GA+EA鋼橋面鋪裝復合結構的高溫性能與力學特性

胡靖，錢振東，楊宇明

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GA+EA鋼橋面鋪裝復合結構的高溫性能與力學特性

胡靖，錢振東，楊宇明

(東南大學智能運輸系統研究中心，江蘇南京，210096)

研究鋼橋面澆注式瀝青混凝土與環氧瀝青混凝土(GA+EA)復合鋪裝結構在荷載和溫度耦合下的高溫性能及力學特性。分析GA層的高溫流變參數，采用多尺度與子模型有限元技術建立分析最不利溫度下復合鋪裝層結構的壓應力、剪應力分布狀態，并預估連續變溫條件下復合結構的車轍深度及蠕變應變隨時間變化情況。研究結果表明：EA層擴散了荷載中心GA層壓應力，但其底受剪應力較大。雙輪中央處GA層由于荷載疊加作用處于不利狀態，其層底壓應力達0.85 MPa。最不利連續變溫條件下，EA層變形量較小，GA層占鋪裝結構永久變形90%以上，但總體車轍深度僅為0.32 mm。鋪裝結構永久變形主要產生于夏季10:00?16:00高溫時段。GA+EA結構較好地利用了各自材料的優點，具有良好的高溫抗永久變形性能。

復合結構；高溫性能；力學特征；溫度作用；多尺度子模型

鋼橋面瀝青混凝土鋪裝是鋪筑在正交異性鋼橋面板上的薄層構造，直接承受荷載、環境及結構變形等綜合作用，受力條件十分不利。現階段我國鋼橋面鋪裝大多采用雙層環氧瀝青混凝土以避免車轍等病害，但雙層環氧瀝青混凝土鋪裝在使用過程中會因抗疲勞性能不足而產生裂縫[1]。為防止環氧瀝青混凝土鋪裝層開裂，并考慮橋道系對鋪裝層變形追從性的要求，“上層環氧瀝青混凝土(EA)+下層澆注式瀝青混凝土(GA)”復合結構從理論上將同樣具備優良的使用性能。單純從鋪裝材料性能的角度分析，GA在高溫及荷載作用下容易產生車轍變形，因此有必要重點研究復合結構在車載及溫度耦合作用下的力學響應及高溫性能。國內外已經提出了一系列的本構模型用以模擬瀝青混凝土的黏彈性特性，并以此為基礎對瀝青路面的高溫性能開展了大量研究。瀝青混凝土的高溫永久變形主要是由黏塑性變形引起，時間硬化蠕變模型能較好的擬合瀝青混凝土材料的變形特性[2]。利用Maxwell模型及有限元法對車轍深度進行預估，結果與加速加載試驗結果也基本吻合[3]。Mostafa等[4]采用Prony級數將瀝青混凝土的松弛模量轉化為蠕變柔量，采用廣義Maxwell模型擬合得到材料參數。Burgers黏彈性模型用于車轍預估時，與試驗值也具有較好相關性[5?6]。鑒于EA已有相關試驗研究[7]，本文作者對GA的黏彈性本構進行試驗研究。

1 復合結構材料參數

1.1 澆注式瀝青混合料動態模量試驗

GA采用SBS改性瀝青為基質瀝青，按特立尼達湖瀝青(TLA)和SBS改性瀝青質量比為3:7配制的混合瀝青為瀝青結合料。級配選用德國0/8級配，油石比為9.2%。采用簡單性能試驗儀(SPT)對GA的動態模量進行研究。試件為100 mm×150 mm(直徑×高度)的圓柱體試件。試驗溫度為20，40和60 ℃。利用加載頻率為0.1，0.2，0.5，1，2，5，10，20和25 Hz正矢波進行軸向加載，測定相應的應力和軸向應變，計算相應頻率下的動態模量。圍壓為138 kPa，該圍壓能較好地模擬路面的受力狀態，適合于三軸試驗[8]。按照AASHTO TP62試驗規程進行試驗，采用控制應變方式加載，試驗結果如圖1所示。

溫度/℃：1—20；2—40；3—60

1.2 澆注式瀝青混合料流變性能

作為典型的黏彈性材料，瀝青混合料的流變性能對溫度和時間具有很強的依賴性。采用SPT進行三軸重復荷載永久變形試驗獲取GA高溫下流變參數。試件直徑×高度為100 mm×150 mm。試驗溫度分別為20，40和60 ℃，偏應力水平為0.7 MPa，試驗結果如圖2所示。

溫度/℃：1—20；2—40；3—60

1.3 有限元模型數值參數

1.3.1 澆注式瀝青混合料流變學參數回歸

瀝青混合料的永久變形通常可以表示為溫度、應力和時間的函數，即

當采用Bailey?Norton規律分析瀝青混合料的變形時，時間硬化蠕變模型的表達式為

式中：為應力；1，2和3為依賴于溫度的模型 參數。

假定不隨時間變化，有

令

則有

表1 瀝青混合料的材料參數

1.3.2 澆注式瀝青混合料流變學參數有效性驗證

為驗證回歸得到的流變參數的有效性，利用ABAQUS建立三軸永久變形仿真模型，根據GA的蠕變參數計算圓柱試件的軸向應變。單元類型為線性縮減積分單元C3D8R，限制模型底部的豎向位移，而僅在圓柱底部中心點處限制其側向位移。數值結果如圖3所示。

圖3 數值結果與試驗結果對比

由圖3可知：時間硬化蠕變模型對三軸重復荷載永久變形試驗結果具有較好的擬合度，因而采用該蠕變參數進行鋼橋面鋪裝的高溫性能研究是可行的。

2 復合結構有限元模型

通過分析復合結構在高溫條件下的溫度應力，并以此為初始應力場導入鋼橋面鋪裝力學分析模型，研究鋪裝層在溫度場與應力場耦合作用下的力學響應。

本文采用多尺度建模技術，數值模型的基本參數如表2所示。根據某大橋鋪裝形式，GA和EA厚度分別為35 mm和25 mm。按《公路橋涵設計通用規范》，取公路?Ⅰ級車輛荷載作用于鋼箱梁段，并采用“子模型”技術截取局部梁段模型，以獲取精確邊界條件。對于局部梁段模型，采用雙輪矩形均布荷載，單輪接地長×寬為20 cm×25 cm，兩輪中心矩為30 cm，接地壓力為0.7 MPa。最不利荷載中心位于2個U型加勁肋之間的中點，縱向位于相鄰兩橫隔板跨中[10]，如圖4所示。

表2 計算模型的基本參數

(a) 鋼箱梁段有限元模型；(b) 局部梁段有限元模型

鋪裝結構溫度場選取夏季高溫季節的最不利時段，假設鋪裝層表面溫度為69 ℃，橋面鋼板溫度為58 ℃作為溫度場計算鋪裝結構力學響應。車轍預估時，則采用最不利季節(夏季)24 h溫度變化作為溫度場，鋪裝層熱力學參數采用相關文獻結果[11]，如表3所示。

表3 熱力學參數[11]

車轍預估采用荷載作用時間累加的方法，將動載簡化為靜載作用[12]。通過施加持續恒載來模擬荷載的重復作用，按式(6)將荷載作用次數轉化為荷載累計作用時間。

3 高溫條件下復合結構力學響應與車轍預估

3.1 復合結構力學響應

鋪裝結構由于荷載作用產生蠕變和橫向剪切變形而形成車轍病害。分析最不利溫度(鋪裝表面溫度為69 ℃，橋面鋼板溫度為58 ℃)條件GA+EA復合結構在荷載作用下，輪載作用中心與雙輪中央處的豎向壓應力和橫向剪切應力進行計算研究，最不利高溫條件下鋪裝層壓應力和橫向剪應力隨深度變化如圖6所示。

(a) 壓應力；(b) 橫向剪應力

由圖6(a)可以看出：左輪與右輪作用中心處的豎向壓應力隨深度的變化趨勢幾乎相同，但雙輪中央處的壓應力變化情況則完全相反。輪載作用處的EA層承受較大豎向壓應力，但由于EA層對荷載的擴散作用，GA層所承受的豎向壓應力出現了較大幅度的下降，由800 kPa下降到450 kPa，這表明該種復合結構能較好的發揮材料各自的性能。但處于雙輪中央處的鋪裝層次，GA層承受了較大應力，這主要是由于雙輪作用下應力疊加所致。

由圖6(b)可知：輪載中心及雙輪中央處的橫向剪應力存在較大不同，但都隨著鋪裝深度的增加而增大，表明鋪裝層底部是最易出現剪切變形的區域。雙輪中心所受橫向剪應力方向相反且數值相差較大，左輪最大剪應力為80 kPa，而右輪僅為25 kPa。輪載中央處剪應力較右輪中心更為不利，這是正交異性鋼橋板復雜受力情況導致鋪裝結構受力的不規律性造成的。

荷載作用下橫斷面上的應力狀態分布情況也是研究復合結構高溫性能的關鍵點，不同鋪裝深度輪載中心橫斷面豎向壓應力和橫向剪應力的平面分布情況如圖7所示，圖中橫軸代表雙輪荷載相對位置(雙輪荷載分別作用于0.1~0.3 m及0.4~0.5 m范圍內)。

(a) 壓應力；(b) 橫向剪應力

由圖7(a)可知，各鋪裝層豎向壓應力發展規律相似，均出現“雙峰”形態。荷載中心處壓應力隨著鋪裝深度逐漸變小，EA層的存在極大的分散了作用于GA層的壓應力。同時，雙輪中央的壓應力隨深度增加的速率更快，在GA層底部已經達到850 kPa，而輪載中心處在GA底部的壓應力僅為450 kPa，表明雙輪中央處GA層更容易出現高溫病害。圖7(b)表明：輪載作用下，鋪裝層斷面上橫向剪應力變化趨勢類似，鋪裝深度越大，則橫向剪應力越大，層底最大接近840 kPa。此外，GA層承受較為不利的橫向剪應力狀態，會造成較大的橫向剪切變形，但相鄰區域橫向剪應力方向相反，對橫向剪切變形有一定的抵消作用。

3.2 復合鋪裝結構永久變形預估

連續變溫條件下的抗變形能力是鋪裝結構高溫性能的重要表現，為了分析復合結構在抗變形能力中的影響程度，計算最不利季節(夏季)24 h溫度變化下荷載作用50萬次后各結構層的變形情況，軌跡處永久變形情況如圖8所示。

圖8 輪跡處永久變形情況

由圖8可知：EA層幾乎沒有產生車轍，鋪裝層的永久變形主要產生在GA層，其隆起變形近乎與總變形相等，而下陷變形則占總變形90%以上。由于GA的高溫性能相對較弱，在荷載的長期重復作用下，荷載作用處的鋪裝層產生了明顯的車轍變形，且最大蠕變應變出現在鋪裝下層底部，位于U型加勁肋側肋與鋼橋面板相交處；由于EA層具有良好的整體性及應力擴散能力，兩輪輪跡間也沒有產生明顯的凸起現象。此外，在荷載作用50萬次后，鋪裝結構在高溫條件下產生的總車轍量為0.32 mm，表明EA+GA復合結構具有良好的高溫抗永久變形性能。

由于EA良好的整體性以及應力擴散能力，使得鋪裝層在荷載作用下的蠕變變形及輪載中心處的隆起變形均較小，且增長趨勢十分緩慢，GA+EA鋪裝層連續變溫下蠕變應變?時間關系曲線如圖9所示。

1—隆起；2—下降；3—總形變

在荷載作用3 100 s至5 500 s期間(按交通量日分布計算為10:00~16:00)，不論是隆起還是下陷變形，鋪裝層的蠕變應變在該時段增長速率都較快，分別占總形變的74%和51%，鋪裝層的永久變形有36%也集中產生在此高溫時段內，隨后進入蠕變穩定階段。這是由于仿真初期鋪裝層溫度相對穩定，鋪裝層混合料的蠕變參數取值較為一致。在加載時間為3 100 s至 5 500 s時，鋪裝層受環境氣溫影響而快速升溫，鋪裝層的蠕變變形呈現出較快的增長趨勢。在5 500 s之后，由于鋪裝層溫度回落，蠕變應變增長十分微小。

4 結論

1) 雙輪荷載作用下剪應力分布較壓應力復雜。荷載中心處GA層所受壓應力較小但橫向剪應力較大。此外，由于雙輪荷載的應力疊加作用，輪載中央處壓應力較大。

2) EA層擴散了GA層的壓應力，但雙輪中央GA層底壓應力達0.85 MPa，處于較不利狀況。GA層承受剪應力較大，層底更達到0.84 MPa，雖相鄰區域剪應力方向相反存在抵消作用，但仍需保證與鋼橋面板的黏結力。

3) 鋪裝層的永久變形90%以上發生于GA層，而EA層幾乎不產生車轍，但總車轍量僅為0.32 mm表明EA+GA復合結構具有良好的高溫抗永久變形性能。

4) 鋪裝結構的36%的永久變形產生于夏季10:00~16:00之間的高溫時段，在此時段應對鋪裝層進行必要的降溫處理，以確保復合結構良好的高溫性能。

5) EA+GA復合結構較好地利用了各自材料的優點，EA層保證了路面的平整性，而GA層確保了鋪裝系與橋面系的協調變形。由于GA與EA高溫下蠕變應變相差較大，因此有必要對高溫與重載耦合作用下GA層與EA層的層間黏結狀態及協調變形機理做進一步的研究，尋求最優化鋪裝結構形式。

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High temperature properties of composite structure of gussasphalt+epoxy asphalt at bridge deck pavement

HU Jing, QIAN Zhendong, YANG Yuming

(Intelligent Transportation System Research Center, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The high temperature performance and mechanical properties of composite structure constructed by gussasphalt and epoxy asphalt (GA+EA) considering coupling effect of load and temperature were studied, the rheological parameters of GA were established, and the compressive stress and shear stress of paving structure under worst temperature were analyzed by multi-scale and sub-model finite element technology. Finally, the changes of rutting depth and creep strain at the situation of continuous temperature changing were predicted. The results show that the local vertical compress stress at the center of load of GA is diffused by EA, but the shear stress on bottom of GA is large. The vertical compress stress of GA bottom under the center of double load is 0.85 MPa because of the additive effect of load. Under worse temperature changing condition, the deformation of GA accounts for above 90% of that of paving structure; however, the total rutting depth is only 0.32 mm. The permanent deformation of paving structure mainly appears at 10:00?16:00. The composite paving structure of GA+EA can utilize the advantages of GA and EA, and it has excellent performance of anti-deformation.

composite structure; high temperature performance; mechanical characteristics; temperature action; multi-scale sub-model

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.050

U443.33；U416.2

A

1672?7207(2015)05?1946?07

2014?03?10；

2014?06?16

國家自然科學基金資助項目(51178114)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(CXLX12_0117)；東南大學優秀博士學位論文基金資助項目(YBJJ1318) (Project(51178114) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (CXLX12_0117) supported by the Fundamental Research Funds for the Central University; Project(YBJJ1318) supported by the Foundation for the Author of Excellent Doctoral Dissertation of Southeast University)

錢振東，教授，從事道路結構與材料研究；E-mail: qianzd@seu.edu.cn

(編輯 趙俊)