冬季極端氣候下城市快速路鋼橋面鋪裝力學響應

劉蓮娟，張 勐

(1. 江西省天馳高速科技發展有限公司，江西 南昌 330000；2. 交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；3. 道路結構與材料交通運輸行業重點實驗室，北京 100088)

0 引言

冬季極端氣候的環境溫度通常最低能達到-45 ℃，極端的氣候條件要求鋼橋面鋪裝的材料和結構具有較高的低溫力學性能。在行車荷載作用下，鋼橋面環氧瀝青混凝土鋪裝易發生鋪裝疲勞開裂、車轍及黏結層失效等病害，損害橋梁結構的穩定性與耐久性。

現有研究主要集中于鋼橋面鋪裝體系的靜荷載響應、動力響應及溫度效應分析，多采用單輪荷載進行加載，鋪裝層模量多采用常溫(30 ℃)時的模量。侯貴等[1]通過系列低溫試驗研究了不同瀝青混合料勁度模量、劈裂強度、彎曲蠕變柔量隨溫度變化的規律，結果表明澆注式瀝青混凝土具備良好的低溫性能。張德佳等[2]對鋼橋面鋪裝數值分析模型的尺寸大小、約束、邊界條件進行了優化研究，并通過實測鋼橋面鋪裝的力學響應驗證了優化模型的有效性；錢振東等[3]利用有限元軟件，把正交異性鋼橋面板與鋪裝層視作受力整體，對鋪裝層進行了受力分析，并根據正交異性鋪裝層體系中局部區域容易產生破壞的特性，總結了橋面鋪裝的力學控制指標以及鋪裝層參數對于鋪裝層力學響應的影響規律；成峰[4]建立了車輛移動荷載下鋼橋面鋪裝體系模型，研究了在不同車輛移動荷載作用下鋪裝體系的受力特點；逯彥秋等[5]研究了鋼橋面層溫度場的分布特征，并對鋼橋面層的溫度分布規律進行了分析。在潤揚大橋瀝青鋪裝層攤鋪過程中，劉其偉等[6]對斷面測點的溫度開展動態測量，采集了鋼-混凝土組合箱梁內部的溫度分布并分析了其變化規律。對冬季極端氣候鋼橋面鋪裝在不同鋪裝厚度、不同鋪裝材料工況下力學響應的研究較少。

因此，以鋼橋面鋪裝的最大拉應力、最大拉應變、最大豎向位移及層間最大剪應力為力學控制指標[7-9]，采用數值模擬的方法建立鋼橋面鋪裝體系模型，計算不同服役溫度和不同鋪裝層厚度組合等條件下，“雙層EA”結構和“下層EA+上層SMA”結構的鋪裝層上表面最大拉應力、最大拉應變、最大豎向位移及層間最大剪應力，研究冬季極端氣候下快速路鋼橋面鋪裝的力學響應及適合的鋪裝方案。

1 城市快速路鋼箱梁橋橋面鋪裝模型的建立

1.1 鋼橋面三維鋪裝體系模型

通過ABAQUS軟件建立鋼橋面三維鋪裝體系模型，如圖1所示，采用局部正交異性板結構模型，在鋼橋的縱橋向設置3跨(4塊橫隔板)，橫橋向設置7個U型加勁肋。根據實際橋梁設計參數，鋼橋面鋪裝體系模型詳細參數如表1所示。

表1 鋼橋面鋪裝模型參數(單位:mm)

圖1 鋼橋面鋪裝體系模型

1.2 荷載作用位置

依據對橋梁工程的實際調研情況，橫向拉應力導致的橋面鋪裝層縱向裂縫是橋面鋪裝的主要病害[10-12]，因此對橋面鋪裝力學分析的主要控制指標為位于縱向加勁肋頂部鋪裝層上表面的最大橫向拉應力；而位于橫肋頂部鋪裝層上表面的最大縱向拉應力是引起橋面鋪裝層橫向裂縫的主要因素，將其作為次要控制指標。采用雙輪荷載，荷載大小為標準軸載下的輪胎接地壓強0.7 MPa。雙輪荷載對稱布置于鋪裝層上表面，同時位于橫肋頂部、縱向加勁肋肋邊頂部，如圖2(a)所示。雙輪荷載的作用范圍為200 mm×180 mm×2，如圖2(b)所示。

圖2 荷載的設置

1.3 力學控制指標輸出

鋼橋面鋪裝常見病害有疲勞開裂、車轍及黏結層失效等，鋼橋面鋪裝的疲勞開裂是由于鋪裝層表面受到拉應力和拉應變的作用導致，且鋼橋面鋪裝產生最大拉應力、最大拉應變處更易發生開裂；車轍病害是由于橋面鋪裝層的抗永久變形能力過低引起；黏結層失效是鋪裝層與鋼板之間結合界面的抗水平剪切力不足導致[13-14]。選取最大拉應力、最大拉應變、最大豎向位移及層間最大剪應力等力學控制指標，評價鋼橋面鋪裝的力學性能，并通過各力學控制指標，提出能夠適應冬季極端氣候的快速路鋼箱梁橋橋面鋪裝方案。

2 鋪裝層厚度對鋼橋面鋪裝力學控制指標的影響

選取10 ℃時環氧瀝青混凝土、SMA和鋼板的模量和泊松比，如表2所示。鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層總厚度一般為50～80 mm[15-17]，本節討論鋪裝層厚度對鋼橋面鋪裝力學控制指標的影響。選取“下層3 cm+上層3.5 cm”(厚度方案I)、“下層2.5 cm+上層3.5 cm”(厚度方案II)和“下層3 cm+上層4 cm”(厚度方案III)3種鋪裝厚度組合，計算3種鋪裝厚度組合下“雙層EA”與“下層EA+上層SMA”兩種鋪裝方案的各力學控制指標，并根據計算結果，初步比較冬季極端氣候下快速路鋼箱梁橋的鋪裝厚度方案。計算結果如圖3所示。

表2 鋼橋面體系各材料參數

由圖3可以看出，對3種橋面鋪裝層厚度方案的上表面最大拉應力、最大拉應變、最大豎向位移及層間最大剪應力進行比較，均符合“下層2.5 cm+上層3.5 cm”結構>“下層3 cm+上層3.5 cm”結構>“下層3 cm+上層4 cm”結構的規律，說明“下層3 cm+上層4 cm”結構可抗疲勞開裂、永久變形、層間脫黏性能最優，故快速路鋼箱梁橋推薦使用“下層3 cm+上層4 cm”的鋪裝厚度組合。本節主要計算了10 ℃時“雙層EA”與“下層EA+上層SMA”鋪裝方案的各力學控制指標，由于不同溫度下瀝青混合料的材料屬性差異較大，提出能夠適應冬季極端氣候的快速路鋼箱梁橋鋪裝材料方案需進一步考慮溫度因素的影響。

圖3 鋪裝層厚度對鋼橋面鋪裝力學控制指標的影響

3 溫度對鋼橋面鋪裝力學控制指標的影響

瀝青混合料溫度依賴性較高，溫度對瀝青混合料模量的影響較大[18-21]。冬季極端氣候的環境溫度通常最低能達到-45 ℃，同時考慮鋼箱梁的特性，在夏季易產生箱體不通風、散熱速度慢等問題，相比于傳統的桁架梁橋鋼箱梁橋面鋼板溫度會高10 ℃以上[16]。研究冬季極端氣候下快速路鋼箱梁橋橋面鋪裝設計的工作溫度范圍為-45～50 ℃，計算不同溫度下“雙層EA”與“下層EA+上層SMA”兩種鋪裝方案的各力學控制指標，并根據計算結果，提出能夠適應冬季極端氣候的快速路鋼箱梁橋鋪裝材料方案。不同溫度下瀝青混合料的模量如表3所示，計算結果如圖4所示。

表3 不同溫度下瀝青混合料的模量(單位：MPa)

圖4 溫度對鋼橋面鋪裝力學控制指標的影響

由圖4可以看出，兩種鋪裝結構鋪裝層上表面的最大縱向、橫向拉應力及層間最大剪應力均隨溫度降低而變大，而最大拉應變與最大豎向位移均隨溫度降低而變小；相同溫度下，“下層EA+上層SMA”結構上表面的最大縱向、橫向拉應力均小于“雙層EA”結構，說明“下層EA+上層SMA”結構的抗疲勞開裂性能優于“雙層EA”結構；兩種鋪裝結構鋪裝層上表面最大拉應變、最大豎向位移及層間最大剪應力相差不大。結合3.1節快速路鋼箱梁橋的鋪裝厚度推薦組合，“下層3 cmEA+上層4 cm SMA”鋪裝方案能夠適應冬季極端氣候的工況。

4 結論

(1)對3種鋪裝層厚度方案的鋪裝層上表面最大拉應力、最大拉應變、最大豎向位移及層間最大剪應力進行比較，均符合“下層2.5 cm+上層3.5 cm”結構>“下層3 cm+上層3.5 cm”結構>“下層3 cm+上層4 cm”結構的規律。

(2)“雙層EA”鋪裝結構與“下層EA+上層SMA”鋪裝結構的上表面最大縱向、橫向拉應力及層間最大剪應力均隨溫度降低而變大，最大拉應變與最大豎向位移均隨溫度降低而變小；相同溫度下，“下層EA+上層SMA”鋪裝結構的上表面最大縱向、橫向拉應力均小于“雙層EA”結構，兩種鋪裝結構鋪裝層上表面最大拉應變、最大豎向位移及層間最大剪應力相差不大。

(3)“下層3 cmEA+上層4 cmSMA”鋪裝方案能夠適應冬季極端氣候的工況。

主要研究了鋼橋面鋪裝靜荷載響應，由于實際鋼橋面鋪裝使用過程中，荷載作用的主要形式為車輛移動荷載的重復作用，對于移動荷載和重復荷載作用下鋼橋面鋪裝的力學響應仍需進一步研究。