鋼橋面澆注式瀝青+改性瀝青SMA 鋪裝結構疲勞抗裂性能評估

王 民，萬國琪，胡德勇，李開一

（1.重慶交通大學土木工程學院，重慶市 400067；2.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶市 401336）

0 引 言

鋼橋面鋪裝作為橋梁工程的重要組成部份，一直是一個世界性難題，倍受行業與社會關注[1-4]。在我國特殊的交通、氣候條件下，鋼橋面鋪裝在運營早期病害頻發，大跨徑鋼橋橋面鋪裝使用壽命難以達到設計壽命。疲勞開裂是一種最常見的鋼橋面早期病害，如我國1997 年建成的虎門長江大橋、1999 年建成的江陰長江公路大橋、2000 年建成的南京長江二橋等均出現了不同程度的疲勞開裂病害[5-6]。此類病害對瀝青路面的行車舒適性和安全性影響并不大，但其破壞了鋼橋面結構的整體性和連續性，雨水通過裂縫滲入鋪裝層內部，在行車載荷作用下發生沖刷和唧泥現象，進而加速鋪裝層的破壞，導致松散、坑槽等病害的出現，這不僅降低了行車舒適性，還增加了行車的危險性[7]。

目前國內大跨徑鋼橋基本采用的是正交異性鋼橋面板支撐結構，U 肋、橫隔板以及縱腹板等起到加勁作用，但同時也造成了該部位鋼橋面鋪裝產生應力集中，反復出現彎拉應力，引起疲勞開裂。針對鋼橋面鋪裝出現的疲勞開裂，徐偉[8]等基于瀝青材料的黏彈性分析了鋼橋面鋪裝材料疲勞損傷特征；黃文通[9]等基于應變條件下的彎曲試驗分析了不同鋼橋面鋪裝材料的疲勞性能；張順先[10]等建立環氧瀝青混凝土鋪裝材料疲勞壽命預估模型。

本文基于馬鞍山長江公路大橋鋼橋面鋪裝的鋪裝材料和使用條件，建立疲勞開裂預估模型，為今后我國大跨徑鋼橋面鋪裝使用狀況進行預測，并指導鋼橋面鋪裝的養護工作，可有效促進鋼橋面鋪裝的使用品質及耐久性提升。

1 材料及實驗條件

（1）鋪裝材料

高彈改性SMA 具有優異的隨從變形能力和抗疲勞開裂性能，與正交異性板有很好的適配性，形成了國內應用最為廣泛的典型鋪裝——澆注式瀝青混合料+高彈改性SMA 組合結構。因此，在研究過程中，選用高彈改性SMA10 作為研究對象進行疲勞試驗。高彈改性瀝青技術指標見表1，高彈改性SMA10 最佳油石比為6.4%，聚酯纖維用量為0.2%，混合料技術指標見表2。

表1 高彈改性瀝青技術指標

表2 高彈改性S MA10 混合料技術指標

（2）實驗條件

四點彎曲試驗采用澳大利亞的氣動伺服四點彎曲試驗儀，試驗采用偏正弦波加載，加載頻率為10 Hz，采用應變控制模式。試驗過程中，設定3 種試驗溫度，每種溫度下設定3～4 個應變水平。每組試驗進行3 組平行試驗，以勁度模量降低50%為判斷疲勞失效標準。具體試驗條件見表3。

表3 四點彎曲疲勞試驗條件

2 鋪裝材料疲勞行為方程

2.1 試驗結果

根據上節設定的試驗條件，制作成型試件（380 mm×63.5 mm×50 mm）進行四點彎曲試驗，試驗結果見表4。由試驗結果可以看出，在高溫區域，高彈改性瀝青SMA10 表現出比較好的疲勞特性，在低應變條件下幾乎不出現開裂，即使在高應變條件下也表現出優異的疲勞耐久性；在低溫區域，瀝青混合料的勁度模量較高，抗疲勞開裂能力明顯下降。

表4 四點彎曲疲勞次數 單位：萬次

2.2 疲勞行為方程

根據不同溫度和應變條件下的試驗結果，對疲勞次數與應變水平進行回歸分析，得到不同溫度時的疲勞次數與應變水平的指數關系曲線，如圖1 所示。從圖1 可知，三條回歸曲線的相關性系數R 都大于0.9，說明疲勞次數與應變水平之間具有顯著性的相關性。

圖1 不同溫度下的疲勞次數與應變水平的對數關系

在室內疲勞試驗時，考慮試驗條件比橋面鋪裝的更實際受力條件嚴格，如室內試驗時荷載間歇時間要遠低于鋪裝層實際的荷載情況，荷載間歇時間短將加速裂縫的擴展。為了使室內試驗結果較準確地反應橋面鋪裝實際情況，需要采用修正系數對室內試驗結果進行修正，以代表實際鋪裝層疲勞狀況?？紤]到間歇時間、裂縫擴展時間等因素的影響，采用的修正系數為5[11]。修正后的高彈改性瀝青在每種溫度下的應變疲勞方程見表5。

表5 疲勞試驗回歸結果

其中，N 為荷載疲勞次數，ε 為應變水平。

3 鋼橋面鋪裝疲勞開裂預估模型

3.1 鋼橋面拉應變有限元分析

建立基于馬鞍山長江公路大橋結構條件的有限元計算模型，對GA+SMA 鋪裝結構的力學響應狀態進行力學分析。通過采用solid95 單元模擬橋面鋪裝結構層和鋼箱梁頂板，采用shell93 單元模擬加勁肋和橫隔板等除頂板之外的正交異性鋼橋面板組件。同時，考慮到計算機計算能力和精度的平衡，不同部位的單元劃分有所側重，對加載區域的單元劃分進行了適度的加密。

在對鋪裝結構進行荷載響應力學分析時，采用公路Ⅰ級荷載車輛荷載的雙后軸（2×140 kN）作為基本荷載，沖擊系數選為1.3。有限元分析時正交異性鋼橋面板的幾何參數見表6，鋪裝下層澆注式瀝青混合料GA10、上層高彈改性SMA10 力學參數見表7。

表6 正交異性鋼橋面板幾何參數 單位：mm

表7 瀝青混合料力學參數取值

通過實橋結構條件的有限元模型，分析了不同溫度狀態下的鋼橋面鋪裝層表面最大橫向彎拉應變，分析結果見表8。

表8 不同溫度下的鋪裝層出現的彎拉應變

3.2 溫度區間內鋼橋面鋪裝預估荷載作用次數

將計算出的不同溫度下的鋪裝層最大彎拉應變代入疲勞方程中，計算不同溫度下的鋪裝層預估荷載最大作用次數，計算時安全系數選為1.3，計算結果見表9。

表9 鋪裝層預估荷載作用次數

3.3 溫度區間內鋼橋面鋪裝標準軸載作用次數

馬鞍山長江公路大橋位于長江下游，該地區年平均溫度為15.9 ℃，一年中最熱月為7 月，平均溫度為28.3 ℃，最冷月為1 月，平均溫度為2.9 ℃。每月氣溫的統計結果見表10。

表10 馬鞍山長江公路大橋橋區逐月平均氣溫 單位：℃

根據統計結果，按照5℃、15℃、25℃溫度區間進行劃分，其中5℃代表的月份為12 月、1 月、2 月，15℃代表的月份為3 月、4 月、5 月、10 月、11 月，25℃代表的月份為6 月、7 月、8 月、9 月。

同時，根據溫度時間分區（5℃、15℃、25℃），各溫度區間長度在一年中所占的比例分比為3/12、5/12、4/12，假設每年內的交通量在時間長度上平均分布，則可根據溫度區間所占的時間比例計算出在路面設計使用年限內各溫度區間的標準軸載作用次數。

馬鞍山長江公路大橋鋼橋面鋪裝以公路-Ⅰ級荷載為設計標準軸載，根據初步設計對交通量預測的結果，現按照設計年限內一個車道標準軸載的累計當量軸次為23.2×106次計算。根據以上溫度區間所占的時間比例，可得到設計年限內一個車道在各溫度區間內累計當量軸次數，見表11。

表11 不同溫度區間的標準軸載作用次數

3.4 鋼橋面疲勞開裂預估模型

用于疲勞損傷計算公式為

式中：PLDi為疲勞損傷度；Nsi為標準軸載實際作用次數；Nyi預估荷載最大作用次數。每個溫度區間下的疲勞損傷度計算結果見表12。

表12 不同溫度下的疲勞損傷度

結合路面的疲勞損傷度和設計使用年限內的標準軸載累計作用次數可確定建立鋼橋面鋪裝疲勞壽命SMpl，其預估模型為

式中：SMpl為鋼橋面鋪裝疲勞開裂時的壽命，以預估疲勞荷載作用次數表示；Nsi為第i 個溫度區間的設計年限內的標準軸載作用次數。

根據馬鞍山長江公路大橋鋼橋面鋪裝預估模型和設計年限內的標準軸載作用次數，可以計算出當澆注式瀝青混凝土GA10+高彈改性SMA10 鋪裝結構出現開裂時標準軸載作用次數將達到2.48×106次。按照設計年限為15 a 的累計標準軸載次數計算，馬鞍山長江大橋鋼橋面鋪裝出現疲勞開裂時的壽命為16.0 a。

高彈改性瀝青是針對鋼橋面鋪裝使用特點開發出來的一種瀝青結合料，具有非常好的低溫延度，其5℃延度一般要求大于50 cm，遠遠優于普通的改性瀝青。采用該種瀝青拌制的瀝青混合料SMA10（稱為高彈改性SMA10） 也具有優異的抗開裂性能，其-10℃低溫彎拉應變是普通瀝青混合料2～3 倍，其四點彎曲疲勞次數是普通瀝青混合料的8～10 倍。正是由于高彈改性瀝青優異的抗疲勞開裂能力，使其更好地適應了鋼橋面鋪裝反復出現大變形的特點，有效遏制鋼橋面鋪裝疲勞開裂病害的出現。

4 結 論

（1） 高彈改性SMA10 疲勞壽命受溫度影響顯著。在相同應變條件下，溫度每升高10℃，其疲勞壽命提升4～5 倍；溫度越高，其疲勞壽命提升的幅度越大。因此，在高溫期，鋼橋面鋪裝幾乎不會出現開裂。

（2）高彈改性SMA10 在不同溫度區間，疲勞開裂作用次數與所承受的應變條件之間存在指數函數關系，相關性系數均大于0.9，表明所建立的疲勞方程能很好地揭示高彈改性SMA10 的疲勞行為。

（3）從疲勞行為方程可以看出，應變條件對高彈改性SMA10 的影響顯著。而鋼橋面鋪裝出現的大部分應變都是由于車輛荷載所引起的，且重載車輛往往容易引起更大的變形，這也揭示了重載車輛是造成鋼橋面鋪裝開裂的一個重要因素。

（4）通過疲勞行為方程以及實橋最大彎拉應變的有限元力學計算結果，推導出鋼橋面鋪裝疲勞壽命預估模型。通過疲勞壽命預估模型，計算出澆注式瀝青混合料GA10+ 高彈改性SMA10 鋪裝結構出現開裂的疲勞壽命為16 a。這表明：在鋼橋面鋪裝的設計年限內（15 a），澆注式瀝青混合料+ 高彈改性SMA10 鋪裝結構不會出現開裂，這位大跨徑鋼橋橋面鋪裝方案的選擇提供了理論依據。