(gè)階段表現(xiàn)出來(lái)的蠕變特性不明顯，車(chē)轍主要是由于材料被壓實(shí)發(fā)生的塑性變形；而仿真前期階段由于瀝青混合料蠕變變形發(fā)展較大，所以仿真結(jié)果比加速加載試驗(yàn)結(jié)果大.隨著運(yùn)行次數(shù)增加，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近.

表7 車(chē)轍深度實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果存在誤差的另外一個(gè)原因是現(xiàn)場(chǎng)加速加載試驗(yàn)施加的是動(dòng)荷載而仿真分析采用的是等效靜荷載，由于橋面鋪裝材料對(duì)外界荷載加載頻率較敏感，在不同加載速度下橋面鋪裝材料彈性模量差別很大，是一個(gè)變化值，有限元采用的彈性模量是固定值，因而計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果有差別，而且有限元模型應(yīng)力場(chǎng)與實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)也有差別，這也將影響鋪裝材料的蠕變變形.

然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的誤差在運(yùn)行次數(shù)在10 000～50 000次范圍內(nèi)小于17%，模擬效果良好，因而可以運(yùn)用此方法來(lái)預(yù)估鋼橋面瀝青鋪裝層高溫車(chē)轍深度.

4 結(jié) 論

1) 車(chē)轍主要發(fā)生在澆注式瀝青混凝土層，上面層的SMA結(jié)構(gòu)車(chē)轍變形較小，在澆注式瀝青混凝土鋪裝體系中，需要考慮增強(qiáng)MA層的抗車(chē)轍能力性能.

2) 荷載作用時(shí)間越長(zhǎng)或荷載作用次數(shù)越多，車(chē)轍深度就越大.

3) 現(xiàn)場(chǎng)加速加載試驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果比較接近，誤差可以接受.

4) 利用有限軟模型仿真分析鋼橋面鋪裝材料車(chē)轍性能確實(shí)可行.