（道路与铁道工程专业论文）大跨径正交异性钢箱梁桥面铺装复合梁疲劳试验研究.pdf

摘要 钢桥面铺装作为大跨径桥梁建设的一项关键技术，是近几年来国内外的一个研究 热点。疲劳破坏是钢桥面铺装层最主要的破坏形式之。本文在回顾钢桥面铺装研究 的基础上，结合国内外大跨径钢桥面铺装工程的疲劳破坏现象，指出传统的疲劳试验 方法对钢桥面铺装研究的局限性，从钢桥面铺装层特殊的受力特性出发，以广州珠江 黄埔大桥钢箱梁桥面铺装实体工程为背景，以复合梁试验为载体，探索研究钢桥面铺 装结构新型疲劳试验方法。 本文首先总结了正交异性钢桥面铺装的结构特点及其使用过程中的问题，并介绍 了钢桥面铺装结构疲劳性能国内外研究状况，指出了传统疲劳试验方法的不足，在此 基础上提出了本文的研究内容及技术路线。 以此为基础，本文采用大型有限元分析软件a n s a y s ，建立广州珠江黄埔大桥力 学分析模型，对其进行局部受力特性分析，为设计复合梁等效模型奠定理论基础。本 文将车轮荷载作用下的正交异性钢桥面铺装结构的局部效应转化为简支复合梁，借鉴 部分共同作用理论，建立了新型钢桥面铺装复合梁模型。在此基础上，参考国内外复 合梁试验研究情况，设计制作了复合梁试验模型，并结合广州珠江黄埔大桥工程实际 情况，确定了试验荷载控制方式与加载频率。 最后，论文对钢桥面铺装的不同结构组合方案进行了复合梁试验，重点研究两种 环氧沥青混凝土铺装和改性s m a 铺装的疲劳性能，结果表明环氧沥青混凝土铺装最 终为广州珠江黄埔大桥推荐最佳铺装方案。 关键词：钢桥面铺装疲劳复合梁有限元环氧沥青改性s m a a b s t r a c t s t e e ld e c kb r i d g ep a v e m e n t ，a sak e yt e c h n o l o g yo fl o n g s p a ns t e e lb r i d g ed e c k ，i sa h o t s p o tr e s e a r c hb o t hi nc h i n aa n da b r o a dt h e s ey e a r s f a t i g u ef a i l u r ei s o n eo ft h ec h i e f d e s t r u c t i o no fs t e e ld e c kb r i d g ep a v e m e n t a b a s e do nt h er e s e a r c h e so fs t e e lb r i d g ed e c k p a v e m e n ta n dr e l a t e dt of a t i g u ef a i l u r eo fm o s tl o n g - s p a ns t e e lb r i d g ed e c kb o t hi nc h i n aa n d a b r o a d ，t a k ec o m p o s i t eb e a mt e s ta sc a r r i e ra n da i ma tg u a n g z h o uz h u j i a n gw h a m p o a b r i d g e ，w ei n d i c a t et h el i m i t a t i o ni nc o n v e n t i o n a lf a t i g u et e s tm e t h o d sa n dr e s e a r c ho nm e w f a t i g u et e s tm e t h o df r o mt h ep a r t i c u l a rs t r e s sc h a r a c t e r i s t i co fs t e e ld e c kb r i d g e s f i r s t l y , w ei n t r o d u c et h es t r u c t u r ea n dp r o b l e m su s i n g i no r t h o t r o p i cd e c kb o xg i r d e ra n d i n d i c a t et h a t f a t i g u ec r a c k i n g i so n eo ft h em o s td i f f i c u l tp r o b l e m s m e a n w h i l e ，w e p a r t i c u l a r l yi n t r o d u c et h ef a t i g u ep e r f o r m a n c e r e s e a r c hc o n d i t i o no f a s p h a l tm i x t u r ea n ds t e e l d e c kb r i d g e sa th o m ea n da b r o a d w ei n d i c a t et h es h o r t a g eo ft r a d i t i o n a lt e s tm e t h o d s a b a s e d o nt h e s er e s e a r c h e s ，w ep u tf o r w a r dt e x t u a lr e s e a r c hc o n t e n ta n dt e c h n i c a ll i n e s e c o n d l y , a b a s e do nt h ea n a l y t i c a lr e s e a r c hb e f o r e ，w em a k eu s eo fl a r g e - s c a l ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e - - a n s a y sa n ds e tu pt h em e c h a n i c a la n a l y s i sm o d e lo f g u a n g z h o uz h u j i a n gw h a m p o ab r i d g e a n a l y z i n gp a r t s t r e s sc h a r a c t e r i s t i c s ，w ee s t a b l i s h t h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i g n i n gc o m p o s i t eb e a me q u i f m a l i t ym o d e l f o rt h e s ep r e c o n d i t i o n s ， w et r a n s l a t et h el o c a lr e a c t i o no fo r t h o t r o p i cd e c kb o xg r i d e rw h i c hm a d eb yw h e e ll o a d si n t o s i m p l yc o m p o s i t eb e a m u s i n gp a r tc o a c t i o nt h e o r yf o rr e f e r e n c e ，w es e tu pn e ws t y l e c o m p o s i t eb e a mm o d e lo f s t e e ld e c kb r i d g ep a v e m e t i na d d i t i o n ，o nb a s i co ft h et h e o r e t i c a lm o d e lw ef o u n da n dc o m p o s i t eb e a m e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e si n c h i n aa n da b r o a d ，w ed e s i g nt h ec o m p o s i t eb e a mt e s tm o d e l m e a n w h i l e ，a i m i n ga tg u a n g z h o uz h u j i a n gw h a m p o ab r i d g e sp r a c t i c a ls i t u a t i o n ，w e e s t a b l i s ht e s tl o a dc o n t r o lm o d e la n df r e q u e n c yo nl o a d i l lt h ee n d ，w ep r o c e e dt h ec o m p o s i t eb e a mt e s to fd i f f e r e n tt e x t u a la s s o c i a t i o no fs t e e l d e c kb r i d g e e m p h a s e sr e s e a r c ho nt h ef a t i g u ep r o p e r t yo ft h et w ok i n d se p o x ya s p h a l t p a v e m e n ta n dm o d i f i e ds m ap a v e m e n t i nc o n c l u s i o n ，w er e c o m m e n d t h eo p t i m a lp a v e m e n t s t r u c t u r ep r e c e p tf o rg u a n g z h o uz h u j i a n gw h a m p o ab r i d g e k e y w o r d ：s t e e ld e c kb r i d g ep a v e m e n t ；f a t i g u e ；c o m p o s i t eb e a m ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； e p o x ya s p h a l t ；m o d i f i e ds m a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 磅肜，自 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 压锣& 1 一 雅影门 邢年莎肜一日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 大跨径钢箱梁桥面铺装概述 随着我国国民经济的发展，大跨径桥梁越来越多。由历来习惯采用水泥混凝土桥梁， 发展到普遍考虑采用钢桥，而且大跨径桥梁大都考虑采用钢箱梁结构。钢桥面板有利于 减轻恒载和发挥空间结构的特性，是二战后研制的一种新型桥梁结构，国内外的经验证 明，加筋的钢桥面是大跨径公路桥梁最有效的结构形式之一，以其强度和重量而言为一 种非常有效的结构体系。当经济上必须考虑“轻量化”这一必要因素的时候，它通常被认 为是建造大跨径桥的最好选择。因此钢桥面以其板厚较薄，恒载小的优点在长大桥或架 桥条件困难等情况下被采用。 正交异性桥面是由支撑在垂直方向体系上的桥面板组成，此体系是由横梁和纵向加劲 肋组成。在此结构中，桥面本身可以组成桥梁的主要承重结构。正交异性钢桥面板的外形 如图1 1 所示，值得注意的是，其纵向加劲肋既可以是开口肋，也可以是闭口肋。开口加 劲肋截面主要形式有工字钢、槽钢、圆头钢等，闭口加劲肋截面主要形式有梯形、矩形、 v 形和u 形等。由于闭口加劲肋能提供较大的抗扭劲度和抗弯刚度，能改善整个桥面钢板 的受力状态，减小钢板的应力，因此成为现代正交异性钢桥面板首选的加劲肋截面形式， 目前最常用的截面形式是闭口梯形截面加劲肋( 图中箭头方向为行车道方向) 。 ( a ) 开口加劲肋( b ) 闭口加劲肋 图l - 1 正交异性钢桥面板加劲肋外形图 从某种意义上来讲，正交异性钢桥面板是由1 9 世纪3 0 年代b a t t l e d e c k 桥面板发展而来 的。它是由焊接在由横向加劲肋支撑的纵梁上的钢桥面板组成，桥面板在加强横梁、纵 第一章绪论 向加劲肋和形成他们的上翼缘中不起任何作用，它只仅仅是把车轮荷载传递到纵梁上。 沥青混凝土铺装以其重量轻、与桥面板粘着性能好、易于维修以及行车舒适性好等 优点在实际工程中应用较为广泛，尤其是大跨径钢桥一般采用薄层沥青铺装层以减轻桥 梁恒载重量，提高桥梁的跨越能力。 美国是世界上大跨径悬索桥修建最早的国家，也是世界上拥有悬索桥最多的国家，其 桥面结构一般采用桁架式加劲梁和钢筋混凝土结构，使得桥梁恒载相当大，钢材消耗量也 十分惊人。英国在1 9 4 9 年开始了一系列的实地试验来研究钢桥面铺装，当时沥青混合料在 正交异性钢桥面上的应用在德国、荷兰、法国己得到了很好的发展。第二次世界大战后需 要重建许多大跨径桥梁，在钢材严重短缺的情况下正交异性钢桥面得到了快速发展，德国 在此期间修建了很多的正交异性钢桥。第一座正交异性钢桥是1 9 5 0 年开放交通的k u r p f a l z 桥，而第一座正交异性钢桥面板悬索桥是1 9 5 1 年建成的横跨r h i n e 的c o l o g n e m u e l h e i m 桥，这两座桥都采用了开口加劲肋，闭n a n 劲肋的使用在随后几年才得到了发展。北美第 一座正交异性钢桥是1 9 6 4 年温哥华开放交通的p o r tm a n n 桥；英国第一座正交异性钢桥是 1 9 6 4 年开放交通的f o n hr o a d 桥；荷兰第一座正交异性钢桥是1 9 6 8 年开放交通的h a r t e l b r i d g e 和h a r m s e n 桥，正交异性钢桥面使用的最大的推动力是其重量较轻。英国在1 9 6 6 建 造主跨9 8 8 m 的塞文桥时，首次突破了美国的传统技术，为了提高侧向抗风能力，减少阻力， 采用了扁平流线型钢箱梁代替高大的桁架梁，同时利用钢箱梁的顶面板通过纵横肋加劲， 直接作为桥面，上铺沥青混凝土桥面铺装。继塞文桥之后，相继建成的一些大跨径桥梁均 采用了塞文桥开创的扁平流线型钢箱梁和由箱梁顶面板形成的桥面系统和沥青混凝土薄层 铺装。日本发展大跨悬索桥始于本世纪7 0 年代末，日本建桥技术主要引入了美国的建桥经 验，多数桥梁采用桁架式加劲梁，但是桥面系统则采用由主梁、横梁、加劲纵肋与钢板等 组成的正交异性板体系代替钢筋混凝土板桥面系统【6 l 。 采用扁平流线型钢箱梁和薄层沥青桥面铺装层与采用高大的桁架式加劲梁和钢筋 混凝土桥面系统相比较，前者大幅度减轻了桥跨结构的自重，大大改善了桥梁各主要承 重部件的工作状态，但是对于这样一种桥面结构，薄层沥青混凝土铺装层结构性能的要 求将进一步提高f i 。 我国桥面铺装的历史和技术发展与世界的发展情况相似但相对滞后。桥面铺装的研 究主要集中在改革开放后这段时期，但是新问题层出不穷，到目前技术还不完全成熟， 特别是大跨径钢桥桥面铺装的研究也就是近几年的事情，从设计到施工仍然存在一些技 术难题困扰着广大桥面铺装工程师。 2 长安大学硕士学位论文 1 1 1 大跨径钢箱梁桥面铺装的特点 正交异性钢桥面沥青混合料铺装不同于一般公路沥青混凝土路面，它直接铺设在正 交异性钢桥面板上，由于正交异性钢桥面板柔度大，以及在行车荷载、温度变化、风载 及地震等因素影响下，特别是它还受到桥梁结构变形的影响，其受力和变形较公路路面 或机场道面复杂得多，尤其在重型车辆荷载作用下，钢桥面板局部变形更大、更复杂， 位于各纵向加劲肋、纵隔板、横肋( 或横隔板) 与桥面板焊接处出现明显的应力集中， 这使铺装层受力更为不利 s l 。同时钢桥面板夏季温度高、防水防锈及层间结合问题等等， 这些都决定了钢桥面铺装具有一般公路沥青混凝土路面所没有的特点： ( 1 ) 钢桥面沥青混合料铺装不像公路沥青混凝土路面那样具有路基与基层结构， 而是直接铺筑在正交异性钢桥面板上。因此，正交异性钢桥面板本身的变形、位移、振 动等都直接影响铺装层的工作状态 ( 2 ) 除正常铺装层自身温度变化之外，钢桥面温度的每日和季节性变化严重影响 铺装层的变形，钢桥面板的导热系数要比其它土工材料大得多，钢桥面沥青混合料铺装 在全年极端高温与低温环境下较一般沥青混凝土路面更易受大气温度的影响。因此，钢 桥面铺装层的工作温度范围要比一般沥青混凝土路面大得多。 ( 3 ) 大跨径钢桥一般都建在大江、大河或海峡之上，频繁的强风、台风以及其它 许多因素都将使桥梁产生振动作用，这在一般沥青混凝土路面上是遭遇不到的。 ( 4 ) 正交异性钢桥面铺装层的受力模式与一般沥青混凝土路面的受力模式不同。 由于加劲肋的加劲支撑作用，在车辆荷载作用下，加劲肋、横肋( 或横隔板) 、纵隔板 顶部的铺装层表面出现负弯矩，铺装层最大拉应力应变均出现在铺装层表面。因此，对 于钢桥面沥青混合料铺装，疲劳裂缝从铺装层表面向底面扩展，而对于一般的沥青混凝 土路面，沥青混凝土面层的最大拉应力应变均出现在面层底面疲劳裂缝则是从面层的底 面向顶面扩展。 ( 5 ) 大跨径钢桥一般都是重要交通网路的枢纽，或者是某一地区过江跨海的重要 通道，它的畅通直接影响到整个路网交通的正常运行。桥面铺装一旦发生破坏，对交通 的影响要比公路路面损坏的影响和危害大得多，而且维修更加困难。 ( 6 ) 钢桥的最大弱点之一就是遇水会生锈，因此，钢桥面沥青混合料铺装的一个 重要特点是要求致密性好，防止雨水腐蚀钢桥面板。 因此，选用哪种钢桥面沥青混合料铺装类型，除了要满足抗变形和其他路用性能的 一般要求外，还必须具有与钢桥面板良好的粘结性、对钢桥面板的防水腐蚀作用以及适 3 第一章绪论 应加劲梁桥面板局部弯曲变形的抗疲劳特性等，具体表现在： ( 1 ) 较高的铺装层强度及合理的厚度。 ( 2 ) 优良的层间粘结性能。 ( 3 ) 优良的高温稳定性、低温抗裂性。 ( 4 ) 较好的耐久性，即较好的抗老化性、水稳定性和耐疲劳特性。 ( 5 ) 优良的适应钢桥面板非周期性变形，即变形稳定性。 ( 6 ) 优良的平整性、抗滑性及耐磨性。 ( 7 ) 良好的防水防渗透性能。 ( 8 ) 施工过程中要求较高的施工工艺和质量控制。 1 1 2 钢桥面铺装典型结构形式 国内外对钢桥面沥青混合料铺装的研究已投入大量的人力和物力，取得了一系列的 研究成果，形成了“四种铺装材料、三类铺装结构”的格局，即按照沥青混合料类型可分 为四类l r l ： ( 1 ) 热拌沥青混凝土或改性密级配沥青混凝土。 ( 2 ) 以德国和日本为代表的高温拌和浇注式沥青混凝土( g u s sa s p h a l t ) ，以及以英 国为代表的沥青玛蹄脂混凝土( m a s t i ca s p h a l t ) 。它的主要优点：空隙率接近零，具有 优良的防水、抗老化性能，无需防水层，抗裂性能强，对钢板的追从性、与钢板间的粘 结性能好于一般沥青混凝土；主要缺点：高温稳定性差，易形成车辙。 ( 3 ) 德国和日本等国采用的改性沥青s m a ( s t o n em a s t i c a s p h a l t ) 。它的主要优点： 柔韧性、抗松散、抗裂能力强，具有良好的耐久性和防水性能，抗塑流和抗永久变形的 能力强，不易产生车辙，具有粗糙的表面构造，防滑性能好，施工要求低，施工期短， 费用较低；主要缺点：铺装层较厚( 大于6 0 r a m ) ，对集料要求高，保质年限短。 ( 4 ) 以美国和中国为代表的环氧树脂沥青混凝土( e p o x y a s p h a l t ) 。它的主要优点： 强度高，高温时抗塑流和永久变形能力很强，低温抗裂性能很好，具有极好的抗疲劳性 能，具有高度的抵抗化学物质侵蚀的能力，包括溶剂、燃料和油；主要缺点：环氧沥青 混凝土的配制工艺比较复杂，施工中对时间和温度要求十分严格，施工难度大，材料费 用也较高，相关技术资料在国外多属专利产品。 按照沥青混合料铺装结构来分，目前的钢桥面铺装可分为三类，即同质单层、同质 双层与异质双层结构，具体表现为： ( 1 ) 双层或单层浇注式沥青混凝土。 4 长安大学颂士学位论文 ( 2 ) 上层密级配沥青混凝土+ 下层浇注式沥青混凝土，以日本使用的最多。 ( 3 ) 上层密级配沥青混凝土+ 下层改性沥青s m a ，德国和日本均有使用。 ( 4 ) 上层改性沥青s m a + 下层浇注式沥青混凝土，以德国使用的较多。 ( 5 ) 上下层分别采用不同粒径规格的改性沥青s m a 。 ( 6 ) 上层环氧沥青混凝土+ 下层浇注式沥青混凝土。 ( 7 ) 双层或单层环氧沥青混凝土。 1 1 3 大跨径钢箱梁桥面铺装的常见病害 在车辆荷载、风荷载、温度荷载、水等外界因素作用下，钢桥面铺装层会发生多种 形式的破坏，如：疲劳开裂、低温开裂、粘结层失效、车辙、推移、拥包等【9 】。 ( 1 ) 疲劳开裂 疲劳开裂是指钢桥面铺装层在正常使用情况下，由行车荷载和温度变化的多次反复 作用引起的铺装层的开裂破坏，是钢桥面沥青混合料铺装的主要破坏类型之一。由于工 作环境和受力模式的不同，钢桥面铺装层疲劳开裂的破坏形式、破坏位置与沥青路面结 构层完全不同，后者的疲劳开裂开始大多是形成细而短的横向裂缝，并逐渐扩展成网状， 开裂的宽度和范围不断扩大。钢桥面沥青混合料铺装层由正交异性钢桥面板支撑，在车 辆荷载作用下，正交异性钢桥面板的变形导致纵向加劲肋、横隔板( 或横向加劲肋) 、 纵隔板、主梁腹板等加劲部件与钢桥面板焊接处成为高应力区，并在这些位置处的铺装 层产生较大的负弯矩，即这些位置处的铺装层表面是拉应力或拉应变集中区。因此疲劳 开裂首先出现在铺装层表面，然后逐渐向底面发展。在纵向加劲肋、纵隔板、主梁腹板 顶部的桥面铺装层表面会出现纵向裂缝，在横隔板( 或横向加劲肋) 顶部的桥面铺装层 表面会出现横向裂缝，在横隔板与加劲肋交汇处，铺装层表面易出现网裂。 疲劳开裂涉及到许多方面的影响因素，如沥青混合料的特性、交通量及行车荷载等 级、沥青铺装层厚度及结构总体强度、正交异性钢桥面板厚度、加劲肋尺寸、横隔板间 距及厚度，以及自然环境因素等，因此，疲劳开裂与沥青混合料、铺装结构设计有关。 钢桥面沥青混合料铺装层在重复高应力或较高应力作用下，会由于疲劳而产生裂缝，这 些疲劳开裂通常出现在低温或常温季节。最常见的疲劳开裂表现为加劲肋顶部的铺装层 表面经常出现纵向裂缝。但如果在交通荷载作用下或长时间暴露在阳光、气温、雨水下， 铺装层的工作条件超过了材料的弹性极限，沥青混凝土结合料的本身特性不能实现裂缝 的自我修复功能或者铺装混合料发生了不可逆转的变化，则铺装层的疲劳开裂也会出现 在高温季节。疲劳开裂不仅直接影响到钢桥面铺装层路用性能，而且对于钢桥面板也有 5 第一章绪论 不利影响，它为雨水、湿气侵蚀钢桥面板提供了途径，钢桥面板的锈蚀会直接影响钢结 构桥梁功能。因此，必须控制钢桥面铺装层的疲劳开裂，当发生疲劳开裂时应及时进行 修复。 疲劳开裂是钢桥面铺装层的主要破坏形式，疲劳寿命是钢桥面铺装设计的主要目标， 针对该目标，钢桥面铺装层设计的主要内容包括：铺装材料疲劳性能测试、铺装层容许应 力( 或应变) 值的确定、铺装层临界应力( 或应变) 分析、铺装层疲劳寿命预估等【9 】。 ( 2 ) 粘结层失效或脱层 粘结层失效或脱层是钢桥面沥青混合料铺装的又一类主要破坏类型，也是钢桥面铺装 特有的一种破坏类型。铺装层与钢桥面板之间要加铺粘结层，保证铺装层与钢桥面板能组 成一整体共同受力，同时铺装层与钢桥面板间的粘结作用对保证整个正交异性钢桥面铺装 体系的复合作用以及在交通荷载作用下铺装层与钢桥面板的协调变形至关重要。铺装层与 钢板的复合作用可降低沥青混合料铺装层内部的应力，也可降低钢桥面板内部的应力以及 板肋焊接处的应力，因此这种复合作用对整个铺装体系各部件的受力均是有利的，而且模 量比系数n ( 定义为钢板的弹性模量与沥青混凝土铺装层模量的比值) 越小，这种复合作 用的效果越强，铺装体系各部件内部的荷载应力就越低。因此，粘结层的完好对改善钢桥 面铺装层的受力条件非常重要。同时，在目前修建的大跨径钢桥桥面沥青混合料铺装体系 中，为了施工方便，一般在多层铺装体系中干脆就取消了专门的防水层，而采用粘结性能、 防水性能均好的材料作为粘结层，则这样的粘结层就集粘结与防水两大功能为一身，如我 国已建成的江阴长江大桥，在浇筑式沥青混凝土与钢桥面板之间设置了2 m m 的橡胶沥青， 既作为粘结层也作为防水层。这样，粘结层的破坏也意味着防水层的破坏，会导致雨水、 湿气直接接触钢板引起锈蚀，从而影响整个桥梁结构的强度。 在行车荷载、温度等共同作用下，钢桥面铺装层与钢板间存在较大的剪应力，引起 较大的剪切变形，当铺装层与钢板之间结合界面的粘结力差、抗水平剪切能力较弱时， 在水平方向便产生相对位移直至粘结层失效或脱层。铺装层与钢板之间粘结层的破坏或 脱层不仅大大降低了两者复合作用，增加了铺装层内部的应力，加速铺装面层的破坏， 而且给修复工作带来了极大困难，增大了修复费用。一般钢桥面铺装发生铺装层与钢板 之间粘结力丧失，产生粘结层失效或脱层时，铺装面层仍能保持一整体，并未发生严重 破坏，但对层间粘结失效破坏或脱层的修复方法只能将粘结层破坏区域的沥青混凝土铺 装层( 不管破坏与否) 全部铲去，重新铺洒粘结层，重筑铺装层，这样大大增加了工程 费用，且修复时会妨碍交通正常运行，因此必须严格控制粘结层失效破坏或脱层。 6 长安大学顺士学位论文 ( 3 ) 车辙 主要是由于钢桥面铺装层在高温季节或长时间承受车辆荷载( 包括交通量成倍增 长、重载、超载、慢速行驶、渠化交通) 作用下，铺装层沥青混合料的抗永久变形能力 不足引起的，尤其在高温季节，铺装材料本身体现较强的粘塑性而表现出更大的抗永久 变形能力不足。或是由于铺装层与钢板间的抗剪切能力不足，尤其高温季节粘结层材料 强度大幅度降低，从而加速车辙的发展，两者均表现为铺装层表面轮迹处出现沉陷及其 侧向隆起现象。前者可通过沥青混合料的材料设计，控制好混合料的高温抗永久变形性 能，设计合适的空隙率，提高混合料的水稳定性，避免水下渗破坏粘结层而加速车辙破 坏，以及合理的铺装层厚度设计；后者可通过改善粘结材料性能及施工工艺，这样车辙 变形是可以降低甚至是可以避免的。 ( 4 ) 推移和拥包 钢桥面沥青混合料铺装层与沥青混凝土路面一样，在受到较大的车轮垂直和水平荷 载作用时，铺装表面经常会出现推移( 或波浪) 和拥包破坏。推移是沥青混凝土的塑性 流动滑移产生的，其特征为横跨沥青表面的波形起伏。拥包是铺装表面的局部隆起。造 成这种破坏的原因是车辆荷载引起的垂直和水平荷载的综合作用使结构层内产生的剪 应力超过材料的抗剪强度，同时也与行驶车辆的冲击、振动等动力作用有关。 由于钢桥面铺装层是支撑在正交异性钢桥面板上，钢的导热性好。钢桥面铺装层发 生的拥包破坏，不仅会出现道路路面上常见的沥青包，而且会出现铺装层所特有的高温 气包。高温气包的形成是由于钢桥面板与铺装层间的水分在夏季高温下( 钢板的温度可 达到7 0 ) 变成气体，而钢桥面铺装为了防止雨水侵蚀钢板，一般采用致密型沥青混凝 土，空隙率低于4 ，更甚者如浇注式沥青混凝土的空隙率达到零。因此，铺装层内部 的气体无法泄出，这样游动的气体越聚越多，最终不断膨胀，使沥青混合料铺装层表面 形成局部隆起。这种高温气包引起钢桥面铺装的破坏也较为常见。如1 9 9 7 年建成的香 港青马大桥通车第二年铺装层就出现了大量鼓包现象，之后研究分析就是由于施工时工 人滴下的汗水，在高温下气化，形成高温气包的原因。 ( 5 ) 坑槽 钢桥面铺装沥青混合料的空隙率大、水稳定性不足等可能出现坑槽。 ( 6 ) 局部冲压引起的破坏 局部冲压破坏是由于重载和特大交通量的作用，车轮对桥面沥青混合料铺装层的局 部冲击作用导致在桥面铺装层薄弱区域，如纵缝附近、粘结层薄弱处、补坑处等，出现 7 第一章绪论 局部碎裂或网状裂缝。 综上所述，钢桥面铺装结构在使用过程中不尽如人意，往往会产生上述所举病害， 表1 1 详列了国内外部分桥梁钢桥面铺装层的破坏情况。 表1 1 部分国内外大跨径钢桥面铺装层的破坏失效情况 序号桥名铺装材料与结构 破坏形式 a u c k l a n dh a r b o r 富锌漆+ 油溶沥青粘层+ 橡胶沥青面层 1 脱层、纵向开裂 ( 新西兰)( 3 2 r a m ) 富锌漆+ 煤沥青环氧树脂加石屑+ 橡胶乳化沥 2 p o p l a rs t r e e t ( 美) 纵向开裂 青粘层+ 橡胶改性沥青面层( 6 4 m m ) 富锌漆+ b o s t i k l 2 2 5 粘层+ 3 m m 橡胶沥青 3 w y e ( 英) 纵向开裂 + 3 5 m mm a s t i ca s p h a l t 面层 富锌漆+ b o s t i k l 2 2 5 粘层+ 3 m m 橡胶沥青 4f i r t ho f f o r t h ( 英) 纵向开裂 + 3 5 m mm a s t i ca s p h a l t 面层 s a nm a t e o - h a y w a r d富锌漆+ 环氧沥青粘层+ 环氧沥青面层 5脱层 ( 美)( 5 0 m m ) 富锌漆+ 环氧沥青粘层+ 环氧沥青面层 6 w e s tg a t e ( 澳) 脱层、开裂 ( 5 0 m m ) 富锌漆+ 环氧沥青粘层+ 环氧沥青面层 7l i o ng a t e ( 加) 脱层 ( 3 5 r a m ) 无机富锌漆+ 防水粘结层+ 改性密级配 8 宜昌西陵大桥( 中)开裂、车辙、推挤等 沥青混凝土( 6 5 m m ) 环氧富锌漆+ b o s t i c 粘结层+ 橡胶沥青防水层纵、横向开裂、块裂、 9 江阴大桥( 中) + m a s t i c a s p h a l t 表面压入碎石( 5 0 r a m ) 车辙、推挤 无机富锌漆+ 改性沥青粘结层+ s m a l 3纵、横向开裂、块裂、 1 0 虎门大桥( 中) ( 6 5 m m ) 车辙、推挤、波浪等 无机富锌漆+ 改性沥青粘结层 1 1 厦门海沧大桥( 中) 纵、横向开裂、推挤等 + 3 0 m m s m a l 0 + 3 5 m m s m a l 3 重庆鹅公岭大桥无机富锌漆+ 改性沥青粘结层 1 2油斑、光面轮迹带等 ( 中)+ 3 0 r a m s n 队1 0 + 3 5 m m s m a l 3 武汉白沙洲大桥无机富锌漆+ 改性沥青粘结层泛油、松散、整体滑移 1 3 ( 中)+ 3 5 r a m s m 魄1 3 + 3 5 m m s m a l 0等 1 1 4 钢桥面铺装需要解决的主要问题 从国内外钢桥面沥青混合料铺装的设计、施工和使用情况来看，当前需要解决的主 要问题包括【1 0 l ： ( 1 ) 分析钢桥面铺装的使用条件。必须综合考虑气候与环境条件、交通等共同作 8 长安大学硕+ 学位论文 用下钢桥面铺体系静力和动力特性的分析，以及对钢桥面沥青混合料铺装体系温度的检 测及其温度应力的分析。 ( 2 ) 根据确定的使用条件，选择合适的钢桥面铺装层和粘结层材料。分析并确定 钢桥面铺装材料的试验指标与技术要求、沥青混合料铺装层的材料参数，以及加强钢桥 面铺装材料粘弹性或粘弹塑性特性的研究。研究铺装层与钢桥面板之间牢固耐久的粘结 性能，提高铺装层与钢桥面板之间的粘结力，改善铺装层与钢桥面板间的变形协调性。 ( 3 ) 深入细化复合梁疲劳等试验研究，研究并评价铺装层与钢桥面板的整体性能、 铺装层模量及铺装材料极限承载力。 ( 4 ) 研究钢桥面沥青混合料铺装体系轴载换算方法，并明确钢桥面铺装材料抗疲 劳性能。 ( 5 ) 加强大跨径钢桥桥面铺装指标体系及其设计理论与方法的研究。 ( 6 ) 选择合理的钢桥面铺装施工方案和质量控制体系，确定桥面铺装施工各工序 的施工工艺、管理和控制指标。由于施工技术不完善及施工质量控制不严而使桥面铺装 未达到设计指标和预定使用性能，导致铺装失败的例子在工程中也是经常见到的。因此， 结合室内试验分析结果，正确设计施工方案和质量控制体系是保证铺装成功不可缺少的 一个重要环节。 从世界范围的钢桥面铺装工程来看，钢桥面铺装设计仍然以经验方法为主，还没有 建立系统的钢桥面铺装设计理论体系，钢桥面铺装工程中存在的各种形式的早期损坏问 题仍然没有得到根本解决，传统的试验手段与评价方法能否解决这些问题还有待商榷。 1 2 沥青混合料疲劳性能研究现状 疲劳开裂是沥青路面设计所必须考虑的三种主要破坏形式之一，沥青路面的疲劳开 裂等研究一直受到各国研究人员的关注。研究沥青混合料在反复荷载作用下的疲劳特性 以建立合适的沥青混合料疲劳寿命模型并将其与路面结构设计相整合是解决沥青路面 疲劳开裂的重要手段。研究沥青混合料疲劳特性主要有三种方法：唯象学方法、力学方法、 能量方法，相应地也形成了三类寿命模型。 。 一、唯象学方法 唯现象学方法认为沥青混合料的疲劳是在荷载重复作用下产生强度衰减累积引起 的破坏现象。荷载作用下，路面承受的应力或应变越大，材料的损伤越大，则能够承受 的荷载重复作用次数越少，反之亦然。该法源于材料试验过程中对现象的观察与试验室 所测试数据的合并，它常常将所观察到的损伤如沥青混合料试件的劲度损失与混合料的 9 第一章绪论 特征参数( 如空隙率、沥青填隙率等) 及试验应力联系起来。基于唯象学方法的沥青混合 料寿命模型为指数模型，如式( 1 1 ) 所示。 n f = a s mn r = k e m ( 1 1 ) 式中，n f 为至屈服时的荷载作用次数，s 与e 分别为所施加的疲劳拉应变或拉应力， 八k ，m 为根据试验所确定的相关系数。 m o n i s m i t he ta l l l 0 】于1 9 8 5 年对上述公式进行了修订。以考虑沥青混凝土劲度s 对疲 劳寿命的影响，如式( ( 1 2 ) 所示。该公式分别被s h e l l 及舢用在其设计程序中，其相关 系数由裂纹数量、混合料类型、沥青联结层厚度等确定。 n f - a ( 兰) n ( 兰) cn , - - a ( 1 ) n ( 兰) c ( 1 2 ) 二、力学方法 研究沥青混凝土疲劳特性的力学方法包括断裂力学或粘弹性连续损伤力学。 ( 1 ) 断裂力学方法 在断裂力学方法中，认为疲劳是材料初始微裂缝在荷载作用下扩展至破坏的过程。 在一定裂缝张口宽度和长度情况下，应用断裂力学原理计算裂缝尖端应力强度因子，它 决定了疲劳试验中裂缝的扩展。p a r i s 法则常常被用来描述连续裂纹的增长规律，如式( 1 3 ) 所示： d c a k n( 1 3 ) d n 式中：芝为每个荷载循环的裂纹扩展率，k 为应力强度因子，a ，n 为材料参数。 口n 在材料参数a ，n 为已知的情况下，应用式( 1 3 ) 所代表的p a r i s 法则，可计算出材料 的疲劳寿命，如式( 1 4 ) 所示： n f = 庀志 ( 1 4 ) 式中：c o 为初始裂纹长度，c f 为最终裂纹长度。采用该式计算疲劳寿命时实际上假 定p a r i s 法则在整个疲劳过程中均成立。 线弹性断裂力学假定裂纹扩展连续，对于脆性材料较为适用。为描述粘弹性材料的 裂纹增长过程，s c h a p e r y i 2 1 又r j - p a r i s 法则进行了理论修正，并且提出了i 型荷载作用下( 张 开型) 裂纹增长速率与材料基本特性的关系式，见式( ( 1 5 ) s c h a p e r y 粘弹性断裂理论的最 大优点在于其常数a 与n 可从相对较为简单的试验中得到。 1 0 长安大学硕士学位论文 a 2 南 訾渺w n 5 ， 式中，对于应力控制模式，n = 2 ( 1 + 1 m ) ；对于应变控制，n = 2 m o 。为极限承载应力， i l 为裂纹尖端“断裂进程区”的应力积分，v 材料的泊松比，d ( t ) 为简单蠕变试验中所获得 了蠕变柔量，d ( t ) = d o 十d 1 t m ，m 为蠕变柔量与时间的双对数曲线的斜率，即 m = d l o g d ( t ) d i o g d t 。f 为使断裂表面增加单位面积所需要的断裂能，w ( t ) 为标准化处 理后的应力强度因子的波形，t 为循环的加载时间。 沥青混凝土是一种与温度及加载速率密切相关的复合材料，为准确地预测它在真实 交通荷载下的行为，需要采用粘弹性理论。为建立沥青混凝土的损伤模型，在其本构模 型中必须考虑粘弹性与损伤增长。线性粘弹性的时间效应可采用相似法则进行处理。该 法则认为，弹性问题求解结果的数学形式与粘弹性问题求解结果的拉普拉斯变换形式相 似或相同。在应用本方法时，它采用数据变换将测试响应中的线性粘弹性行为移除，从 而在数学形式上产生伪应变。粘弹性材料的相似法则最早由s c h a p e 提出，它假定所有偏 离线性粘弹性的行为均包含了某种形式的损伤。s c h a p e 认为某种粘弹性材料的本构关系 式可用其弹性状况加以描述，但所用的应变并不是粘弹性体内的物理应变，而是伪应变。 单轴拉伸伪应变定义为： e r = 如e ( t 叫警d t ( 1 6 ) 上式中，e r 为单轴拉伸状态下的伪应变，e r 为参考松弛柔量，e ( t t ) 为松弛柔量 随时间变化的函数，e 为与时间相关的物理应变。 对于线性粘弹性材料，单轴拉伸状况下其应力可根据线性粘弹性本构关系式计算， 如式( 1 7 ) 所示： 。 o - f o e ( t 叫警d t ( 1 7 ) 联立式( 1 6 ) ，式( 1 7 ) 可改写为： r ( t ) 。掣 ( 1 8 ) 由s c h p a e y r 所提出的非线性弹性一粘弹性的相似法则被瞄m 【3 】用在在沥青砂的循环 应力应变的数据分析中。结果证实，s h c a p e y r 法则的本构模型能较好地预测多级荷载、 第一章绪论 加载次序和间歇时间等因素的影响，可准确模拟沥青混凝土在复杂循环荷载作用下的损 伤增长与断裂愈合现象。l e e 、d a n i e l 与k i m 采用数学简化方法将基于弹性一粘弹性相 似法则的本构模型与损伤力学进行整合，建立了与唯象学方法相似的模型，如式( 1 9 ) 所 示。 n ，一，呷一i 又南i e i - 五- e ：h 1 ( 1 9 ) 上式中，n f ，w ，啊p 为疲劳失效前的荷载作用次数( 无间歇) ，f 为荷载频率，s ，为损伤 参数s ，在失效时的值，1 为初始伪劲度，e i + ( i c 。：) a 。，ie i 为动模量，a 1 为与材料 相关的常数，c l 。与c 1 ：为回归系数。该模型通过力学法则将模型参数与混合料的性能联 系起来，有助于设计出疲劳抗力更好的混合料，并且在模型中可以考虑温度、疲劳损伤 与愈合效应，以及材料的时间相关性。但模型中涉及的参数较多、计算复杂，需要获取 混合料整个疲劳寿命中的应力一应变数据，以及混合料蠕变柔量的信息。另外，由于“应 力_ 应变- 伪应变”的计算较困难，在控制应力的模式下应用此模型的难度较大。 ( 2 ) 损伤力学方法 1 9 5 8 年，k a c h a n o v 提出用连续度的概念描述材料劣化的过程。他认为，材料劣化 的主要机制为微缺陷导致承载面积的减小，因此定义连续度、i ，为等直杆损伤后有效承载 面积与无损状态的截面积之比。1 9 6 3 年，r o b o l n o v 提出用连续损伤因子作为中间状况 变量，d 二i 一、i ，时，材料无损伤，当d = i 时，材料完全破坏。一般情况下，当材料完 全破坏时，d i ，这时的损伤变量定义为临界损伤变量d e 。二十世纪七十年代至八十年 代，损伤理论获得较大的发展。在此之后，热力学与微观力学也被引入损伤力学中。 损伤力学是通过力学参量研究材料在载荷作用下逐渐劣化的过程的学科。其核心内 容为三部分：( 1 ) 定义材料的损伤参量；( 2 ) 建立材料的损伤本构关系或损伤演化规律；( 3 ) 损伤力学的计算实现。材料的损伤可以在三种尺度上进行研究：宏观、微观以及介于两 者之间的中间尺度。对于微观尺度，损伤缺陷区域微应力的累积与粘结断裂的结果，在 中间尺度上，损伤指一个代表体积元上因微裂纹与微空隙的增长及其相互作用产生的一 条裂纹。在宏观尺度上，损伤即为该裂纹的扩展。 微观尺度与中间尺度的研究可以通过连续介质力学定义损伤变量实现，宏观尺度则 可以通过断裂力学中的宏观力学参量定义损伤变量来实现。材料的疲劳损伤演变的一般 表达式可表示为： 长安大学硕士学位论文 一d d ；f ( 。，d ，t ) ( 1 1 0 ) 一；_ i n i - 1 d n 、。 、 上式中，o 为应力，d 为损伤变量，n 为荷载循环作用次数，t 为温度。 在考虑应力幅的情况下，常用的损伤本构关系为c b a b o h c e 和l e m i a r t e 1 1 】等人所提 出的疲劳损伤演化方程，如式( 1 1 1 ) 所示： 鬲d d 一( 忐1d ) p ( 1 一d ) 4 ( 1 1 1 ) 烈、一7 、 77 上式中，、p 、q 为材料的特性损伤参数，a 为循环过程中的应力历程。 周志刚【1 2 1 采用式( 1 1 6 ) 所示的疲劳损伤演化模型分别对直接拉伸、悬臂梁弯曲、三点 弯曲和往返轮载( a p a ) 等沥青混合料疲劳试验进行损伤分析，针对不同试验方法建立了 相应的疲劳损伤模型和疲劳损伤计算方法，并得到了沥青混合料的疲劳损伤特征参数。 唐雪松【1 3 】等采用式( 1 1 6 ) 所示的疲劳损伤演化模型，针对悬臂梁弯曲疲劳试件，推 导出疲劳过程中应力场、损伤场和疲劳裂纹形成寿命的工程封闭公式。根据沥青混合料 特点，他提出一种模拟疲劳裂纹扩展的特征单元失效模式，从而将疲劳裂纹形成与扩展 两个阶段统一用损伤力学理论进行描述和分