南京長江第四大橋鋼橋面鋪裝疲勞性能試驗研究

詹 俞，李國芬，王宏暢

（南京林業大學土木工程學院，南京 210037）

1 前言

南京長江第四大橋鋼橋面鋪裝采用“下面層40 mm的澆筑式瀝青混凝土+上面層改性密級配瀝青混凝土”的雙層復合結構。由于澆筑式瀝青混凝土較高的膠泥含量，其混合料的疲勞性能優良，上面層高彈改性瀝青在國內使用較少，對其性能參數了解不夠。本文從鋪裝各層混合料入手，再進行整體結構的疲勞性能試驗，全面驗證鋼橋面鋪層的疲勞性能。

2 試驗材料

1）瀝青和集料。澆筑式瀝青混合料采用20#～40#低標號的直餾瀝青為基質瀝青，摻入一定比例的特立尼達天然湖瀝青（TLA），上面層高彈改性瀝青為日本本四聯絡橋使用改性Ⅰ型瀝青，兩層混合料層間撒布一定量的熱朔性彈性體（SBS）乳化瀝青。集料主要使用南京盤晶礦業有限公司生產的玄武巖1#～4#料，并按鋪裝設計要求摻入天然砂，礦粉采用鎮江市丹徒石馬永興建材廠生產的石灰巖礦粉。

2）鋪裝配合比設計[1]。為了真實地模擬鋪裝層的實際情況，試驗使用實際鋪裝施工中拌合站生產的瀝青混合料。澆筑式瀝青混合料取用的是在庫卡車中攪拌升溫到規定指標的混合料。

3 疲勞性能試驗

對單層混合料采用目前國內外使用較多的圓柱體劈裂疲勞試驗，對組合結構整體疲勞性能采用帶鋼板復合梁疲勞試驗[2]。

1）試件成型。劈裂疲勞試件均從車轍板試件上鉆芯、切割得到直徑為100±2 mm、高為40±5 mm的圓柱體試件[3]，澆筑式瀝青車轍板自動流淌成型，輔助人工振搗抹平，上面層改性瀝青混合料在室內碾壓成型。帶鋼板復合梁試件是預埋鋼板在混凝土試驗段橋面上，現場施工成型，切割得到帶鋼板復合梁試件（見圖1）。

圖1 成型帶鋼板復合梁試件Fig.1 Molding composite beam with steel

2）試驗參數。本文疲勞試驗采用更能模擬實際情況的應力控制方式[4]，試驗溫度為20℃，荷載頻率為10 Hz，不設間歇時間，加載波形選擇正弦波，為防止試驗中加載脫空，設置最小接觸力為20 N，終止條件為試件開裂破壞。劈裂疲勞試驗根據試件劈裂強度選擇應力水平以0.1分級，分為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6這5個等級，帶鋼板復合梁疲勞試驗選擇荷載為6 kN、7 kN和8 kN。

4 疲勞試驗結果分析

4.1 單層圓柱體劈裂疲勞試驗

按照國內規范[3]瀝青混合料劈裂試驗測定混合料劈裂破壞強度（見表1）。由于澆筑式瀝青中摻入了天然硬質瀝青，所以其混合料的強度和模量都比高彈改性瀝青混合料要高很多。表2為瀝青混合料在20℃下劈裂疲勞試驗結果的統計。上下面層混合料的疲勞性能相近，應力比越大澆筑式瀝青混合料的疲勞性能越好，因為澆筑式瀝青混合料中加入了天然硬質瀝青，相同溫度下其混合料的模量要大于上面層改性瀝青混凝土，再者澆筑式瀝青混凝土較高的瀝青含量也有助于提高其混合料的疲勞性能。

表1 瀝青混合料的劈裂強度試驗結果Table 1 The splitting strength of asphalt mixture

表2 瀝青混合料20℃劈裂疲勞試驗結果統計Table 2 The result of indirect fatigue test at 20℃

國內外廣泛采用式（1）作為應力控制方式疲勞試驗的疲勞方程[5]，在進行數據分析時相關系數都能達到95%以上，因此說明采用間接拉升劈裂疲勞試驗這種方法在進行應力控制模式的疲勞試驗取得數據較為合理。

對式（1）兩邊取對數得

式（1）和（2）中，Nf為試件破壞時的重復荷載作用次數，次；σ為實際施加應力最大幅值，MPa；n和lgK為線性回歸常數。

對劈裂疲勞試驗結果進行數據處理，對其進行雙對數回歸分析，得到應力水平與疲勞壽命雙對數關系圖（見圖2）。對劈裂疲勞數據回歸得兩類混合料的劈裂疲勞方程。

澆筑式瀝青混凝土

改性瀝青混凝土

圖2 應力水平與疲勞壽命雙對數圖Fig.2 Double logarithmic chart between stress levels and fatigue life

由此可以看出，澆筑式瀝青混合料的劈裂疲勞性能要優于改性瀝青混合料。兩者相同應力水平下的疲勞壽命相差并不是太大，而且回歸得到的疲勞方程的斜率相近，即兩種混合料疲勞壽命隨應力水平的變化規律相近。由此可以認為在疲勞性能方面，兩種混合料適合組成復合鋪裝結構。

4.2 帶鋼板復合梁疲勞試驗

鋼箱梁橋面上，橋面鋪裝的最大應力和拉應變均應出現在U形加勁肋的頂部[6]，因此根據鋼箱梁具體參數設計出帶鋼板的復合件疲勞試驗來評價鋼橋面鋪裝組合結構整體的疲勞性能，試件由鋼板（鋼板厚14 mm）+4 cm澆筑式瀝青混凝土+3.5 cm改性瀝青混合料組成。為了進一步驗證生產配合比，在混凝土南引橋段開展了試驗段試鋪工作，并借此機會預先埋設現場成型帶鋼板復合梁試件，試驗段分南北兩段設計了不同瀝青含量的混合料，北側試件為“下面層8.2%的澆筑式瀝青混凝土+上面層6.0%的改性瀝青混凝土”，南側試件為“下面層8.3%的澆筑式瀝青混凝土+上面層5.8%的改性瀝青混凝土”。帶鋼板復合梁疲勞試驗結果見表3。試件勁度模量變化規律相同，取其中一個具有代表性的試件南側1#，其勁度模量隨加載次數變化如圖3所示。

表3 復合梁疲勞試驗結果Table 3 The result of composite beam fatigue test

圖3 南側1#試件勁度模量變化圖Fig.3 The trend graph of stiffness modulus of south 1#

采用式（1）對帶鋼板復合梁疲勞試驗數據回歸得到疲勞方程，見式（5）和（6）。

南側試件疲勞方程

北側試件疲勞方程

式（5）和（6）中，F為施加的實際荷載，復合梁疲勞方程使用的變量為施加的真實荷載，因為真實荷載與所產生的實際應力成一定的比例關系，所以其回歸方程系數不會產生變化。復合梁試件由于附加了鋼板，其破壞荷載比普通瀝青混合料要大很多，在文中所選荷載條件下其疲勞壽命較長。圖4為疲勞壽命相對于施加荷載的雙對數圖。

圖4 疲勞壽命相對于施加荷載的雙對數圖Fig.4 Double logarithmic chart between load and fatigue life

南側試件裂縫產生過程明顯，裂縫從鋪裝面層發展到與鋼板的粘結處。北側試件的裂縫都是從鋪裝中間層產生，最終發展為整條裂縫。裂縫的發展情況和瀝青含量有著很大的關系，南側試件上面層改性瀝青混合料的瀝青含量為5.8%，比北側的6.0%低0.2%，高彈改性瀝青具有優良的延展性，其用量的增加會對混合料的疲勞特性產生較大的影響，因此南側試件從上面層外表面產生裂縫繼而向內發展。相對于澆筑式瀝青混凝土本身較高的瀝青含量來說，南側比北側只高0.1%的絕對值，相對值只高出1.2%，因此瀝青含量為8.2%，這和8.3%的澆筑式瀝青混凝土疲勞性能已經相差不大。試件的模量變化情況主要有3個階段。第一階段，復合梁試件中的混合料硬化模量變大，曲線處于上升階段；第二階段，混合料受荷載反復作用強度衰減，開始產生微小裂縫并逐漸擴展增大，曲線下降，而且下降速度呈減緩的形勢；第三階段，復合梁試件裂縫完全形成，其抗彎強度已經主要靠鋼板提供，試件模量漸漸趨于平穩。

5 結語

試驗結果驗證了橋面鋪裝設計的合理性，鋪裝上下面層疲勞性能相近，較適合組成復合結構。對于澆筑式瀝青混合料來說，8.2%和8.3%的瀝青含量對其疲勞性能影響不大，但對上面層改性瀝青混合料，瀝青含量的提高對其疲勞性能的提高作用很明顯。參照國內外文獻，選擇式（1）對應力控制方式的疲勞試驗數據進行回歸分析得到疲勞方程，其線性疲勞方程的相關系數都在0.97以上，說明方程擬合程度已經很高，能對今后橋面鋪裝使用提供一定的參考。另外，由帶鋼板復合梁疲勞試驗時勁度模量的變化情況可以發現，在橋面鋪裝使用前期，U形加勁肋上方鋪裝層的抗彎拉能力是隨行車荷載作用而提高的。

[1] 多田宏行.橋面鋪裝的設計與施工[M] .日本：鹿島出版社，1993.

[2] 李洪濤.大跨徑懸索橋新型鋼橋面鋪裝結構研究[D] .南京：東南大學，2006.

[3] 中華人民共和國交通運輸部.JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S] .北京：人民交通出版社，2011.

[4] 劉 峰，李宇峙，黃云涌.瀝青混合料疲勞試驗中兩種控制模式的選擇分析[J] .中外公路，2005（4）：25-28.

[5] 張登良.瀝青路面工程手冊[M] .北京：人民交通出版社，2004.

[6] 錢振東，黃 衛，駱俊偉，等.正交異性鋼橋面鋪裝層的力學特性分析[J] .交通運輸工程學報，2002，2（3）：36-39.