鋼橋面澆注式瀝青鋪裝復合梁疲勞損傷規律分析

王 民，尚 飛，肖 麗，包廣志

(1. 重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 401336；2. 招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶400067；3. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

0 引 言

隨著我國鋼橋面鋪裝技術的持續改進和完善，澆注式瀝青混合料鋪裝體系的性能得到了大幅度提高，其綜合性能已經能夠達到或超過國外同類產品，在道路或其它防水工程中，具有很強大的適用性，特別是橋面鋪裝工程。目前，澆注式瀝青混合料在國內鋼橋面鋪裝領域所占的比例已經超過50%，以澆注式瀝青混合料為主體的鋪裝體系，已成為國內外鋼橋面鋪裝領域的主流鋪裝方案[1-2]。澆注式瀝青混合料除了優良的密水性、追隨變形能力、耐久性等，同時由于其致密結構使得混合料均有很高的強度[3-4]。

國內外學者對鋼橋面鋪裝復合結構體進行了較多研究，但主要集中于橋梁與道路各自領域的耐久性評估與分析，對于正交異性板與瀝青鋪裝相互作用關系仍集中于靜力分析[5-7]。國外學者R.WOLCHUK[8]的調查研究表明，由于應力集中和焊接產生的高殘余應力使得正交異性鋼橋面容易在焊縫處產生疲勞開裂；吳沖等[9]通過假設鋪裝與鋼橋面頂板之間沒有相對滑移，利用有限元軟件探討了鋪裝的彈性模量和厚度發生變化時，所選取的疲勞易損部位等效應力幅的變化情況；黃衛等[10]通過對正交異性鋼橋面鋪裝層表面裂縫應力強度因子的研究，證實了應用斷裂力學方法預測鋼橋面鋪裝層疲勞壽命是可行的；林廣平等[11]基于斷裂力，研究了正交異性鋼橋面鋪裝層表面裂縫應力強度因子的計算方法、應力強度因子的變化規律及鋪裝層疲勞壽命預測。

澆注式瀝青混合料的材料特性在一定程度上很好的滿足了大跨徑鋼橋面鋪裝的使用要求[12]，但對運營期的鋼橋面系而言，不同的澆注式瀝青混合料材料模量及鋪裝厚度對鋼橋面系疲勞損傷規律有何影響，亟需探討。通過組合結構體系及材料疲勞損傷規律的分析，可認清鋪裝材料參數與復合梁性能衰變規律的關系，這對指導鋼橋面鋪裝結構優化設計具有重要作用。

1 復合梁疲勞實驗方案

1.1 原材料及技術指標

澆注式瀝青混合料用瀝青結合料以韓國SK瀝青為母體進行改性加工，主要性能指標見表1。粗集料采用玄武巖，細集料采用石灰巖，礦粉采用石灰巖礦粉，集料及礦粉性能指標滿足現行行業規范要求。

表1 瀝青結合料主要性能指標

表2 澆注式瀝青混合料主要性能指標

按照JTG/T3364-02 2019《公路鋼箱梁橋面鋪裝設計與施工技術指南》，確定GA10的最佳油石比，并進行基本性能測試，見表2。

圖1 基于正交異性鋼橋面板形變特性的復合體復合梁測試模型(單位：mm)

圖2 鋼橋面鋪裝組合結構三點加載疲勞試驗加載方法

考慮鋼橋面正交異性的梯形加勁肋對上部鋼橋面產生的應力或者應變比較明顯。選取以縱向加勁肋為中心的簡化模型作為鋼橋面鋪裝測試模型(見圖1、圖2)，以表示復合梁整體疲勞性能。鋼橋面復合梁試件制作工藝與現場保持一致，對12 mm鋼板表面噴砂除銹，清潔度達Sa2.5，粗糙度達到50～100 μm，噴涂環氧富鋅漆防腐層。防水黏結層選用黏結效果優良的二階反應性樹脂黏結劑，待環樹脂黏結劑養生到期后，按照設定厚度鋪筑澆注式瀝青混合料。

1.2 測試方案及控制條件

根據鋼橋面鋪裝測試模型及試驗目標，采用應力控制模式，測試溫度為20 ℃，加載波形為正弦波，加載頻率為10 Hz。以復合梁撓度為0.6 mm時所施加的應力水平作為標準控制荷載[13]，以撓度為0.4、0.8 mm時的荷載作為輕載、重載交通的試驗控制條件。采用不同針入度值的瀝青結合料，制作不同模量的澆注式瀝青混合料。當鋼橋面瀝青鋪裝出現開裂、脫層或測試曲線中位移發生突變，即終止實驗。鋼橋面復合梁試件制作及控制條件見表3。

表3 鋼橋面鋪裝試驗測控條件

2 試驗結果

采用所確定的復合梁疲勞試驗方法及試驗方案，進行澆注式瀝青混合料復合梁疲勞試驗，試驗曲線見圖3，試驗結果見表4。

圖3 鋼橋面澆注式瀝青混合料復合梁疲勞試驗曲線(1 883 MPa、70 mm、6.45 kN)

表4 鋼橋面澆注式瀝青鋪裝疲勞試驗結果

3 試驗結果分析

3.1 復合梁疲勞損傷模型

圖1實驗模型所示的復合結構矩形截面梁總抗彎剛度等于瀝青混凝土鋪裝層的抗彎剛度、鋼橋面板的抗彎剛度和由橫截面軸向力構成的抗彎剛度之和，基于抗彎剛度等效簡化原則[14]，通過輸入瀝青混合料、鋼橋面板的模量、厚度和泊松比等參數，可計算簡化為瀝青混凝土矩形截面梁的總高度H為：

(1)

式中：H為簡化后瀝青混凝土鋪裝層矩形截面梁的總高度；h1為瀝青混凝土鋪裝層的厚度；E1為瀝青混凝土鋪裝層的模量，取500 MPa；μ1為瀝青混凝土鋪裝層的泊松比，取0.25；h2為鋼橋面板的厚度；E2為鋼橋面板的模量，取210 000 MPa；μ2為鋼橋面板的泊松比，取0.3；n1為鋼橋面板與瀝青混凝土鋪裝層的模量比，即n1=E2/E1；ku為鋼橋面板與瀝青混凝土鋪裝層之間的黏結系數，ku=0為完全滑動，ku=1為完全黏結。在重復動載下材料內部的損傷不斷累積，直至最后材料喪失其力學性能的過程稱作疲勞，通常采用損傷變量來表征損傷的變化過程。在損傷力學的發展中，損傷變量有各種不同的定義，采用式(2)來進行評價：

(2)

式中：Dx為第x次疲勞過程中復合梁結構的損傷變量；Ex為第x次疲勞過程中復合梁結構的彈性模量；E0為復合梁結構的初始彈性模量。

基于正交異性鋼橋面板形變特性的復合梁測試模型的彈性模量E可由式(3)計算：

(3)

式中：H為梁高；l為梁的跨徑，取300 mm；d為梁底撓度；b為復合梁寬，取100 mm；P為所施加荷載。其中初始應變ε(0)，根據疲勞試驗循環荷載第一次作用時測的梁底緣撓度d(0)確定。

3.2 疲勞損傷規律分析

根據鋼橋面復合梁模型所采集的荷載及撓度，采用式(2)，建立復合梁疲勞損傷變量與加載次數之間的關系，見圖4。對疲勞損傷曲線采用對數函數進行數據擬合，見表5。

圖4 鋼橋面復合梁疲勞損傷變量與加載次數的關系曲線(4 822 MPa、70 mm、7.81 kN)

表5 鋼橋面復合梁疲勞損傷變量D與加載次數N的擬合結果

以擬合公式中加載次數的系數來表征復合梁的疲勞損傷速率，并繪制曲線，見圖5。

通過圖3和表5可以看出：①復合梁結構疲勞損傷變量與加載次數有很好的相關性，除了低模量材料之外，相關系數均大于0.9；②采用等撓度確定的荷載水平進行應力控制試驗，材料模量增加，疲勞損傷速率增加，一方面是所施加荷載水平增加，另一方面是鋪裝材料模量與鋼板差異非常大，鋪裝材料疲勞作用次數對鋼橋面板來說影響非常小，在相同撓度變形情況下，較高的模量使得混合料在變形過程中需要承擔更多比例的荷載，進而加快其損傷速度；③隨著鋪裝厚度降低，疲勞損傷衰變速率與厚度基本呈線性關系，可見對于模量非常高的鋼橋面系，在有限撓度變形范圍內，復合梁的疲勞損傷速率僅與鋪裝材料相關；④荷載水平對復合梁的疲勞損傷速率影響非常大，特別是采用撓度為0.8 mm的荷載進行試驗時，疲勞損傷速率比標準荷載水平的加快了180%。

圖5 鋼橋面復合梁疲勞損傷速率變化規律

4 結 語

通過鋼橋面鋪裝復合梁疲勞試驗和理論分析，形成以下主要結論：鋼橋面復合梁疲勞試驗作用次數在一定程度上可以評價基于鋼橋面系的鋪裝材料的疲勞壽命；基于剛度等效轉換的原理建立了鋼橋面復合梁疲勞損傷模型，可用于評價其在疲勞過程中損傷變量的變化過程；鋪裝材料模量、鋪裝厚度、荷載水平對復合梁疲勞損傷速率均有一定的影響，鋪裝材料模量提高，并未延緩復合梁的疲勞損傷速率；而鋪裝厚度對其影響與厚度增加值基本呈線性關系，當荷載水平隨著鋪裝厚度同步增加后，疲勞損傷速率也隨之增加；對于鋼橋面復合結構體系，荷載水平對整體疲勞損傷影響最大，其次為鋪裝厚度，材料模量在小范圍內波動對其影響不大；對于鋼橋面鋪裝技術難題，增加材料模量是無益于改善橋面鋪裝使用壽命，首要是加大交通荷載管控，同時保障橋面鋪裝層有足夠的鋪裝厚度。