鋼橋面澆注式瀝青+改性瀝青SMA 鋪裝結(jié)構(gòu)疲勞抗裂性能評(píng)估

王 民，萬國琪，胡德勇，李開一

（1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶市 400067；2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶市 401336）

0 引 言

鋼橋面鋪裝作為橋梁工程的重要組成部份，一直是一個(gè)世界性難題，倍受行業(yè)與社會(huì)關(guān)注[1-4]。在我國特殊的交通、氣候條件下，鋼橋面鋪裝在運(yùn)營早期病害頻發(fā)，大跨徑鋼橋橋面鋪裝使用壽命難以達(dá)到設(shè)計(jì)壽命。疲勞開裂是一種最常見的鋼橋面早期病害，如我國1997 年建成的虎門長江大橋、1999 年建成的江陰長江公路大橋、2000 年建成的南京長江二橋等均出現(xiàn)了不同程度的疲勞開裂病害[5-6]。此類病害對(duì)瀝青路面的行車舒適性和安全性影響并不大，但其破壞了鋼橋面結(jié)構(gòu)的整體性和連續(xù)性，雨水通過裂縫滲入鋪裝層內(nèi)部，在行車載荷作用下發(fā)生沖刷和唧泥現(xiàn)象，進(jìn)而加速鋪裝層的破壞，導(dǎo)致松散、坑槽等病害的出現(xiàn)，這不僅降低了行車舒適性，還增加了行車的危險(xiǎn)性[7]。

目前國內(nèi)大跨徑鋼橋基本采用的是正交異性鋼橋面板支撐結(jié)構(gòu)，U 肋、橫隔板以及縱腹板等起到加勁作用，但同時(shí)也造成了該部位鋼橋面鋪裝產(chǎn)生應(yīng)力集中，反復(fù)出現(xiàn)彎拉應(yīng)力，引起疲勞開裂。針對(duì)鋼橋面鋪裝出現(xiàn)的疲勞開裂，徐偉[8]等基于瀝青材料的黏彈性分析了鋼橋面鋪裝材料疲勞損傷特征；黃文通[9]等基于應(yīng)變條件下的彎曲試驗(yàn)分析了不同鋼橋面鋪裝材料的疲勞性能；張順先[10]等建立環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝材料疲勞壽命預(yù)估模型。

本文基于馬鞍山長江公路大橋鋼橋面鋪裝的鋪裝材料和使用條件，建立疲勞開裂預(yù)估模型，為今后我國大跨徑鋼橋面鋪裝使用狀況進(jìn)行預(yù)測，并指導(dǎo)鋼橋面鋪裝的養(yǎng)護(hù)工作，可有效促進(jìn)鋼橋面鋪裝的使用品質(zhì)及耐久性提升。

1 材料及實(shí)驗(yàn)條件

（1）鋪裝材料

高彈改性SMA 具有優(yōu)異的隨從變形能力和抗疲勞開裂性能，與正交異性板有很好的適配性，形成了國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的典型鋪裝——澆注式瀝青混合料+高彈改性SMA 組合結(jié)構(gòu)。因此，在研究過程中，選用高彈改性SMA10 作為研究對(duì)象進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。高彈改性瀝青技術(shù)指標(biāo)見表1，高彈改性SMA10 最佳油石比為6.4%，聚酯纖維用量為0.2%，混合料技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 高彈改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 高彈改性S MA10 混合料技術(shù)指標(biāo)

（2）實(shí)驗(yàn)條件

四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)采用澳大利亞的氣動(dòng)伺服四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)儀，試驗(yàn)采用偏正弦波加載，加載頻率為10 Hz，采用應(yīng)變控制模式。試驗(yàn)過程中，設(shè)定3 種試驗(yàn)溫度，每種溫度下設(shè)定3～4 個(gè)應(yīng)變水平。每組試驗(yàn)進(jìn)行3 組平行試驗(yàn)，以勁度模量降低50%為判斷疲勞失效標(biāo)準(zhǔn)。具體試驗(yàn)條件見表3。

表3 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)條件

2 鋪裝材料疲勞行為方程

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上節(jié)設(shè)定的試驗(yàn)條件，制作成型試件（380 mm×63.5 mm×50 mm）進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在高溫區(qū)域，高彈改性瀝青SMA10 表現(xiàn)出比較好的疲勞特性，在低應(yīng)變條件下幾乎不出現(xiàn)開裂，即使在高應(yīng)變條件下也表現(xiàn)出優(yōu)異的疲勞耐久性；在低溫區(qū)域，瀝青混合料的勁度模量較高，抗疲勞開裂能力明顯下降。

表4 四點(diǎn)彎曲疲勞次數(shù) 單位：萬次

2.2 疲勞行為方程

根據(jù)不同溫度和應(yīng)變條件下的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)疲勞次數(shù)與應(yīng)變水平進(jìn)行回歸分析，得到不同溫度時(shí)的疲勞次數(shù)與應(yīng)變水平的指數(shù)關(guān)系曲線，如圖1 所示。從圖1 可知，三條回歸曲線的相關(guān)性系數(shù)R 都大于0.9，說明疲勞次數(shù)與應(yīng)變水平之間具有顯著性的相關(guān)性。

圖1 不同溫度下的疲勞次數(shù)與應(yīng)變水平的對(duì)數(shù)關(guān)系

在室內(nèi)疲勞試驗(yàn)時(shí)，考慮試驗(yàn)條件比橋面鋪裝的更實(shí)際受力條件嚴(yán)格，如室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)荷載間歇時(shí)間要遠(yuǎn)低于鋪裝層實(shí)際的荷載情況，荷載間歇時(shí)間短將加速裂縫的擴(kuò)展。為了使室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果較準(zhǔn)確地反應(yīng)橋面鋪裝實(shí)際情況，需要采用修正系數(shù)對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，以代表實(shí)際鋪裝層疲勞狀況。考慮到間歇時(shí)間、裂縫擴(kuò)展時(shí)間等因素的影響，采用的修正系數(shù)為5[11]。修正后的高彈改性瀝青在每種溫度下的應(yīng)變疲勞方程見表5。

表5 疲勞試驗(yàn)回歸結(jié)果

其中，N 為荷載疲勞次數(shù)，ε 為應(yīng)變水平。

3 鋼橋面鋪裝疲勞開裂預(yù)估模型

3.1 鋼橋面拉應(yīng)變有限元分析

建立基于馬鞍山長江公路大橋結(jié)構(gòu)條件的有限元計(jì)算模型，對(duì)GA+SMA 鋪裝結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)分析。通過采用solid95 單元模擬橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層和鋼箱梁頂板，采用shell93 單元模擬加勁肋和橫隔板等除頂板之外的正交異性鋼橋面板組件。同時(shí)，考慮到計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和精度的平衡，不同部位的單元?jiǎng)澐钟兴鶄?cè)重，對(duì)加載區(qū)域的單元?jiǎng)澐诌M(jìn)行了適度的加密。

在對(duì)鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載響應(yīng)力學(xué)分析時(shí)，采用公路Ⅰ級(jí)荷載車輛荷載的雙后軸（2×140 kN）作為基本荷載，沖擊系數(shù)選為1.3。有限元分析時(shí)正交異性鋼橋面板的幾何參數(shù)見表6，鋪裝下層澆注式瀝青混合料GA10、上層高彈改性SMA10 力學(xué)參數(shù)見表7。

表6 正交異性鋼橋面板幾何參數(shù) 單位：mm

表7 瀝青混合料力學(xué)參數(shù)取值

通過實(shí)橋結(jié)構(gòu)條件的有限元模型，分析了不同溫度狀態(tài)下的鋼橋面鋪裝層表面最大橫向彎拉應(yīng)變，分析結(jié)果見表8。

表8 不同溫度下的鋪裝層出現(xiàn)的彎拉應(yīng)變

3.2 溫度區(qū)間內(nèi)鋼橋面鋪裝預(yù)估荷載作用次數(shù)

將計(jì)算出的不同溫度下的鋪裝層最大彎拉應(yīng)變代入疲勞方程中，計(jì)算不同溫度下的鋪裝層預(yù)估荷載最大作用次數(shù)，計(jì)算時(shí)安全系數(shù)選為1.3，計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 鋪裝層預(yù)估荷載作用次數(shù)

3.3 溫度區(qū)間內(nèi)鋼橋面鋪裝標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)

馬鞍山長江公路大橋位于長江下游，該地區(qū)年平均溫度為15.9 ℃，一年中最熱月為7 月，平均溫度為28.3 ℃，最冷月為1 月，平均溫度為2.9 ℃。每月氣溫的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表10。

表10 馬鞍山長江公路大橋橋區(qū)逐月平均氣溫 單位：℃

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，按照5℃、15℃、25℃溫度區(qū)間進(jìn)行劃分，其中5℃代表的月份為12 月、1 月、2 月，15℃代表的月份為3 月、4 月、5 月、10 月、11 月，25℃代表的月份為6 月、7 月、8 月、9 月。

同時(shí)，根據(jù)溫度時(shí)間分區(qū)（5℃、15℃、25℃），各溫度區(qū)間長度在一年中所占的比例分比為3/12、5/12、4/12，假設(shè)每年內(nèi)的交通量在時(shí)間長度上平均分布，則可根據(jù)溫度區(qū)間所占的時(shí)間比例計(jì)算出在路面設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)各溫度區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)。

馬鞍山長江公路大橋鋼橋面鋪裝以公路-Ⅰ級(jí)荷載為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載，根據(jù)初步設(shè)計(jì)對(duì)交通量預(yù)測的結(jié)果，現(xiàn)按照設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道標(biāo)準(zhǔn)軸載的累計(jì)當(dāng)量軸次為23.2×106次計(jì)算。根據(jù)以上溫度區(qū)間所占的時(shí)間比例，可得到設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道在各溫度區(qū)間內(nèi)累計(jì)當(dāng)量軸次數(shù)，見表11。

表11 不同溫度區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)

3.4 鋼橋面疲勞開裂預(yù)估模型

用于疲勞損傷計(jì)算公式為

式中：PLDi為疲勞損傷度；Nsi為標(biāo)準(zhǔn)軸載實(shí)際作用次數(shù)；Nyi預(yù)估荷載最大作用次數(shù)。每個(gè)溫度區(qū)間下的疲勞損傷度計(jì)算結(jié)果見表12。

表12 不同溫度下的疲勞損傷度

結(jié)合路面的疲勞損傷度和設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)可確定建立鋼橋面鋪裝疲勞壽命SMpl，其預(yù)估模型為

式中：SMpl為鋼橋面鋪裝疲勞開裂時(shí)的壽命，以預(yù)估疲勞荷載作用次數(shù)表示；Nsi為第i 個(gè)溫度區(qū)間的設(shè)計(jì)年限內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)。

根據(jù)馬鞍山長江公路大橋鋼橋面鋪裝預(yù)估模型和設(shè)計(jì)年限內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)，可以計(jì)算出當(dāng)澆注式瀝青混凝土GA10+高彈改性SMA10 鋪裝結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂時(shí)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)將達(dá)到2.48×106次。按照設(shè)計(jì)年限為15 a 的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)計(jì)算，馬鞍山長江大橋鋼橋面鋪裝出現(xiàn)疲勞開裂時(shí)的壽命為16.0 a。

高彈改性瀝青是針對(duì)鋼橋面鋪裝使用特點(diǎn)開發(fā)出來的一種瀝青結(jié)合料，具有非常好的低溫延度，其5℃延度一般要求大于50 cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通的改性瀝青。采用該種瀝青拌制的瀝青混合料SMA10（稱為高彈改性SMA10） 也具有優(yōu)異的抗開裂性能，其-10℃低溫彎拉應(yīng)變是普通瀝青混合料2～3 倍，其四點(diǎn)彎曲疲勞次數(shù)是普通瀝青混合料的8～10 倍。正是由于高彈改性瀝青優(yōu)異的抗疲勞開裂能力，使其更好地適應(yīng)了鋼橋面鋪裝反復(fù)出現(xiàn)大變形的特點(diǎn)，有效遏制鋼橋面鋪裝疲勞開裂病害的出現(xiàn)。

4 結(jié) 論

（1） 高彈改性SMA10 疲勞壽命受溫度影響顯著。在相同應(yīng)變條件下，溫度每升高10℃，其疲勞壽命提升4～5 倍；溫度越高，其疲勞壽命提升的幅度越大。因此，在高溫期，鋼橋面鋪裝幾乎不會(huì)出現(xiàn)開裂。

（2）高彈改性SMA10 在不同溫度區(qū)間，疲勞開裂作用次數(shù)與所承受的應(yīng)變條件之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)均大于0.9，表明所建立的疲勞方程能很好地揭示高彈改性SMA10 的疲勞行為。

（3）從疲勞行為方程可以看出，應(yīng)變條件對(duì)高彈改性SMA10 的影響顯著。而鋼橋面鋪裝出現(xiàn)的大部分應(yīng)變都是由于車輛荷載所引起的，且重載車輛往往容易引起更大的變形，這也揭示了重載車輛是造成鋼橋面鋪裝開裂的一個(gè)重要因素。

（4）通過疲勞行為方程以及實(shí)橋最大彎拉應(yīng)變的有限元力學(xué)計(jì)算結(jié)果，推導(dǎo)出鋼橋面鋪裝疲勞壽命預(yù)估模型。通過疲勞壽命預(yù)估模型，計(jì)算出澆注式瀝青混合料GA10+ 高彈改性SMA10 鋪裝結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂的疲勞壽命為16 a。這表明：在鋼橋面鋪裝的設(shè)計(jì)年限內(nèi)（15 a），澆注式瀝青混合料+ 高彈改性SMA10 鋪裝結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)開裂，這位大跨徑鋼橋橋面鋪裝方案的選擇提供了理論依據(jù)。