立轉式開啟橋橋面鋪裝力學性能研究

孟令國，于昌權，尹 龍，祝爭艷

（1.江蘇現代路橋有限責任公司，江蘇 南京210049；2.江蘇省海安縣交通運輸局，江蘇 海安226600；3.河海大學道路與鐵道工程研究所，江蘇 南京210098）

立轉式開啟橋橋面鋪裝力學性能研究

孟令國1，于昌權2，尹 龍3，祝爭艷1

（1.江蘇現代路橋有限責任公司，江蘇 南京210049；2.江蘇省海安縣交通運輸局，江蘇 海安226600；3.河海大學道路與鐵道工程研究所，江蘇 南京210098）

利用帶有環境箱的直剪試驗裝置，測試并研究了不同溫度下的復合試件層間抗剪切性能，繪制試件在受剪過程中的剪應力與位移曲線，根據曲線計算分析層間抗剪強度以及層間剪切模量，利用抗剪強度與層間剪切模量評價不同溫度工況下的復合試件層間力學性能。借助有限單元法建立開啟橋數值分析模型，計算不同模量下開啟橋層間剪應力，定義危險系數，綜合分析層間力學性能。研究表明：溫度越高層間剪切模量越低，抗剪強度越小，層間危險系數越高，建議高溫天氣減小開啟速度。變速開啟狀態下層間最大剪應力均大于勻速開啟狀態下層間最大剪應力，建議在設計階段采用變速開啟方案模擬研究開啟橋鋪裝層層間力學性能。

立轉式開啟橋；橋面鋪裝；剪切強度；剪切模量；變速開啟

開啟橋橋面鋪裝處于復雜的應力與應變之中，當瀝青混凝土鋪裝層與鋼橋面板層間界面粘附力過小，剪應力超過鋪裝粘結層的剪切強度時，就會發生剪切破壞，目前主要通過剪切試驗來評價橋面鋪裝的抗剪性能。鋼橋面鋪裝實際工作環境溫度范圍為-20～70℃[1]，瀝青混凝土是一種溫度敏感性材料，其力學性能會隨著鋼橋面鋪裝層溫度的變化而發生明顯變化[2]。本文利用帶有環境箱的室內直剪試驗儀器（SCIS），對不同溫度環境下的鋼橋面鋪裝復合試件進行層間抗剪性能研究，最后將試驗結果與數值模擬結果進行對比分析，為開啟橋鋪裝層的設計研究提供參考。

1 室內SCIS試驗介紹

開啟橋在開啟過程中，當鋪裝層層間剪切強度小于層間剪應力時，鋪裝層層間界面的剪應力將導致上下界面發生相對滑動，即相對位移。這種相對位移的大小和方向與橋面結構、材料類型、外荷載類型等因素密切相關，是一個較復雜的力學模型[3-4]。

直接剪切試驗是采用庫倫定律為原理的一種試驗方法，剪切面摩擦力與面上的法向壓力成正比。將不同溫度濕度環境下的試件，在相同的法向壓力下，沿固定的剪切面直接施加剪力，使得試件破壞，得到其破壞時的剪應力，剪應力與剪切面積的比值即為抗剪強度。

考慮以上因素，本文采用直接剪切試驗，作為評價在溫濕耦合作用下鋪裝結構層間抗剪性能的試驗方法，其原理如圖1所示，按照公式（1）計算。

式中：τ為抗剪強度，MPa；F為對鋪裝結構施加的剪力，N；A為試件底面積，mm2；σ為對鋪裝結構施加的正應力，MPa。

圖1 剪切試驗原理示意Fig.1 Shear test princip le schematic diagram

圖2 室內SCIS裝置Fig.2 Indoor SCIS device

采用如圖2所示的SCIS進行室內剪切試驗，試件夾具將試件的混凝土部分固定在試件夾具內，試件的鋼板部分在試件夾具外，試件界面與試件夾具邊緣在同一豎直面上，通過千斤頂在試件界面施加正應力，本文研究時根據路面標準軸載100 kN時的輪胎按地壓力為0.7MPa，因此在復合試件界面上施加特定正應力0.7MPa來模擬實際工況，利用多功能材料試驗系統UTM25控制豎向荷載，以1mm/min加載速率將豎向荷載直接作用在鋼板上，利用UTM系統記錄下不同剪力對應的剪切位移大小，繼續剪切直到試件破壞，停止試驗。

2 開啟橋鋪裝結構體系復合試件制備

復合試件制備包括3個主要步驟：涂抹粘結層、攤鋪環氧瀝青混合料輪碾成型立方體復合試件、脫模養護。按照模具尺寸制作鋼板（界面面積A=9025mm2），經過工藝加工在其表面覆蓋環氧富鋅漆作為模擬實際鋼橋面板防腐層試驗溫度選取30℃與60℃。

按照以下方法制作鋼橋面鋪裝體系復合試件：

① 將鋼橋面板試件表面清理干凈，裝入特制得車轍板模具中，放入烘箱中進行養護，如圖3所示。②粘結層選取環氧瀝青粘結劑，取出鋼橋面板，將粘結層均勻攤鋪在鋼橋面板表面，粘結層攤鋪量0.68±0.05 L·m-2，如圖4所示。③選用AC-13型環氧瀝青混合料，其配合比如表1所示，其最佳油石比如表2所示。將瀝青混合料攤鋪在車轍板上，利用輪碾成型車轍板（如圖5所示），隨后將成型好的車轍板放入120℃烘箱內，固化后拆模，將得到的復合試件放入預設溫度的環境箱中養護，最終得到“鋪裝層+粘結層+鋼塊”鋼橋面鋪裝復合試件，如圖6所示。

表1 AC-13礦料級配范圍及設計級配曲線Tab.1 AC-13m ineral aggregate grading range and design grading curve

表2 AC-13最佳油石比（6.5%）Tab.2 The AC-13 optimum proportion(6.5%)

圖3 鋼橋面板裝模Fig.3 Steel bridge panelmold

圖4 環氧瀝青粘結層Fig.4 Epoxy asphalt binder layer

圖5 成型車轍板Fig.5 Rutting plate

圖6 鋼橋面鋪裝復合試件Fig.6 Com posite specimen of steel deck plate pavement

3 試驗結果討論與分析

在利用SCIS對復合試件進行剪切試驗時，調節SCIS所在環境箱溫度與復合試件養生溫度一致。經過實驗測試分析，得到30℃與60℃復合試件剪切結果如圖7與圖8所示。

圖7 30℃條件下剪應力與位移曲線Fig.7 Shear stress and disp lacement curve under 30℃

圖8 60℃條件下剪應力與位移曲線Fig.8 Shear stress and displacement curve under 60℃

經過圖7分析可見，30℃環境下層間抗剪強度平均值為1.09 MPa，殘余剪應力均值為0.4 MPa，最大剪切位移均值為2.7mm。分析圖8可見，在60℃條件下層間抗剪強度平均值為0.63 MPa，殘余剪應力為0.29 MPa，最大剪切位移均值為2.3mm。對比分析30℃與60℃剪切結果，隨著溫度的升高，層間抗剪強度降低，最大剪切位移減小，殘余剪應力減小。定義剪切模量為K，剪切應力最大變化量為Δτ，最大剪切位移變化量為Δδ，具體關系如公式（2）所示。根據公式（2）計算不同溫度下的層間剪切模量以及對應量的變異系數C.V（Coefficient of Variation），分析結果如表3所示。

表3 不同溫度條件下的層間剪應力分析Tab.3 Interlayer shear stress analysis under different tem peratures

結合表3分析，剪切模量與殘余應力數據均比較穩定，當溫度由30℃升高到60℃時，層間抗剪強度降低了42%，剪切模量降低了34%，殘余應力降低了27%，隨著溫度的升高層間抗剪強度降低，粘結層剪切模量也隨之而減小。

4 數值模擬研究

利用有限元軟件ADINA建立正交異性鋼橋面板鋪裝體系復合結構1/2模型如圖9所示，根據已有研究內容的計算參數[5-7]，模型參數如表4所示，基本假設與已有研究相同[8]，阻尼常數α=0.034，β=0.002 9，阻尼系數比為0.01[9]。開啟方案如表5所示，鋪裝厚度選取50mm，計算170 s開啟時間內變速開啟與勻速開啟兩種狀態下的鋪裝層層間剪應力。

表4 開啟橋模型幾何及物理參數Tab.4 Geometrical and physical parameters of the bascule bridge

表5 開啟橋170 s變速開啟方案Tab.5 Variable speed plan of bascule bridge w ithin 170 s

圖9 開啟橋1/2橋模型Fig.9 1/2 bridgemodel

鋪裝層模量選取500MPa時，勻速與變速條件下計算云圖如圖10所示，鋪裝模量選取500～2000MPa[10]勻速與變速計算結果比較，如圖11所示。

圖10 勻速開啟（左）與變速開啟（右）應力云圖Fig.10 Stress nephogram at uniform speed(left)and variable speed(right)

圖11 不同模量條件下鋪裝黏結層層間剪應力Fig.11 Interlayer shear stress of pavement bond under differentmodulus

由圖10與圖11可見，在勻速與變速開啟過程中層間最大剪應力均出現在轉軸上方位置，在變速開啟過程中，加速度的存在并未造成鋪裝層結構產生變化隨著模量的增加，層間最大剪應力均增大，模量相同時變速開啟的層間最大剪應力均大于勻速開啟狀態層間剪應力。

定義層間危險系數Dpz為數值模擬計算值與室內試驗剪切強度值的比值，Dpz=τs/τe，τs、τe分別為剪應力與剪切強度，計算結果如圖12所示。

圖12 兩種狀態下層間危險系數Fig.12 Interlayer danger coefficient in two states

根據圖12可見，模量由2 000 MPa減為500 MPa時，勻速開啟狀態下層間危險系數增加了20%；變速開啟狀態下層間危險系數增加了8．3%，隨著溫度的升高層間危險系數均增大。對比分析相同溫時，變速工況下的層間危險系數明顯高于勻速工況下層間危險系數。建議在設計模擬階段采用變速分析開啟橋鋪裝結構層層間應力。

5 結論

1）隨著環境溫度的升高，層間抗剪強度降低，層間剪切模量減小，建議采用抗剪強度與剪切模量共同評價層間力學性能。

2）開啟橋變速開啟過程中，層間剪應力大于勻速工況剪應力，結合危險系數分析，在夏季變速開啟時危險系數比勻速工況危險系數高，建議高溫天氣時適當減小開啟速度。

[1]黃衛.大跨徑橋梁鋼橋面鋪裝設計理論與方法[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[2]袁峻，賈璐，孫立軍.變溫下瀝青混合料的剪切疲勞變形疊加模型[J].建筑材料學報，2008，11（4）：435-440.

[3]LAU CM，FWA T F，PARAMASIVAMP.Interface Shear Stress in Overlaid Concrete Pavements[J].Journal of Transportation Engineering，1994，120（2）：163-177.

[4]CRISPINO M，FESTA B，GIANNATTASIO P，et al.Evaluation of the Interaction between the asphalt concrete layers by a new dynamic test[C]//Eight International Conference on Asphalt Pavements，1997：741-754.

[5]張磊，錢振東，劉云.立轉式開啟橋鋪裝結構靜動響應分析[J].東南大學學報：自然科學版，2010，40（6）：1271-1275.

[6]東南大學橋面鋪裝課題組.天津海河響螺灣開啟橋鋼橋面鋪裝技術研究報告[B].南京：東南大學橋面鋪裝課題組，2009.

[7]CHOPRA A K.Dynamics of structures[M].3rd ed.Englewood Cliffs，NJ：Prentice Hall，2006.

[8]劉云，錢振東.立轉式開啟橋鋼橋面鋪裝結構的應力狀態分析[J].公路交通科技，2014，31（1）：55-60.

[9]張磊.大跨徑橋梁鋼橋面鋪裝動荷載響應研究[D].南京：東南大學交通學院，2007.

[10]HUANGW，QIAN ZD，CHEN G，etal.Epoxy asphalt concrete paving on the desk of long-span steelbridges[J].Chinese Science Bulletin，2003，48（21）：2391-2394.

Study on Mechanical Properties of Bascule Bridge Deck Pavement

Meng Lingguo1，Yu Changquan2，Yin Long3，Zhu Zhengyan1
（1.Jiangsu Sundai Road＆Bridge Co.，Ltd.，Nanjing 210049，China；2.Transportation Bureau of Haian in Jiangsu Province，Haian 226600，China；3.Road and Railway Engineering Research Institute，HohaiUniversity，Nanjing 210098，China）

The direct shear test apparatuswith environmental cabinetwas adopted to analyze the shear properties of specimen interlayer under different temperatures.In the process of test,the shear stress and displacement curve of specimen was drawn.Interlayer shear strength and the interlayer shearmodulus were calculated by the curve.Themechanical performance of specimens under different temperatures was evaluated through the shearing strength between layers and interlayer shearmodulus.The bascule bridge numerical analysismodel was established by finite elementmethod and the pavement interlayer shear stress under differentmodulus was calculated by the numerical analysismodel.Danger coefficientwas defined to analyze themechanical properties between the layers.Researches show that when the temperature ishigher,the pavement interlayer shearmodulus would be lower;the interlayer shear strength would be smaller;the danger coefficient between the layersmay behigher.In the case ofhigh temperature,the opening speed should be reduced.Themaximum shear stress between the layers under variable speed is larger than that at uniform speed.It is suggested that the bascule bridge deck pavementmechanics performance be studied through themethod of variable opening during the design phase.

bascule bridge；bridge deck pavement；shear strength；shearmodulus；variable speed

1005-0523（2017）05-0001-06

U443.33

A

2017-04-01

孟令國（1974—），男，高級工程師，研究方向為道路工程養護。

于昌權（1990—），男，碩士研究生，研究方向為橋面鋪裝。

（責任編輯 王建華）