（道路与铁道工程专业论文）大跨径钢桥面环氧沥青混凝土铺装裂缝行为研究.pdf

摘要 钢桥面铺装层作为一个功能层，必须具有足够的强度和良好的整体性，并应具有足够的抗裂、抗冲 击、耐磨性能。在我国，多座钢桥面铺装层在使用过程中都出现裂缝类病害，有的甚至严重到不得不进 行大面积翻修。大跨径钢桥面铺装层出现裂缝之后，一旦雨水渗入裂缝，浸蚀铺装层与钢桥面板之间的 粘结层，那么在行车荷载作用下，铺装层会很快在更大面积上开裂恶化，不但会诱发更多其他类型病害 的产生，还会引起钢桥面板的锈蚀。这不仅对高速行驶车辆的安全构成威胁，而且会降低钢桥面板的使 用寿命，同时也会造成恶劣的社会影响。因此，对钢桥面铺装层裂缝行为进行研究是降低铺装层病害出 现的概率、延长铺装层使用寿命的关键。 本文是国家自然科学基金项目“钢桥面环氧沥青混凝土铺装层疲劳损伤与寿命预估研究”( 基金编 号：5 0 5 7 8 0 3 8 ) 的一部分，主要对环氧沥青混凝土铺装层裂缝行为进行理论研究。 论文首先对环氧沥青混凝土裂缝类病害现场调查结果进行令了分析和评述。根据裂缝的具体特征把 铺装层上的裂缝分为三类。在此基础上通过对钢桥面铺装层荷载图式的研究以及不同条件下铺装层的力 学分析，得出了不同类型裂缝产生的机理，并对钢桥面铺装各种病害之间的演化关系进行了分析。 在对现有材料断裂判据优劣性分析的基础上，利用有限元方法对带切口的环氧沥青混凝土复合结构 的断裂过程进行了模拟，发现在j 积分v s 裂缝扩展长度曲线上存在两个拐点，由此提出用j 积分作为环氧 沥青混凝土复合结构的断裂判据。同时给出了描述环氧沥青混凝土复合结构中裂缝扩展过程的指标： j 酗j 。 疲劳断裂是环氧沥青混凝土铺装层裂缝出现的主要原因。材料的疲劳断裂过程实际上是多次动荷载 作用下裂缝扩展过程的简单迭加。鉴于此，论文利用有限元方法对带裂缝的铺装层的动荷载响应进行了 分析。同时分析了不同铺装层不平整度、裂缝深度、铺装层模量、铺装层与钢板之间层问粘结情况等对 裂缝顶端应力场的影响，结果表明，不同因素对铺装层裂缝顶端应力场的影响规律是不同的。其中，铺 装层与钢板之间的粘结情况对铺装层使用性能的影响最为显著。 通过对已有研究成果的对比分析，对环氧沥青混凝土复合结构疲劳裂缝扩展阻力曲线的形式进行了 探讨，并提出了适合于环氧沥青混凝土复合结构的r 曲线。在此基础上，利用m s c f a t i g u e 对复合梁的疲 劳裂缝扩展进行了研究，提出了疲劳裂缝扩展的三个阶段：启裂阶段、稳定扩展阶段和失稳扩展阶段， 并分别对其进行了拟合，得出了疲劳裂缝扩展与疲劳荷载作用次数之间的关系。同时还提出了当量裂缝 长度的概念，以有效考虑环氧沥青混凝土中的微孔隙对疲劳裂缝扩展的影响。 研究裂缝的目的是控制并消除裂缝的不利影响。因此，论文在最后对利用分布式光纤传感器对铺装 层中的裂缝进行监测并预报的可行性进行了分析，提出了分布式光纤传感器在铺装层中的布设方式。同 时，对环氧沥青混凝土铺装层养护方法进行了分类，并对预防性养护方法的实用性进行了分析。并且建 立了铺装层使用性能评价指标b p c i 模型。利用b p c i 的衰减规律，可以方便地进行养护决策。 关键词：钢桥面铺装环氧沥青混凝土裂缝行为裂缝监控预防性养护有限元法 a b s t r a c t a sas e c o n d a r yl a y e r , p a v e m e n to ut h es t e e lo r t h o t r o p i cd e c ks h o u l dh a v eg o o ds t r e n g t h ，i n t e g r i t ya n d o t h e rp r o p e r t i e s , s u c ha sa n t i - c r a c k , a n t i - i m p a c t i o n , w a t e r p r o o fa n dw e a r a b l e i nc h i n a , m a n ys t e e ld e c k p a v e m e n t sh a v et h ee x p e r i e n c e so f c r a c k sd u r i n gw o r k i n g , a n ds o m eo f t h e mh a dt ob er e b u i l tb e c a u s eo f t h e s e v e r ed i s t r e s s e s w h e nc r a c k sa p p e a r i n gi nt h ed e c kp a v e m e n t , r a i no ro t h e rw a t e rh a v et h ee n t r a n c et ot h e b o t t o mo ft h ep a v e m e n ta n de r o d et h ec o h e s i o nl a y e rb e t w e e nt h ep a v e m e n ta n ds t e e ld e c k g r a d u a l l yt h e s e c r a c k sw i l lb ee v o l v e dm o r ec r a c k so ro t h e rd i s t r e s s e so v e rm o r ew i d e l ya r e ao f t h ep a v e m e n tu n d e rt h eu a 仿c l o a d i n g s ，w h i c hm a yl e a dt ot h ee r o s i o no fs t e e ld c c k t h i sw i l ln o to n l yd o h a r mt ot h eh i i g hs p e e dv e h i c l e s ， l o w e rt h ef a t i g u el i f eo f t h es t e e ld e c k ，b u tc a u s ea b o m i n a b l es o c i a lo p i n i o n s t h e r e f o r e ，i ti sak e yt op u tm u c h e f f o r ti n t ot h ea n a l y s i so f c r a c k si np a v e m e n to nt h eo r t h o t r o p i cs t e e ld e e kr e d u c ep r o b a b i l i t yo f c r a c k i n g , a n d p r o l o n gt h el i f et i m eo f d e c kp a v e m e n t t h ed i s s e r t a t i o ni sp a r to ft h ep r o j e c t “r e s e a r c ho nt h ef a t i g u ed a m a g ea n dl i f ep r e d i c t i o no fe p o x y a s p h a i tp a v e m e n to ns t e e ld e c k ”( n o 5 0 5 7 8 0 3 8 ) a i d e db yn s f c ( n a t i o n a ln a t u r a is c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ) a n dt h em a i np u r p o s eo f t h ed i s s e r t a t i o ni sd o i n gt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h ec r a c k so f e p o x ya s p h a l t p a v e m e n t s o m ei n v e s t i g a t i o n sw e r ed o n eo v e rt h ed i s t r e s s e si ne p o x ya s p h a l tp a v e m e n to fo r t h o t r o p i cs t e e ld e c k , o v e rw h i c hc r a c k si nt h ep a v e m e n tw e r ed i v i d e di n t o3c a t e g o r i e s t h em e c h a n i s mo f e a c hk i n do f c r a c k sw a s a n a l y z e do nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ho nt h el o a dp a t t e r n sa n dd i f f e r e n tm e c h a n i cr e s p o n s e so ft h ep a v e m e n t w i t hf e m a n dt h ee v o l u t i o nr e l a t i o n s h i pa m o n gd i f f e r e n tp a v e m e n td i s t r e s s e sw a sd i s c u s s e dh e r e c o m p o s i t eb e a mm a d ew i l l le p o x ya s p h a l to v e rs t e e ld e c ki st h eo b j e c to f t h er e s e a r c h t h ec o m p o s i t e b e a mw i t han o t c hi nt h ee p o x y p h a l tw a ss i m u l a t e dw i t hf e m a n dj - i n t e g r a lw a su s e dt oe v a i l m t et h e f r a c t u r ep r o p e r t yo ft h ec o m p o s i t eb e a ma f t e rc o n s i d e r i n gt h em e r i ta n dd e m e r i to ft h ef r a c t u r ec r i t e r i o n s c o m m o nu s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e mw e r et w oi n f l e x i o n so nt h ec t l r v eo fj - i n t e g r a lv s c r a c k1 e n g t h a n dj - i n t e g r a lc o u l db eaf r a c t u r ec r i t e r i o no f t h ec o m p o s i t es t r u c t u r e a sa 1 1k n o w n , f a t i g u ef f a g l n r ej st h em a i nc a u s eo fc r a c ki nt h ed e c kp a v e m e n t w h i l s tt h ep r o c e s so f f a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o ni sa d d i t i o no fc r a c kp r o p a g a t i o nu n d e ro n e - t i m ed y n a m i cl o a d i n g t h e r e f o r e ，t h e r e s p o n s e so fe p o x ya s p h a l tp a v e m e n to ns t e e ld e c kw i t hac r a c kw e l es t u d i e dc o n s i d e r i n gt h es t r e s sf i e l d i n f l u e n c e db ym a n yf a c t o r ss u c ha sd i f f e r e n tr o u g h n e s so f p a v e m e n t , d i f f e r e n tc r a c kd e p t h s ，d i f f e r e n tp a v e m e n t m a d u l ia n dc o h e s i o nc o n d i t i o nb e t w e e nd e c ka n dp a v e m e n t a t i e rt h ec o m p a r i s o na m o n gt h er e s e a r c hr e s u l t s t h er - c u r v eo f t h ee o m p o s i t es t r u c t u r ew a sd i s c u s s e da n d a n a l y z e d ，o nt h eb a s i so fw h i c hf a t i g u ec m c kp r o p a g a t i o no fc o m p o s i t es t r u c t u r ew a sa n a l y z e du s i n gm s c f a t i g u ep r o g r a m m e a n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nf a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nv s t i m eo fl o a d i n gw e r e r e g r e s s e d a n di no r d e rt oc o n s i d e r i n gt h ee f f e c to f t h em i c r o - v o i di nt h ee p o x ya s p h a i to nt h ef a t i g u ec r a c k p r o p a g a t i o n , an e wc o n c e p t , e q u i v a l e n tc r a c kl e t i g t h ，w a sp u tf o r w a r d 1 1 1 el a s tt o p i ci nt h ep a p e rw a sh o wt oc o u t r o lc r a c ka n dd i m i n i s hi 乜d i s b e n n i f i te f f e c t f o rt h ep u r p o s e a f l e wm o n i t o r i n gm e t h o d ，d i s t r i b u t e df i b e rc r a c ks e n s o r , a n dt h ef e a s i b i l i t yo f h o wt ou s et h ef i b e rt om o n i t o r a n dp r e d i c tp a v e m e n tc r a c kw e r ed i s c u s s e d c o n s e q u e n t l ys o m et e c h n i q u e so fp r e v e n t i v em a i n t e n a n c ea n d b p c i ( b r i d g ep a v e m e n tc o n d i t i o ni n d e x ) m o d e lw e r er e c o m m e n d e d k e y w o r d $ ：s t e e ld e c kp a v e m e n t ，e p o x ya s p h a l t , c r a c kb e h a v i o r , c r a c km o n i t o r i n g , p r e v e n t i v em a i n t e n a n c e ， f e m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：磁! l 西缱日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：弹导师签名：一日期： 第一章绪论 第一章绪论 随着我国交通事业的快速发展，已建成或正在建设的大跨径桥梁( 如斜拉桥、悬索桥、拱桥和p c 连续刚构桥) 逐渐增多。国内外的经验表明，大跨径桥梁( 包括斜拉桥和悬索桥) 最有效的结构形式之 一是加劲的钢箱粱桥。大跨径钢箱粱桥桥面系大多数采用正交异性桥面板和沥青混合料铺装，桥面铺装 一般由防锈层、粘结层、沥青混合料铺装层构成，直接铺筑于钢箱梁正交异性桥面板之上。图1 1 为典 型的正交异性钢箱梁结构，其上的铺装层厚度一般为3 0 m m - 8 0 m m 藏食怒赢：i 两 l 。坪氯_ 青1 。鼙：曼 量 罗之兰iilt 逵媳蜒她接照l ，跹! 土姒照些茹茹鼍 量g2 6 | 5 gl i i 研究背景 图1 1 大跨径钢桥的正交异性板箱粱 由于大跨径钢桥桥面铺装的使用条件、施工工艺、质量控制与要求的特殊性，对其强度、抗疲劳性 能、抗车辙、抗剪切性能及变形协调性等均有较高的要求，如何能更好的使桥面铺装完全适应大跨径钢 桥的使用要求，国内外普遍尚未得到有效的解决对策。由于对特殊的使用条件、铺装材料的选择、结构 组合设计、施工工艺、质量监控及日常养护考虑欠周及经验缺乏，大跨径钢桥桥面铺装比路面更容易出 现病害，这不但桥梁的结构耐久性有很大的威胁，而且对桥面铺装行车的安全性与舒适性也有着直接的 影响。 文献【l 】认为目前正在运营的混凝土公路桥有3 0 在结构上或者功能上有问题，而在这众多有问题 的桥梁中，许多是由于混凝土桥梁桥面铺装的失效导致有害物质下渗而引起的。而从我国目前已建成并 投入使用的大跨径钢箱梁正交异性桥面板桥梁的情况来看，形势也不容乐观。我国现有大跨径钢桥约 1 0 余座，投入运营的时间都不长。然而大部分桥面铺装却在通车后不久便出现了不同程度的疲劳开裂、 脆性断裂、高温车辙、粘结层剪切破坏或脱层、横向推挤、拥包等病害，个别桥梁桥面铺装甚至已经进 行了多次大面积维修【2 l 。因此，对大跨径钢桥桥面铺装设计方法及铺装技术的研究日益受到国内外学术 界和工程界的高度重视。 环氧沥青是将环氧树脂加入沥青中，经与固化剂发生固化反应，形成不可逆的固化物，这种材料从 根本上改变了沥青的热塑性质，而赋予沥青完全新的优良物理力学性质。用环氧沥青拌制的沥青混合料， 其路用性能比普通沥青混合料优异得多。 国外从6 0 年代开始研究并推广使用环氧沥青混合料。日本北海道大学土木工学科的问山正一、营 原照雄在7 0 年代就对环氧沥青混合料的配制、模量、应力松弛性能、破坏性能等进行了研究。环氧沥 青混合料作为高性能材料，在国外工程中得到了较为广泛的运用。荷兰的壳牌石油公司、日本的 w a t a n a b e g u m i 公司、美国的c h e m c o s y s t e m s 公司也都已生产专利的环氧沥青商品出售( 如壳牌石油公 司的s h e l l g r i ps y s t e m ，w a t a n a b e g u m i 公司的w - e p o x y 等) 。由于环氧树脂价格较高，加之施工技术要 求也很高，因而被认为是超高级的铺装材料。美国、澳大利诬等国家多使用环氧沥青混凝土材料。环氧 沥青混凝土用于钢桥面铺装已有三十多年的历史，大多数表现出了良好的使用性能。旧金山的o a k l a n d b a y 大桥采用这种材料进行桥面铺装，虽然单向交通量达到3 0 0 0 0 辆天，但经三十年的使用后依然完 好无损。澳大利亚的w e s tg a t e 桥在铺装前，有关人员调查了欧洲和美国各钢桥的铺装情况，认为欧洲 1 东南大学博士学位论文 使用的高温浇筑沥青混凝土不能抵抗澳大利甄的高温气候影响，从而使用了环氧沥青混凝土。 国内道桥行业对环氧沥青的研究起步较晚。最初与环氧沥青相关的也是环氧煤焦油沥青，主要应 用于路面裂缝的修补。上海市市政工程管理处和同济大学，在1 9 9 2 年至1 9 9 5 年期间研究了环氧沥青混 合料的配制原理、配制方法、热拌、冷拌环氧沥青混合料的物理力学性质，对环氧沥青混合料的物理力 学性能进行了综合评价，并在上海龙吴路摊铺了一段2 0 0 m 2 的试验路。由于经费原因，这项研究没有延 续下去。而其研究成果又因环氧沥青材料本身较高的成本，也没在国内得到实际工程应用。1 9 9 8 年长 沙交通学院路桥工程系在同济大学研究成果的基础上也开展了环氧沥青混合料的试验研究，并初步分析 了环氧沥青的改性机理。东南大学对环氧沥青混合料进行了系统研究，提出了其作为桥面铺装材料时的 具体指标和建议，并于2 0 0 0 年成功应用于南京长江第二大桥钢桥面铺装工程，至今性能优良。目前国 内已建的润扬长江大桥、舟山桃天门大桥、南京长江第三大桥、江阴大桥桥面铺装修复工程等均采用环 氧沥青混合料作用铺装材料。 1 1 1 钢桥面铺装的裂缝类病害 如前所述，钢桥面铺装层在使用过程中会出现许多类型的病害。表1 1 为一些国家钢桥面铺装层的 主要破坏类型。 表1 - 1 国内外部分桥梁钢桥面铺装破坏失效情况 桥梁名称建成年代 主粱类型 铺装类型主要破坏形式 a u c k l a n dh a r b o r 桥1 9 5 9钢桁架梁橡胶改性沥青混合料 纵向疲劳裂缝、脱层 p o p l 口s f f e t t 桥 钢桁架梁 同上 纵向疲劳裂缝 w y e 桥 钢桁絮梁 3 5 m m 沥青玛蹄脂纵向疲劳裂缝 f i r t ho f f o r t h 桥1 8 8 9 钢桁絮梁同上纵向疲劳裂缝 h m e b o g g s 桥 钢桁絮粱5 0 r a m 环氧沥青混凝土 疲劳裂缝、车辙、脱层 l i o n g a t e 桥 1 9 7 8 钢箱梁 同上 层间滑移 广东虎门大桥1 9 9 7钢箱梁 5 5 - - 6 0 m m 单层改性s m a疲劳裂缝、车辙 厦门海沧大桥 1 9 9 9 钢箱梁3 0 m m s m a l 3 + 3 5 m m s m a l o疲劳裂缝、车辙 武汉白沙洲大桥2 0 0 0钢箱梁3 0 m m s m a l 3 b + 5 0 r a m s m a l 3 a 疲劳裂缝、车辙、脱层 香港青马大桥 1 9 9 7钢桁架粱 5 0 m m 沥青玛蹄脂局部鼓包、脱层 江阴大桥 1 9 9 9钢箱粱同上 疲劳裂缝、车辙 从表1 1 中可以看出，无论那种铺装层材料或者结构，都难以避免裂缝类破损的出现。在被调查的 1 2 座国内外大跨径钢桥面铺装层中，有1 0 座存在不同程度的裂缝破损问题，占所统计桥梁数量的8 3 ，表明裂缝类病害是影响钢桥面铺装层使用寿命的主要因素之一。 图1 2 国内某悬索桥桥面铺装严重的裂缝病害 2 第一章绪论 图1 3 铺装层损坏造成的钢桥面板的锈蚀 图1 2 为国内某悬索桥钢箱梁桥面铺装层的裂缝破损情况。从图中可以明显看出，铺装层已经与钢 桥面板完全脱离，铺装层已经完全破碎。部分铺装层碎块已经被车辆带出桥面，剩下的比较大的碎块虽 然还在桥面上，但是已经完全失去铺装层的功能。图1 3 为钢桥面板的锈蚀情况。由于铺装层失去作用， 钢板将受自然条件的直接作用，容易引起大面积锈蚀。由此可见，桥面铺装层的损坏不仅仅会给行车舒 适性造成影响，而且会对整个桥梁的安全性造成不利影响j 。 众所周知，钢桥面铺装层完全处于自然环境中，经受来自车辆、气候、人文等因素的不断变化作用。 它的实际受力状态、材料性质等都与现行的静态力学体系下的简化模型有着较大的差别。以汽车荷载为 例，汽车在行驶过程中，对桥面铺装层的垂宣方向产生连续不断的振动作用和瞬间的冲击作用，以及水 平方向的动态剪切作用，这些在静力分析中都是无法模拟的。目前国内外钢桥面铺装层都采用沥青类材 料，与水泥混凝土材料相比，沥青混凝土材料具有较高的柔韧性，能在很大程度上适应钢桥面变形大的 特点，但是这种材料对时间和温度等影响因素十分敏感，它会随时间而老化，随温度升高而软化，随温 度降低而脆化。因此在实际使用过程中常常由于荷载作用时间不同、环境温度不同，所表现出的力学性 质是完全不同的。这些都是力学计算难以考虑的问题。 我国从八十年代开始修建正交异性钢桥面板桥梁，最早的广东省肇庆市四会县马房镇的北江大桥是 一座简支双钢箱粱桥，采用正交异性钢桥面板。原来的桥面铺装结构为7 厘米厚的氯丁橡胶沥青混合料， 结果铺装层竣工后不久便开始产生大量疲劳裂缝。1 9 9 2 年采用由特殊聚合物改性的沥青橡胶混合料重 新铺筑，但也很快产生了疲劳开裂等病害。该铺装维持使用至1 9 9 7 年后再次进行了较彻底的维修，但 是铺装层仍然出现很多疲劳裂缝。 同样在1 9 9 9 年通车的厦门海沧大桥是一座主跨6 4 8 m 的悬索桥。铺装层采用s m a 结构，厚度为 6 5 c m 。在通车2 年之后，铺装层也出现大面积裂缝类病害，造成了极坏的社会影响。 图1 a 海沧大桥桥面铺装层的裂缝 东南大学博士学位论文 图1 4 为工作人员在测量海沧大桥桥面铺装层裂缝的深度以及宽度。出现裂缝以后，海沧大桥采用 了道路密封剂对裂缝进行了封缝处理p j 。由于施加的时机太晚，这种养护方式最终还是失败了。 环氧沥青混凝土是目前应用最为成功的一种铺装材料。从国内外相关资料来看，采用环氧沥青混凝 土铺装材料的钢桥面铺装在使用多年之后一般都基本完好无损，但是仍然有一些细小的裂缝逐渐出现。 这表明目前的技术水平条件下，无论采用何种铺装层材料，几乎难以避免裂缝的产生。 针对钢桥面铺装层使用过程中出现的种种问题，科技工作者还采用了各种技术对铺装层材料进行改 性，试图改善铺装层材料的使用性能。比如，为改善铺装层的高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳特性， 采用各种改性剂，如聚合物橡胶( 北京大北窑立交桥、天津海门大桥) 、s b s ( 锡澄路跨沪宁高架桥中跨 钢桥) 、热塑性e v a 共聚物与季胺盐类表面活化剂( 上海延安路高架钢桥、上海苏州河南桥) 和进口优 质沥青等等。采用这些技术修建的桥面铺装，有的也出现了早期疲劳开裂现象，并进行了翻修，部分仍 然有待时间考验”i 。在国内研究者一方面致力于研究开发钢桥面铺装技术的，另一方面则大量引进国外 的铺装技术。如江阴长江公路大桥，采用了英国的沥青玛蹄脂铺装方案，并由英国人总承包施工。虽然 沥青玛蹄脂铺装在欧洲成功的例子很多，但由于中国和欧洲的气候及交通条件相差很大，故并不能保证 该种铺装方案在中国能够成功。江阴大桥通车数月后铺装层既出现了严重的纵向裂缝，车辙、坑槽等病 害也较明显。到2 0 0 2 年1 1 月，铺装层重车道上u 形肋边缘处铺装层表面的纵向裂缝最长已经达到 3 0 m 1 2 胴。 从设计者的角度考虑，钢桥面上铺设的铺装层通常没有结构性的目的，不需要它承担额外的车辆或 者桥梁结构荷载。铺装层的作用主要是为行车提供一个良好的环境，附加作用则是防渗防水，减少钢桥 面被锈蚀的可能性，提高桥面的耐久性和安全性。但是由于铺装层材料本身是一种带缺陷的非均质材料， 其内部天然存在很多空隙和破裂面，要完全防止雨水渗漏难度很大。两一旦雨水进入铺装层内部，并且 影响到铺装层与钢板表面的粘结性能，铺装层的受力特性就会完全发生改变，它从与钢桥面协同变形共 同受力变化为单独变形，这样一来铺装层表面的疲劳裂缝将很快产生，并且形成恶性循环，最终将导致 铺装层彻底失效。因此，铺装设计的主要目标是如何在使用期限内使铺装层与钢板完全协同工作，并且 通过选择铺装层材料来控制裂缝并且将裂缝减至最小。实际上各种形式的疲劳断裂都可以分为裂纹萌 生、裂纹扩展直至最终失稳扩展的三阶段过程。裂缝的失稳扩展过程受控于裂纹萌生和裂纹稳态扩展的 内在抗力与外界施加的驱动力之间的矛盾运动的结果。 一个设计良好的桥面铺装系统应该符合这样的要求：高的耐久性、低的孔隙率、对剥离和脱空有高 的抵抗力、l o 年以上的免维护状态1 4 。要铺装层具有长时间的免维护状态，则必须要求铺装层材料和结 构要有长的疲劳寿命，而结构中裂缝的产生和发展是约束疲劳寿命的关键因素。常规的材料结构疲劳寿 命研究方法往往忽略了裂缝的产生及稳态和失稳扩展规律，而仅仅考虑裂缝的稳态扩展是不够的。因此 对于个完善的铺装层设计方法来说，首先要弄清楚铺装层中的裂缝是怎么样产生的和裂缝出现以后是 怎样扩展的等问题；其次，应该研究监测和评估环氧沥青混凝土铺装层中的裂缝的方法以及提出能投有 效延缓和控制铺装层裂缝出现的对策。 1 1 2 铺装层的裂缝监测方法 钢桥面铺装层与沥青路面的不同除了支撑条件不一样之外，还有一点不同是铺装层的厚度较薄，一 般在4 8 c m 之间。而且由于钢板的柔性较大，因此在同种外荷载作用条件下，铺装层的应力及应变较 之沥青路面要大很多。所以，一旦铺装层出现肉跟能够辨识的裂缝，将会很快贯通铺装层。因此，需要 采用一种方法使裂缝在被肉眼发现之前就能够被感知，这样才可以有针对性地采取合理的方法及时对铺 装层进行养护，防止裂缝进一步扩展，并有效延长铺装层的使用寿命。 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代末发展起来的一种新的传感技术，随着光纤技术在世界范围内得到 迅猛的发展，光纤传感器以其独特的技术优势，在与传统的电量、机械量传感器的竞争中，日益的显示 出其强大的生命力。分布式光纤传感技术也是在2 0 世纪7 0 年代末提出的，它是随着光纤工程中仍应用 十分广泛的光时域反射( o t d r ) 技术的出现而发展起来的。分布式光纤传感技术以其可对被测量场的连 续空间进行实时测量的特点而成为光纤传感技术中极其引人注目的一项新技术。分布式光纤传感技术不 4 第一章绪论 仅具有一般光纤传感器的特点，而且充分利用了光纤空间连续分布的特点，可以在沿光纤分布的路径上 同时得到被测量的时间和空间分布信息，一举解决了许多重大应用场合下其他类型传感器难以胜任的 测量任务，显示出十分经济和现实的应用前景。从第一个分布式光纤传感器原理方案问世以来的短短十 几年里，各种原理的新型分布式光纤传感器相继问世，并且可以预计将有更多、性能更优异的分布式光 纤传感器进入各个应用领域。目前，光纤传感器技术已被用于航空航天，船舶航运，电力工业，石化工 业，医学，核工业和民用工程结构等领域中1 7 1 。民用工程的结构健康监测是应用光纤传感器最活跃的领 域，桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆等的力学参数的测量对结构维护至关重要。 大跨径钢桥面铺装层过早出现病害不仅危及到高速行车的安全，影响了钢桥桥面板的使用寿命，同 时也造成了一定的社会影响，引起了社会各界广泛的关注。随着我国交通事业的快速发展，沿江和沿海 地区的大跨径钢桥已经越来越多，同时环氧沥青混凝土铺装层在国内的应用也越来越广泛，如南京长江 第二大桥、南京长江第三大桥、江阴大桥桥面修复工程、润扬长江公路大桥、苏通大桥、桃天门大桥、 天津大沽桥、洞庭湖大桥等等都已经采用或者拟采用环氧沥青混凝土作为桥面铺装层。因此如何对铺装 层的裂缝进行监测和控制是改善铺装层使用性能、延长铺装层使用寿命、减少铺装层其他类型病害的产 生的关键，同时对铺装层裂缝行为的分析研究对于制定钢桥面铺装层技术规范以及对于我国交通事业的 发展都具有重大的实际意义。 1 2 疲劳裂缝问题的研究现状 1 2 1 国外研究现状 疲劳裂缝扩展的研究始于4 0 年代末 s l 。当时给出的疲劳裂缝扩展速率表达式为： 皇生：爿盯m 4 一( 1 1 ) d n 式中仃为外应力，a 为裂缝长度，为荷载作用次数，a 、i n 、n 为试验确定的常数。观察到m - - 2 n ， 这为以后将a k 引进疲劳裂缝扩展的研究，有某种启示意义。 5 0 年代以后，随着断裂力学的发展和电子显微镜的应用，疲劳裂缝扩展的研究取得了突飞猛进的发 展。疲劳裂缝扩展的研究在微观和宏观两个方面同时展开。在微观方面，主要是研究疲劳裂缝扩展的微 观机制和相关的微观力学模型；宏观方面，主要研究疲劳裂缝扩展的力学模型和疲劳裂缝扩展速率的表 达式。 微观研究成果认为：疲劳裂纹扩展有四种可能的机制，即条带机制、微区解理、微孔连接和晶间分 离。其中，对疲劳条带的观察，给出了关于疲劳断裂扩展的最有价值的信息，并据此提出疲劳裂纹扩展 的微观力学模型，这为研究疲劳裂纹扩展的力学模型和疲劳裂纹扩展速率表达式，提供了物理根据l s l 。 宏观方面的最大成就当属p a r i s 提出的疲劳裂纹扩展速率表达式p j 。p a r i s 最有创造性的工作是把应 力强度因子增量a k 引入了疲劳裂纹扩展的研究，表明疲劳裂纹扩展的控制参数是a k 。p a r i s 提出的 公式仅仅适用于中部区，即稳态裂纹扩展区。其后，f o r m a n 提出了适用于中部区和裂纹快速扩展区的 疲劳裂纹扩展速率表达式i l o | 。同时，对影响疲劳裂纹扩展速率的因素，以及影响p a r i s 公式中的指数和 系数的因素，包括内因和外因都做了研究i 】1 4 q 。疲劳裂纹扩展的理论模型( 1 1 ) 给出了m = 2 或者4 ， 但是对于金属材料，m 在1 4 9 6 7 之间变化；对于陶瓷等脆性材料，m 更是高达4 0 以上1 1 7 j 。 7 0 年代，提出a k 的概念并实验测定了a k n 1 ”。此后，提出了适用于近门槛区和中部区的疲劳 裂纹快速扩展速率表达式1 2 1 1 ，以及适用于近门槛区、中部区的疲劳裂纹扩展速率表达式，以及适用于 近门槛区、中部区和快速扩展区的疲劳裂纹扩展速率表达式，总计达到1 0 0 多个疲劳裂纹扩展速率表达 式。同时，提出了裂纹张开和闭合的概念，并试验测定了k o e 。从概念上讲，应有j o = a k m ，j = c 。 5 东南大学博士学位论文 但是j 乙和战h 究竟有怎样的内在联系，仍然不清楚。 1 2 1 1 沥青路面裂缝及疲劳扩展 对沥青混凝土材料疲劳开裂的关注最早起始于第二次世界大战末期。1 9 4 2 年，美国的o j ，p o r t e r 就 已经注意到有些柔性路面在非常小的弯沉下，如果车轮荷载重复几百次路面就被破坏的现象。1 9 5 3 年 l w n 蛳r 和v a nd e rp o l e 就曾经指出，沥青路面使用后期出现的裂缝可能与行车产生的弯曲应力超 过材料的抗弯拉强度有关，为了考虑重复荷载以后的抗弯强度，就必须把疲劳现象加以考虑。1 9 5 5 年 e n h v e e m 把不同轴载下的弯沉与路面的实际性能联系起来，并强调裂缝是疲劳的结果，它取决于弯沉 的大小和重复次数。随着研究的深入，到1 9 6 2 年在美国密歇根大学举行的第届国际沥青路面结构设 计会议上，对于疲劳是路面形成开裂的原因之一，并会导致路面损坏的这一观点，得到了比较普遍的承 认。随后专题讨论疲劳问题的论文日益增多，其中设计到疲劳机理、试验方法、量测技术设备、影响因 素分析以及在路面结构中的实际使用效果和路面设计体系的确定等等。这些成果对于帮助人们认识沥青 混合料的疲劳性质、预测路面的疲劳寿命以及指导路面设计都曾起到了积极的作用口”。 国外最早的沥青混合料疲劳试验是有r g h e n u e s 和h h c h e n 等提出的。根据试验发现，沥青梁试 件的动力模量随荷载作用次数的增加而减小。首先尝试将断裂力学应用到沥青混凝土强度问题上的学者 是法国人e m o a v e n z a d e h 。他通过试验得出了低温条件下沥青混凝土适合脆性规律的结论。综合目前国 外已有的研究成果，沥青混凝土疲劳开裂性能的研究方法基本上可以分为两类。一类为现象学法，即传 统的疲劳理论方法，它采用疲劳曲线表征材料的疲劳寿命。其中以美国加利福尼亚大学伯克利分校的 c l m o n i s m i t h 教授和英国诺丁汉大学p s p e l l 教授的论著最为出名；另一类方法是力学近似方法，即 应用断裂力学方法分析疲劳裂缝扩展规律以确定材料疲劳寿命的一种方法。1 9 8 0 年，m o n i s m i t h 2 3 - 2 4 l 等 人又用热弹性力学，对交通荷载与温度荷载作用下的开裂基层与加铺层中的应力分布特征进行了研究， 并就橡胶沥青夹层对于裂缝尖端附近应力几种的消散作用进行了分析。结果表明，软弱夹层能有效降低 裂缝顶端的应力集中，延缓反射裂缝的扩展。1 9 8 2 年，s e e d s 等人将降温过程中旧水泥混凝土路面缝边 的张开位移作为主要特征参数，通过力学分析提出了一种计算温度收缩引起的加铺层中的应力响应，并 开发了相关的计算机程序，可以进行加铺层设计及温缩型反射裂缝疲劳寿命的预估口”。 关于沥青混合料和沥青路面疲劳断裂破坏过程的描述，有的学者采用应力或应变或者荷载等力学参 量，用它们与循环次数的回归关系作为响应的疲劳方程。但是由于公式简单易用，在实际使用中道路工 作者们还是倾向于采用基于应力强度因子的经验性总结的p a r i s 公式来描述沥青路面疲劳裂缝扩展情 况，并以此计算疲劳裂缝扩展寿命。同时，为了研究沥青混合料及沥青路面的疲劳断裂规律，道路工作 者们采用了不同的试验方法( 如，直接拉伸试验、间接拉伸试验、四点完拉试验、三点弯拉试验和半圆 试件弯拉试验等) 测试沥青混合料疲劳断裂性能，并进行了不同的模拟交通荷载、温度荷载或二者共同 作用的沥青路面模型的疲劳断裂试验。随着试验研究工作的积累，人们发现在交通荷载和温度荷载的作 用下，沥青路面结构内裂缝扩展的形式复杂，一般为复合型裂缝，用p a d s 公式这种基于张开型裂缝疲 劳试验获得的规律性认识模型与实际情况存在偏差，主要体现在模型中描述疲劳裂缝扩展虑的公式中所 包含的项数及其相关模型参数上。 一般情况下，裂纹萌生寿命m 和裂纹扩展寿命n p 之和构成了材料或者构件的总寿命n j 。2 ”。 n f = l + 口 ( 1 2 ) 精确估算n ，和n p 是精确估算n ，的前提。郑修麟p 4 - 1 5 1 等研究认为要精确估算n ，要有好的表达 式。同理，要精确估算n p ，也要有好的疲劳裂纹扩展速率表达式。因为n 。的估算是通过对疲劳裂纹 扩展速率表达式进行积分完成的，即： 6 第一章绪论 n p = j ( 面d a 面) ( 1 3 ) 式中d a d n 为疲劳裂纹扩展速率，单位为m c y c l e ，( d a c 打v ) 代表疲劳裂纹扩展速率表达式。 g u d d a t i 等提出了基于格构模型的微观力学方法来描述沥青混凝土的裂纹性能瞄j 。c a s t e l l 等应用二 维断裂力学有限元f r a n c 2 d l 分析了小梁试件和实际路面结构中疲劳裂缝产生和扩展的差异。m y e r s 等选用有限元模型和断裂力学组合来对带有一个表面裂纹的路面进行物理描述和分析，计算出了裂缝增 长的方向且表明随着裂缝长度的增加其扩展方向会发生改变口”。 1 2 1 2 桥面铺装层裂缝及疲劳扩展 钢桥面铺装的研究始于二十世纪四十年代的德国，早期的钢桥面铺装研究主要着眼于提高钢桥面铺 装材料的抗变形能力以及铺装层的防水特性p ”1 i 。最早对钢桥面铺装层材料的疲劳性能进行的探索研究 是美国人m e t c a l f 在1 9 6 7 年进行的”。“j 。他利用自制的复合梁对普通沥青混凝土和环氧沥青混凝土材 料进行了弯曲疲劳试验，结论认为环氧沥青混凝土在抗疲劳性能方面大大优于普通沥青混凝土田i 。之 后，f o n d f i e s t 对不同厚度的钢板上的几种铺装材料的疲劳性能进行了试验，并用疲劳循环5 0 0 万次时复 合粱不出现破坏的跨挠比大小来衡量材料抗疲劳性能的优劣。试验结果表明# 当温度大于4 8 时，热 塑性和热固性材料因具有足够的柔性而不会产生疲劳破坏；即使环氧沥青混凝土铺装层厚度只有普通沥 青混凝土厚度的0 7 5 倍，其抗疲劳性能仍然远远优于普通沥青混凝土。德国斯图加特大学奥托格拉夫 学院对3 种不同铺面材料进行过疲劳试验研究。试验温度为2 0 ，试验荷载为3 5 k n 2 4 k n ，试验加 载频率为1 8 3 h z ，试验结果表明当加载次数达到1 0 0 万次时环氧沥青混凝土铺装层材料上仍然没有观 察到裂缝，只有复合梁的挠度值发生了一定的变化：在动态加载条件下，当加载次数达到百万次时，复 合梁的挠度增大了近2 5 p 3 - n 。姬野贤治等发现钢桥面铺装层中的纵向疲劳裂缝不仅出现在u 形肋的 顶部，而且肋与肋之间的压应力区也容易出现纵向疲劳裂缝。通过理论计算，他利用能量耗散理论对这 一现象进行了解释1 3 ”。 1 2 1 3 裂缝监测方法 裂缝监测最早起源于混凝土结构，目前混凝土结构的裂缝监测领域的研究已经十分成熟。传统的无 破损裂缝监测方法包括：全息干涉法，散斑干涉法，核辐射检测法，超声检测法，声发射法，红外热像 法等。但是全息法和散斑法只能检测到结构表面的损伤，并且监测区域小；核辐射检测法要求较强的辐 射源，并处于