靜載作用下較厚型鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝力學行為研究

曾國東，黃紅明，徐偉

（1.佛山市交通科技有限公司，廣東 佛山 528041；2.佛山市公路橋梁工程監(jiān)測站有限公司，廣東 佛山 528041；3.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510640）

中國開展正交異性鋼橋面鋪裝研究已有30 余年，成功經驗表明，優(yōu)良的鋼橋面鋪裝結構和材料設計可有效提高鋼橋面鋪裝的性能和使用壽命［1-3］。而明確橋面鋪裝受力特點與力學指標要求，是進行鋼橋面鋪裝材料設計的一個基本前提條件［4］。由于通車狀態(tài)下實際橋面鋪裝受力狀態(tài)檢測難度較大，目前主要通過理論計算和數值模擬進行鋼橋面鋪裝的受力狀態(tài)研究，而對具有黏彈性的瀝青混凝土橋面鋪裝，特別是大型橋梁鋪裝結構進行黏彈性數值模擬和力學計算難度很大，因此，一般做彈性假設，但計算結果并未通過實橋檢測驗證［5-8］。鑒于此，考慮到環(huán)氧瀝青鋪裝是中國目前應用較多的鋼橋面鋪裝結構之一［9-10］，本文通過對在役較厚型鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝實橋進行靜載檢測，明確實橋在交通荷載作用下的受力狀態(tài)，為鋼橋面鋪裝結構和材料設計提供參考依據。

1 橋面鋪裝受力狀態(tài)評價方案

選取佛山平勝大橋作為研究對象，該橋為獨塔自錨式四索面懸索橋，鋼橋面板厚度16 mm，劃分為較厚型鋼橋面板，全長680.2 m。主橋布置為東西幅鋼-混結合梁懸索橋，其中主跨350 m 采用加勁鋼箱梁，鋼箱梁單幅橋面寬為20.5 m，梁中心高度3.05 m，雙向十車道。鋼箱梁縱向處于R=11 500 m 的圓弧豎曲線上，單幅橋橫向設2%單向排水坡［2，11］。

（1）檢測位置

選用右幅從主塔往外數的第6 根吊索處橫隔梁上緣及橫梁中間的橋面板下表面、橋面鋪裝層表面進行試驗檢測。一是該區(qū)域橋面鋪裝未出現破壞，可以代表完好橋面鋪裝狀態(tài)；二是該處橋面板結構具有代表性。

（2）檢測內容

分別對橋面板下表面、橋面鋪裝層的橫隔板及橫隔板中間的橫、軸兩個方向的靜態(tài)應變進行檢測。由于鋼結構的受力狀態(tài)檢測精度相對較高，橋面板下表面應變檢測結果可用于校核橋面鋪裝力學計算的結構模型、設計試驗模擬模型；橋面鋪裝層的應變檢測結果可用于分析橋面鋪裝層表面受力狀態(tài)。

橫橋方向應變是影響橋面鋪裝受力狀態(tài)及破壞的主要因素，因此本文以檢測分析橫橋方向應變?yōu)橹鳎糠治恢脤蜉S向應變進行檢測，橋面板下表面共設置28 個應變檢測點，橋面鋪裝層表面共設置36個應變檢測點，檢測位置如圖1、2 所示，其中圖1 中13、14、27、28；圖2 中15、16、17、18、33、34、35、36 號為軸向應變片，其余均為橫向應變片。

圖1 橋面板下表面應變檢測位置布置圖

圖2 橋面鋪裝層表面應變檢測位置布置圖

（3）加載車輛

試驗加載車輛采用基本符合路面檢測標準車要求的單后軸雙側四輪自卸車2 輛，其后軸重分別為100 kN、150 kN，其中150 kN 軸載主要進行超載比較分析。

（4）測試儀器

靜態(tài)應變測試儀器采用東京測器TDS-303 測量系統(tǒng)。

2 橋面板下表面應變靜載評價分析

由于鋪裝層底面的應變情況檢測難度很大，考慮到鋪裝層與鋼橋面板屬于一體化結構體系，通過鋼橋面板下表面應變檢測，在一定程度上間接反映鋪裝層底面的應變水平，同時也可為橋面鋪裝復合結構體系評價提供參考數據。

橋面板下表面應變測試包括100 kN 與150 kN靜載試驗，分別檢測圖3 中A、B 區(qū)域的應變分布情況，檢測時橋面板下表面的溫度為27.5 ℃。

圖3 試驗檢測輪軸位置示圖

2.1 測試試驗方案

試驗數據在鋼箱梁內采集，為減少對交通通行的影響，采用圖3 的方式布置車輛軸載，檢測區(qū)域輪胎荷載位置如圖4 所示，即加載車左側雙輪內側輪跡邊緣從加勁肋腹板上緣起每次移動100 mm，共4 個工況，B、A 區(qū)域荷載位置1、2、3、4 分別對應于工況1、2、3、4、5、6、7、8，分析不同荷載位置工況下的應變以確定最不利的臨界荷位。

圖4 橋面鋪裝應變檢測靜載試驗荷位圖（單位：mm）

2.2 應變整體情況分析

應變片1～14 為檢測B 區(qū)域應變情況，應變片15～28 為檢測A 區(qū)域應變情況。具體檢測情況如下：

（1）工況1～4 情況下，A 區(qū)域的100 kN 與150 kN 軸載作用下應變的對應關系變化復雜，部分100 kN 軸載作用下應變反而比150 kN 軸載作用下應變大；工況5～8 情況下，A 區(qū)域100 kN 與150 kN 軸載作用下應變對應規(guī)律較明顯（應變較大值位置應變總體增加50%）。這主要是因為A 區(qū)域位于箱梁橫隔板上緣，此處正交異性橋面板結構更復雜，加之工況1～4 并未直接作用于A 區(qū)域上，實際加載過程中100 kN 與150 kN 軸載的同一工況荷載位置很難保證完全一致，荷載加載位置差異導致結構受力狀態(tài)明顯變化。

（2）B 區(qū)域位于相鄰兩橫隔板中間，100 kN、150 kN 軸載作用下應變對應規(guī)律較明顯。在應變數值較大位置，150 kN 軸載比100 kN 軸載作用下的應變總體增加50%，這表明橋面板結構基本處于彈性狀態(tài)。

100 kN 與150 kN 軸載作用下各檢測點應變數值分布情況見圖5。

圖5 橋面板下表面應變數據圖

由圖5 可知：

（1）從總體上看，A 區(qū)域（應變片編號15～28）與B 區(qū)域（應變片編號1～14）應變數值大小并沒有明顯區(qū)別，但150 kN 軸載作用下的應變明顯高于100 kN軸載作用下的應變，說明荷載位置變化并沒有改變A、B 區(qū)域應變數值的大小，但是軸載的增大明顯增加了橋面板下表面的應變。

（2）檢測點16 與25 處拉應變值較高，也即兩軸向加勁肋間橋面板中部出現較高的拉應變，檢測點15、17、24、26 處壓應變值較高，即軸向加勁肋腹板上緣橋面板出現較高的壓應變，而在18～23 與28 測點區(qū)域應變值較低，說明輪載作用影響約在1 m 的半徑范圍內。

2.3 應變檢測區(qū)域橫向應變分布分析

100 kN 軸載作用下B 區(qū)域、A 區(qū)域橫向應變橫向分布見圖6。圖6 曲線表明：兩加勁肋間橋面板中部出現較高的拉應變，加勁肋腹板上緣橋面板出現較高的壓應變，應變峰值經過600 mm 距離后降低到較低水平，表明局部的輪載作用影響為0.6～1.0 m 半徑范圍內。

圖6 橋面板下表面應變分布圖（軸載100 kN）

2.4 臨界荷位分析

選擇應變數值較大的A 區(qū)域檢測點16 和25 分析荷載位置對測點應變的影響。100 kN、150 kN 軸載作用下測點16 和25 的應變隨不同工況加載位置的變化曲線見圖7?？紤]后續(xù)需對軸向和橫向應變進行比較分析，增加了5、8、14、27 測點的應變變化曲線。

圖7 應變隨不同工況加載位置變化曲線

由圖7 可知：

（1）當加荷位置位于B 區(qū)域（工況1、2、3、4）時，A 區(qū)域檢測點16、25 應變較小，接近于0，說明局部輪載作用影響范圍較小。

（2）在工況7 出現應變峰值，說明單側雙輪間隙位于加勁肋腹板上緣位置時，橋面板處于最不利受力狀態(tài)。

2.5 軸向、橫向應變比較分析

對100 kN 和150 kN 軸載作用下各測點隨加載位置變化曲線進行分析，選取應變較高的B 區(qū)域檢測點5與8和A 區(qū)域16與25的橫向應變，與其相同位置B區(qū)域14 及A 區(qū)域27 的軸向應變進行比較分析（圖6），數據表明：

（1）B 區(qū)域測點5 與8 在工況1、2、3、4 的橫向應變數值與14 測點的軸向應變較接近，而A 區(qū)域測點16 與25 在工況5、6、7、8 的橫向應變數值明顯高于27測點的軸向應變。

（2）從各工況下應變總體情況來看，A、B 區(qū)域的橫向應變明顯高于軸向應變。在輪載的局部作用下，正交異性鋼橋面板橋面鋪裝設計需要重點考慮橋面鋪裝的橫向應變作用，這也是正交異性鋼橋面板橋面鋪裝產生縱向裂縫的一個主要原因。

3 橋面鋪裝層表面應變靜載測試分析

橋面鋪裝層表面應變靜載測試同樣包括100 kN與150 kN 兩種軸載。為減少溫度變化與陽光輻射對橋面溫度的影響，特在夜間待橋面溫度基本穩(wěn)定后進行檢測，檢測時橋面鋪裝表面溫度為25.9 ℃。

3.1 測試試驗方案

橋面鋪裝層表面與橋面板下表面應變靜載試驗同時進行數據采集，試驗方案和橋面板下表面測試方案一致。

3.2 應變整體情況分析

100 kN 與150 kN 軸載作用下各檢測點應變值分布情況見圖8。

圖8 橋面鋪裝層表面應變數據圖

由圖8 可知：

（1）應變值主要分布在-200～+500 με 之間，A區(qū)域的應變高于B 區(qū)域的應變。這主要是因為A 區(qū)域的箱梁橫隔板對軸向加勁肋有支撐加強作用，故此區(qū)域的加勁肋腹板上緣橋面鋪裝負彎矩隨之增加。

（2）150 kN 軸載作用下各檢測點的應變高于100 kN 軸載作用下的應變，100 kN 與150 kN 軸載作用下各檢測點應變值在應變較大位置對應關系較為明顯。

3.3 應變檢測區(qū)域橫向應變分布分析

100 kN、150 kN 軸載作用下A 區(qū)域、B 區(qū)域橫向應變分布分別見圖9、10。

圖9 軸載100 kN 時橋面鋪裝層表面應變分布圖

圖10 軸載150 kN 時橋面鋪裝層表面應變分布圖

由圖9、10 可知：

（1）12、28 號應變片所處的加勁肋腹板上緣橋面鋪裝表面處于不利受力狀態(tài)，在10、30 號應變片所處的加勁肋腹板上緣橋面鋪裝表面也出現了應變較低的峰值，在14、28 號應變片所處的加勁肋腹板上緣橋面鋪裝表面處于應變較低的受壓狀態(tài)?？傮w來說，輪胎荷載對于鋼橋面鋪裝層的受力影響基本在1 m半徑范圍以內，主要表現為輪載局部區(qū)域作用。

（2）150 kN 軸載作用下A 區(qū)域、B 區(qū)域橫向應變分布規(guī)律與100 kN 軸載工況基本一致，只是由于150 kN 軸載的部分工況輪胎直接壓在應變區(qū)域上面，部分位置的應變出現一定的波動。

3.4 臨界荷位分析

圖11 為B 區(qū)域、A 區(qū)域100 kN 軸載作用下橋面鋪裝表面應變隨不同加載位置變化曲線圖。

圖11 軸載100 kN 橋面鋪裝表面應變隨工況變化圖

由圖11 可知：

（1）7、19 號應變片所處的加勁肋腹板上緣位置即最不利的受力位置，橋面鋪裝表面應變對荷載位置的變化更敏感。

（2）在工況4 的位置橋面鋪裝出現應變峰值，加載輪胎實際接地面寬度190 mm，工況4 情況下加載輪胎間隙外邊緣位于12、16 號應變片所處的加勁肋腹板上緣位置，即圖4 中橋面鋪裝表面應變檢測靜載試驗荷位4，該工況輪胎荷載位置使橋面鋪裝處于最不利的受力狀態(tài)。

3.5 軸向、橫向應變比較分析

為對橋面鋪裝表面軸向應變與橫向應變進行比較，在B 區(qū)域設置了15、16 號2 個軸向應變片，A 區(qū)域設置了33、34 號2 個軸向應變片，與其相鄰橫向應變片進行比較分析，4 個位置的軸向、橫向應變比較曲線見圖12。

圖12 軸載100 kN 橋面鋪裝表面應變片軸向、橫向應變比較圖

由圖12 可知：

（1）軸向、橫向應變變化情況比較復雜。隨著工況的不同，同一位置軸向、橫向應變大小關系出現交替變化，與橋面板下表面應變分布情況有較大不同，說明橋面鋪裝在輪載作用下處于較復雜的受力狀態(tài)。

（2）位于橫隔板上緣的33、34 號軸向應變片出現相對較高的軸向應變，這主要是由于此位置橋面鋪裝存在一定的軸向負彎矩作用。

3.6 橋面鋪裝層黏彈性分析

為了分析環(huán)氧瀝青型鋼橋面鋪裝的黏彈性，在靜載試驗中采用連續(xù)采集數據方法檢測橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混凝土的黏彈性反應，荷載定位后連續(xù)采集數據6 次，每次數據采集時間間隔為10 s，根據連續(xù)采集的數據分析橋面鋪裝黏彈性反應。

在應變檢測過程中，檢測B 區(qū)域應變時，輪胎要經過A 區(qū)域，A 區(qū)域也會有一個受力過程，輪胎荷位在B 區(qū)域定位后開始采集數據，根據A 區(qū)域應變片連續(xù)采集的應變數據分析橋面鋪裝材料的黏彈性反應。本文主要分析100 kN 的靜載試驗下橋面鋪裝黏彈特性。A 區(qū)域在荷位6、荷位2 工況作用下，橋面鋪裝表面應變隨時間變化情況見圖13。

圖13 A 區(qū)域在不同工況下橋面鋪裝表面應變隨時間變化情況

由圖13 可知：

（1）在持續(xù)荷載作用下，橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混凝土應變基本未隨時間而改變，部分應變片的應變存在很小的波動，分析原因可能是在進行橋面鋪裝應變靜載測試分析時并未整幅封閉交通，連續(xù)的交通荷載引起橋面的振動，從而造成應變在較小范圍內波動；在相鄰荷位荷載卸除后應變基本未隨時間而改變，而且其應變均較小，這也說明局部的輪載作用范圍較小。

（2）橋面鋪裝改性瀝青混凝土在荷載作用下具有較明顯的蠕變特性，在荷載卸除后具有較明顯的變形恢復特性，而環(huán)氧瀝青是一種熱固性材料，在荷載作用下和荷載卸除后具有瞬時彈性變形特性，環(huán)氧瀝青鋪裝主要表現為彈性特征。

4 結論

（1）通過對不同工況環(huán)氧瀝青型鋼橋面鋪裝橋面板下表面靜載應變檢測，分析了橫向應變分布、臨界荷位、超載影響、軸向與橫向應變差異以及不同厚度鋼橋面板環(huán)氧瀝青鋪裝結構應變情況。分析結果表明軸載作用下橋面板結構基本處于彈性狀態(tài)，軸載的增大明顯增加了橋面板下表面的應變。輪載對鋼橋面板作用影響約在1 m 半徑范圍內。

（2）橋面板軸向加勁肋腹板上緣橋面鋪裝處于不利的受拉狀態(tài)，在輪載的重復作用下，此處橋面鋪裝處于拉壓應變交替重復作用狀態(tài)，易產生疲勞開裂破壞，設計過程中應根據橋面鋪裝的受力狀態(tài)進行材料設計，提高鋪裝層瀝青混凝土的抗彎拉疲勞性能。

（3）鋼橋面板下表面的橫向應變明顯高于軸向應變，正交異性鋼橋面板橋面鋪裝設計需要重點考慮橋面鋪裝的橫向應變作用，避免橋面鋪裝發(fā)生縱向裂縫病害。