（道路与铁道工程专业论文）基于BOTDA的钢桥面铺装层裂缝疲劳扩展模型研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 一个设计良好的钢桥面铺装层应具有足够的强度，良好的整体性及长时间的免维护状态。在我 国现有的钢桥面铺装结构中，许多都出现了较为严重的裂缝病害。铺装层的裂缝是限制其服务寿命 的关键因素，裂缝的出现还会诱发更多其它类型的病害产生，最终导致铺装层发生结构性破坏，造 成严重的社会经济损失。因此，对钢桥面铺装层在行车荷载下的裂缝行为进行研究，了解铺装层裂 缝的扩展规律是非常必要和关键的。 本研究作为国家自然科学基金“基于分布式光纤传感器的钢桥面铺装裂缝扩展模型研究”( 基金 编号：5 0 6 5 8 0 0 1 ) 项目的一部分，主要是通过室内复合梁试验研究环氧沥青钢桥面铺装层的断裂性 能和疲劳扩展规律。 论文先从理论基础入手，介绍了断裂力学相关理论及b o t d a 分布式光纤、f b g 光栅传感技术。 在现有的研究基础上，首先对铺装层混凝土的断裂性能进行了研究。研究通过室内切口复合梁三 点弯曲断裂试验，采用b o t d a 光纤技术及光栅监测技术对复合粱断裂扩展过程进行监测，分析监 测结果，发现复合梁中混凝土的断裂过程中存在明显的启裂点和失稳点，由此得出了环氧沥青铺装 层裂缝断裂的光纤监测判据。在此基础上，对得到的光纤监测判据及监测过程中光纤粘结滑移影响 进行了分析。 在研究了钢桥面铺装层断裂性能的基础上，本文对铺装层裂缝在行车荷载下的疲劳扩展规律进 行了研究。研究通过室内切口复合梁三点弯曲疲劳试验，采用b o t d a 光纤技术及光栅监测技术对 复合粱裂缝疲劳扩展过程进行监测，分析监测结果，得出了环氧沥青铺装层裂缝的疲劳扩展规律。 同时，通过疲劳裂缝行为的监测分析，给出了b o t d a 光纤监测铺装层裂缝病害的指标。并对复合 粱的疲劳加载试验中影响监测结果的两个因素进行了分析。 本文得到的研究成果能反映环氧沥青钢桥面铺装层在使用过程中的裂缝行为规律，为铺装层疲劳 设计提供理论依据；同时对铺装层的病害进行有效的预警及提供最佳的养护时机，延长其使用寿命， 大幅降低后期养护维修的费用，对大跨径桥梁桥面铺装裂缝的后期养护管理系统的建立也有着重要 的意义。 关键词：钢桥面铺装环氧沥青混凝土 b o t d af b g 断裂判据疲劳扩展模型 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t aw e l ld e s i g n e dp a v e m e n to nt h es t e e lo x 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 ha n di n t e g r i t y , a n d h a v el o n gt i m em a i n t e n a n o c - f r e es t a t u s i nc h i n a ，m a n ys t e e ld e c kp 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 gs e r v i c e a n ds 伽eo f t h e m v e nh a v e b e e nr e b u i l t t h eo e 脚l r r o n c ea n dd e v e l o p m e n to f c r a c k i nt h ep a v e m e n ti st h ek e yf a c t o rt or e s t r i c ti t ss e r v i c el i f e g m d u a u yt h e s ec r a c k sw i l lb ee v o l v e do t h e r d i s t r e s s e so v e rm o r ew i d e l ya mo f t h ep a v e m e n t , a n df m a l t yr e s u l t e di np a v e m e n ts t r u c t u r a ld e s t r u c t i o n , c a u s e dh u g ee c o n o m i c a la n ds o c i a ll o s s s o i ti s v e r yn e c e s s a r ye n di m p o r t a n tt ok n o wt h ec r a c k p r o p a g a t i o nl a wi np a v e m e n t0 1 1t h es t e e lo r t h o t r o p i cd e c kb ys t u d y i n gp a v e m e n tc r a c kb e h a v i o ru n d e r v e h i c l el o a d t h ep a p e ri sp a r to ft h ep r o j e c t r e s e a r c h0 1 1t h ec r a c ko fp a v e m e n to ns t e e lo r t h o t r o p i cd e c k p r o p a g a t i o nm o d e lb a s e do nd i s t r i b u t i o no p t i c a l - f i b e rs e n s o r ”( n o 5 0 6 5 8 0 0 1 ) a i d e db yn s f c ( n a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ) a n dt h em a i np u r p o s eo ft h ed i s s e r t a t i o ni sd o i n gr e s e a r c ho n f r a c t u r ea n d f a t i g u e p r o p a g a t i o n p r o p e r t i e s o f s t e e l d e c k p a v e m e n t o f e p o x y a s p h a l t t h er e s e a r c ht h e o f i e si sp r e s e n t e di n e l u d i n gt h ef l - a c t l t r em e c h a n i c sf o u n d a t i o nt h e o r i e sa n dt h et h e o r i e s o nb o t d a ( b r i l l o u i no p 6 c a lt i m e - d o m a i na n a l y s i s ) t e c h n o l o g ya n df b g ( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) s e n s i n g t e c h n o l o g y o nt h eb a s i so fp r e s e n tr e s o a r e h , t h ef r a c t u r ep e r f o r m a n c eo fe p o x ya s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n tw a s s t u d i e df i r s t l y t h r o u g ht h ei n d o o ri n c i s i o nc o m p o s i t eb e a mt h r e e - p o i n tb e n d i n g 丘a c 咄t e s t t h ec e m p o s i t a b e a m sf r a c t u r e e x p a n s i o np r o c e s sw a sm o n i t o r e db yu s i n gb o t d at e c h n o l o g ya n dg r a t i n gm o n i t o r i n g t e c h n o l o g y , a n dt h et e s td a t aw a sa n a l y s e d i tw a sf o u n dt h ef r a c t u r e - e x p a n s i o no f c e m p o s i t eb e a mc o n c r e t e h a dv i s i b l ec r a c ki n i t i a t i o np o i n ta n di n s t a b l ep o i n t a n do p t i c a lf i b e rm o n i t o r i n gc r i t e r i o no f e p o x ya s p h a l t p a v e m e n tc r a c k sf r a c t u r ew a sr e a c h e d , t h e nt h eo p t i c a lf i b e rm o n i t o r i n gd a t aa n dt h eo p t i c a lf i b e rs l i p i m p a c td u r i n gt h em o n i t o r i n gp r o c e s sw e r ea n a l y s e d o nt h eb a s i so fr e s e a r c h0 1 1s t e e lb r i d g ep a v e m e n tc r a c k s 矗甚c t i l t o u g h n e s s t h ef a t i g u ee x p a n s i o n b e h a v i o ro fp a v e m e n ta k su n d e rt r a f f i cl o a d sw a sr e s e a r c h e d t h r o u g ht h eu s eo fb o t d as e n s i n g t e c h n o l o g ya n dg r a t i n gm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , t h ei n d o o ri n c i s i o nc o m p o s i t eb e a mt h r e e - p o i n tb e n d i n g c r a c k sf a t i g u et e s tw a sm o n i t o r e d n t e s td a t aw a sa n a l y s e d , t h e nt h ef a t i g u ee x p a n s i o nm o d e lo fe p o x y a s p h a l tp a v e m e n tc r a c k sw a sr e a c h e d t h r o u g ht h em o n i t o r i n ga n da n a l y s i so nf a t i g u ec r a c k sb e h a v i o r , t h e m o n i t o r i n gi n d e x e so f p a v e m e n tc r a c k su n d e rb o t d ao p t i c a lf i b e rm o n i t o r i n gw a ss u g g e s t e d a n dt h et w o f a c t o r si n f l u e n c i n gt h em o n i t o r i n gr e s u l t sd u r i n gt h ec o m p o s i t eb e a mf a t i g u et e s tw a sa n a l y s e d t h er e s e a r c hr e s u l t sc a nr e v e a lc r a c kb e h a v i o rr u l e so f p a v e m e n ts t e e l - d e c ko f e p o x ya s p h a l tc o n c r e t e p r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rs t e e l - l e c kp a v e m e n tf a t i g u ed e s i g n 皿”r e s u l t sa l s oc mp r o v i d ee a r l y w a r n i n ga n do p t i m a ln 均d n t c n a n c et i m ef o rc r a c kd i s t r e s so fs t e e l d c c kp a v e m e n tt oe x t e n ds e r v i c el i f ea n d l o wi n t e rm a i n t e n a n c ec o s t m e a n w h i l e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oe s t a b l i s hl a t e rm a i n t e n a n c es y s t e mf o rc r a c k d i s t r e s so f l o u g - s p a ns t e e ld e c kp a v e m e n t k e y w o r d ：s t e e l d e c kp a v e m e n t ，e p o x ya s p h a l tc o n c r e t e ，b o t d a ，f b g 丘t u c r i t e r i o n , f a t i g u e p r o p a g a t i o nm o d e i 东南大学硕士学位论文 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做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名：磊这日期：盟：丝 关于学位论文使用授权的说明 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。 签名：魂蓝立 导师签名：熏生日期：型：2 丝 村 i v 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近十几年，大跨径桥梁的建设在我国迅猛发展，国内大跨经桥梁大多采用正交异性钢箱梁结构 形式，桥面采用沥青混凝土铺装。铺装层一般由防锈层、粘结层、沥青混合料构成，直接铺筑于钢 箱粱正交异性桥面板上。由于大跨径钢桥桥面铺装的结构特性，在行车荷载、风载、温度变化等外 界因素的综合作用下，铺装结构的应力和形变较公路路面或机场道面更为复杂。虽然在钢桥面铺装 层设计时对铺装层的材料强度、抗疲劳性能、抗车辙及变形协调性等均做了较高的要求，但铺装层 结构比之沥青混凝土路面仍更容易出现病害。对国内外1 2 桥梁桥面铺装层的破坏失效情况调查发 现，国内外钢桥面现有各种沥青铺装形式都存在不同程度的病害，如疲劳开裂、高温车辙、粘结层 脱层等，其中尤以裂缝类病害为甚，1 2 座中有1 0 座存在不同程度的铺装开裂问题【l 】。 国内钢虎门大桥采用单层改性s m a 铺装结构，在通车仅三个月就发生了严重的车辙和纵向裂缝 病害，进行了大修“1 ；江阴长江大桥采用沥青玛蹄脂铺装，通车三年半铺装层结构发生性破坏，进 行了大修i j l ；厦门海沧大桥采用s m a 铺装结构，通车两年铺装层出现大面积裂缝类病害【4 】。只有环 氧沥青钢桥面铺装较为成功，南京二桥环氧铺装体系，使用至今已经7 年，铺装层基本完好，工作 状态良好，但在使用过程中仍也出现了一些裂缝病害p 】。 国外情况也类似：德国调查研究发现，钢桥面铺装层表面出现的纵向裂缝、车辙是钢桥面铺装 的主要破坏形式：日本k e n j ih i m e n o 等学者对东京5 0 多座大跨径钢桥进行调查发现，铺装层表 面的纵向裂缝、车辙是其主要破坏类型，且纵向裂缝远较车辙破坏严重的多。 钢桥面铺装层裂缝会导致其它如坑槽、脱层、松散等病害的出现嘲：由于裂缝的出现以及扩展， 铺装层结构的使用性能逐渐退化，雨水渗入钢板，使得钢板发生锈蚀，加剧其它病害出现及扩散的 速度。且一旦雨水进入铺装层内部，将减弱到铺装层与钢板表面的粘结性能，铺装层的受力特性完 全发生改变。铺装层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。 大跨径钢桥桥面铺装受力条件及工作环境远较普通路面复杂，在铺装层设计时，虽然已提出相 关的措施进行解决。然而从实际使用情况来看，大多数铺装层开裂都发生在通车2 年之后，其累计 作用轴次远小于设计值。这是和钢桥面沥青铺装层设计期望不相符合的。 一个设计良好的桥面铺装系统应具有高的耐久性、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口j 。而要使铺装层具有长时间的免维护状态，铺装层材料和结构应有长的疲 劳寿命。在行车荷载作用下，铺装层中的裂缝的发生及发展是制约其疲劳寿命的关键因素。铺装层 的疲劳设计作为一个完善的铺装层设计方法中至关重要的一部分。这就需要弄清楚钢桥面铺装层中 的裂缝在车辆荷载重复作用下，是怎样扩展的问题，即对钢桥面铺装层的裂缝疲劳扩展进行研究。 目前对钢桥面铺装技术的研究主要参照普通沥青路面试验方法对铺装材料的性能研究，即在线 弹性假定下的钢桥面铺装体系的有限元静力学分析，及铺装裂缝扩展的有限元分析，而对钢桥面铺 装裂缝疲劳裂缝扩展规律尚待进一步深入具体的研究。因此，对钢桥面铺装层疲劳扩展行为进行试 验研究，了解重复荷载作用下沥青铺装层的裂缝扩展规律，为铺装层的疲劳设计提供理论依据，有 其十分必要的必要性。 对钢桥面沥青铺装层疲劳断裂规律的研究，主要是采用室内梁式试件的弯拉试验来模拟行车荷 载的重复作用来进行。根据已有的研究可知，相关试验包括有：四点弯拉试验( 4 p b ) 、三点弯拉试 验( 3 p b ) 和半圆试件弯拉试验( s c b ) 等【7 ，l0 “j 。在弯拉试验中，通常在梁式沥青混凝土试件上 预制裂缝的。加纯弯曲或纯剪切的重复荷载，通过各种不同的监测方式，对试件在荷载下的疲劳扩 东南大学硕士学位论文 展的过程进行研究，从而得到裂缝的扩展长度与荷载循环次数的关系曲线，确立裂缝疲劳扩展模型。 目前对裂缝扩展的过程进行监测的方式也有多种，传统的在试件上贴电阻应变片方式，还有采用光 弹性贴片法等“。 本文采用一种新的监测方式，分布式光纤传感技术监测试件的裂缝疲劳扩展过程。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【1 t ”1 t ”。应用分布式光纤传感器对桥面铺装裂缝进行监测具有以下几个优点： ( 1 ) 高的灵敏度使之有可能监测出肉眼看不见的微小裂缝；高的抗干扰抗腐蚀耐疲劳能力可以 经受桥面上大交通量的考验； ( 2 ) 体积小可以方便埋设，并且不会对铺装层产生不利影响； ( 3 ) 分布式的特点能够减少光纤布设的工作量，便于测试； ( 4 ) 最大的优势在于它可以和互联网一起构成智能监控网络，不但可以及时方便诊断问题，还 可以减少人力，免去监测人员直接到桥面上进行监测读数等影响桥面交通。 分布式光纤监测技术能够对沥青路面的裂缝进行有效的监测，因此，本文采用分布式光纤监测 技术中相对先进的，发展迅速的b o t d a 技术对铜桥面沥青铺装层中裂缝的扩展行为进行研究。 1 2 国内外裂缝扩展研究的概况 1 2 1 国外裂缝扩展的研究现状 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 开始注意重复荷载作用造成的路面破坏现象8 】。此后，沥青混凝土疲劳裂缝扩展行为被广泛研究。 综合目前国外已有的研究成果，沥青混凝土疲劳裂缝扩展性能的研究方法基本上可以分为三类。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性能。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；一类方 法是力学近似方法，即应用断裂力学和损伤力学方法分析疲劳裂缝扩展规律来研究材料疲劳性能的 一种方法。另一类是耗散能量法。而目前主要采用力学近似法进行研究。 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。最早的疲劳裂缝扩展速率表达式是在上世纪4 0 年代末给出的【1 9 】： j a a ：彳口m a n( 1 1 ) 删 式中：p - 夕h 应力5 罐缝长度； l _ 岢载作用次数5 a 、m 、* 试验确定的常数。 5 0 年代后，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在微观和宏观两个 方面取得了迅猛发展。在微观研究中，通过对疲劳条带的观察，得出疲劳断裂扩展信息，这为研究 疲劳裂缝扩展的力学模型和疲劳裂缝扩展速率表达式，提供了物理根据【l q 。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【l ”，它主要用来描述连续裂纹的增长规律： 矗。 兰= 4 ( a ” ( 1 - 2 ) 捌 、 式中：珏一应力强度因子增量。其它与式( i - 1 ) 一致。p a d s 最有创造性的工作是把应力强度因 子增量置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k 。 2 第一章绪论 为描述沥青混合料等粘弹性材料的裂纹增长过程，s c h a p e r y 9 , 1 0 菇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，其粘弹性断裂理论 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。 从7 0 年代提出的概念并实验测定了4 ，此后提出达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，并试验测定了蜀。但是由于p a r i s 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。 1 2 1 2 钢桥面铺装层裂缝及疲劳扩展 对钢桥面铺装的研究，早期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。研究钢桥面铺装层疲劳特性的方式包括沥青混合料的劈裂疲劳试验或小梁弯曲疲劳试验、野外 试验桥、直道或环道加速加载试验、复合梁疲劳扩展试验等多种。 早期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。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。 c u l l i r a o r ee ta 1 、k o l s t e i n 与d 自k i n l 【等对比分析了复合梁铺装表面应变与实桥铺装层表面应变 之间的差异，从而确定复合梁疲劳试验荷载的大小，并对比了多种铺装方案的疲劳寿命。 f o n d r 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 时复合梁不出现破坏的跨挠比大小来衡量材料抗疲劳性能的优劣口”。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o 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口“。试验温度为 2 0 ，试验荷载为3 5 k n 2 4 1 d q ，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 。 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口“。 1 2 2 国内裂缝疲劳扩展研究现状 1 2 2 1 沥青路面裂缝及疲劳扩展 国内对沥青路面的疲劳裂缝的研究主要集中在反射裂缝和温缩裂缝以及相关的沥青混合料力学 性能。而材料科学等领域内对疲劳断裂以及裂缝扩展准则的研究则进行的比较深入。 钱济成等田1 对混凝土在高速荷载下裂缝的扩展及其断裂性能进行了试验研究，发现裂缝扩展的 最大速度以及加速度随加载速率的增加而增加；动断裂韧度随裂缝扩展速率增加而增加；对应于峰 值荷载的裂缝扩展量也随加载速率的增加而增加。 郑健龙等陋j 通过裂缝粱的纯弯曲试验，研究了沥青混合料的延迟开裂性能，测得在一定加载速 度，不同试验温度状况下得裂缝扩展规律。结果表明，沥青混合料具有粘弹性流体性态；裂缝在沥 青混合料中得扩展表现出明显的粘弹塑性断裂特性。 赵志方等口“结合混凝土三点弯曲切口梁试验，对准脆性材料裂缝扩展过程中粘聚力与裂缝扩展 阻力之间得关系曲线裂缝扩展阻力曲线c k r 阻力曲线) 进行了研究，并就混凝土断裂过程软化 区的软化本构关系、试件尺寸、材料强度等等对j ，r 阻力曲线的影响进行了研究。 孙雅珍等【2 ”利用粘弹性与损伤的分析理论，对含表面裂缝沥青路面进行了有限元分析，计算了 损伤区半径和裂缝长度的改变量随温度和加载时间的变化，得到不同加载时间和不同变温的损伤区 3 东南大学硕士学位论文 和断裂区的分布情况，模拟了损伤区的演化和裂缝的扩展过程。 1 2 2 2 钢桥面铺装层裂缝及疲劳扩展 国内专门针对桥面铺装层进行的裂缝疲劳扩展方面的研究主要集中在铺装层的疲劳特性及疲劳 寿命方面。 邵腊庚等【8 捌利用直线式加速加载试验系统，对1 2 种沥青，铺装方案进行了大型直道足尺试验。 研究可正交异性钢桥面板的受力特点和动荷载作用下的响应特性，分析了导致钢桥面沥青铺装层产 生疲劳破坏的原因。 张起森等 7 1 结合厦门海沧大桥进行了多次沥青混凝土典型铺装的直道疲劳试验。在气候环境、 加载状况、荷载作用次数相同情况下，从材料组成、结构组合等方面对铺装层的疲劳特性进行了分 析评价。 沈桂平等瞄】钡9 试了四点支承的复合粱试件的疲劳寿命，他们通过实测钢桥面板的荷载应力谱推 算并制定复合梁疲劳应力幅，完成了两根复合梁试件的疲劳加载测试。研究中发现，随着加载次数 的增加，沥青表面应变逐渐减小，而钢板应变则逐渐增大，因此该文推断随着疲劳加载次数增多， 铺装层逐渐退出工作。 在厦门海沧大桥与宜昌长江大桥建设期间，长沙交通学院与重庆交通科学研究院印1 曾采用钢桥 面直道模型对多种s m a 方案进行了疲劳加载试验，得出各方案的疲劳加载次数，然后根据室内混 合料的弯曲小粱疲劳试验推导出钢桥面铺装层的疲劳寿命方程。 在南京长江第二大桥【3 】润扬大桥口4 等大桥钢桥面铺装研究期间，东南大学桥面铺装研究人员 先后完成了对双层环氧沥青混凝土、“浇注式沥青混凝土( 下层) 、环氧沥青混凝土( 上层) ”等多种 铺装复合粱的疲劳加载测试。结果显示，双层环氧沥青混凝土与“浇注式沥青混凝土( 下层) 、环氧 沥青混凝土( i - 层) ”的疲劳寿命与抗变形能力均优于其他铺装结构，适合于大跨径钢箱梁桥特别是 悬索桥的铺装。 刘振清【2 9 1 分别采用唯象学方法、能量法，在不考虑层间粘结状况以及钢板损伤的基础上，采用 抗弯刚度等效的方式将层状复合结构转化为等价铺装层矩形梁，得出等价矩形梁的寿命模型。他认 为损伤一断裂力学方法用于预测实际钢桥面沥青混合料铺装体系的疲劳寿命更为合理。 敬淼淼p 研在钢桥面铺装层局部模型加入裂纹奇异单元，建立了基于线弹性断裂理论的有限元模 型，分析结果表明，沥青铺装层中纵向裂纹的发展易引起横向次生裂缝的产生，而横向次生裂纹则 恶化了桥面铺装的受力状态，加速了纵向裂纹的扩展趋势。 陈先华口”对环氧沥青钢桥面铺装层进行室内复合梁试验研究，通过复合梁的疲劳试验，研究了 动挠度、动模量、能耗等疲劳特性参数的变化规律及疲劳寿命的分布，建立复合梁铺装层的疲劳失 效标准和疲劳方程。 陈团结田1 采用有限元分析软件a d i n a 对环氧沥青混凝土桥面铺装层疲劳裂缝扩展行为进行了研 究分析，得到铺装层裂缝的疲劳扩展模型。 国内对钢桥面铺装的疲劳性能及寿命已做大量的研究，而对于钢桥面铺装层在荷载等综合作用 下，铺装层的裂缝扩展行为规律，即在裂缝的启裂、扩展、失稳过程中，铺装层的应力应变场的变 化情况，以及铺装层裂缝扩展模型等内容，需要开展相应的试验进行深入研究，进而提供铺装层裂 缝监测标标准，疲劳设计和养护的理论依据。 1 2 3 分布式光纤技术监测构件裂缝的研究现状 光纤传感技术的早期研究主要集中在混凝结构的健康监测方面。1 9 8 9 年美国b r o w nu n i v e r s i t y 的 m e n d e z 等”“首先提出了把光纤传感器埋入钢筋混凝土结构中，并提出了实际应用中的一些基本设 想。后来日木、美国、德国、英国和瑞士等国的科学家将该技术应用到桩、柱、地基、桥梁、大坝、 隧道、大楼、地震和山体滑坡等复杂系统的测量或监测，从而开辟了光纤传感器用于大型工程结构 4 第一章绪论 健康监测的新领域 3 4 3 5 , 3 q 。 新泽西理工学院a n s a r i 等p 1 使用环形光纤测量了混凝土梁试件裂缝的宽度，其基本思想是认为 环形光纤传输的光是裂缝增长引起的光波的函数。然而这项研究的一个主要缺点是必须事先预知裂 缝的扩展方向。 卡尔加里的b e d d i n gt r a i l 大桥口”最早使用光纤光栅传感器进行桥梁健康监测的桥梁之一，其监 测采用了1 6 根光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和碳纤复合材料筋上对桥梁结构进 行长期监测。 美国海军实验室d a v i s 等p q 将布拉格光纤光栅传感器埋入预应力混凝土梁中，对洲际桥梁的动应 变监测进行了研究。 h i r o s h i g eo h n o 等对于b 唧分布式光纤传感技术的研究较早，并且开发出了相应的监测设 备a q 8 6 0 3 ，主要是应用在隧道等大型简单结构当中。 光纤传感器研究在国内上世纪9 0 年代开始迅速发展起来，不少高校和科研单位均对光纤传感器 研究产生了浓厚兴趣，如清华大学、南京大学等。在结构监测方面，国内主要是将光纤传感器应用 于大体积的混凝土结构，在路面裂缝监测上仅有探索性的工作，对智能监控网络的建立也有一些相 关的研究成果。 信思金等【4 ”将分布式光纤传感器用于三点弯曲粱试验研究，结果表明，光纤传感器实现了结构 变形和混凝土开裂对光纤的微弯调制，并且在大变形情况下未断裂，能够适应恶劣环境。这类光纤 传感技术，只能反映结构的状态变化，不能准确地描述出结构变形情况，且都没有提到空间分辨率 等至关重要的问题；应用于大型空间结构需要进一步的研究。 刘浩吾等m j 基于裂缝传感的光学和力学原理，通过试验确定了光损耗与裂缝宽的半经验关系， 指出斜交光纤裂缝传感器具有裂缝连续分布式检测和定位功能。 蔡德所朋1 把分布式光纤传感器应用到四川沙牌碾压式拱坝的随机裂缝研究中，结果发现光纤传 感器能够准确预报初裂荷载和初裂位置。这类基于光时域反射计的裂缝检测技术，目前主要应用大 型坝体裂缝的监测，其能否应用钢桥面铺装的裂缝监测还需要进一步的分析。 吴智深率先引进了b o ) r 分布式光纤传感技术，并对它的检出特性进行了深入的研究。 高俊启等 4 5 1 在连续配筋水泥混凝土路面( c r c p ) 中安装了b o t d r ，监测c r c p 路面的应变和裂 缝。 关永胜 , t o l 将光纤埋设在沥青混凝土路面内，采用b o t d a 测试路面在行车荷载下的残余变形和裂 缝，研究表明，b o t d a 分布式光纤技术在路面裂缝监测中有很高的精度。 陆飞【4 7 1 将f b g 光栅和光纤埋设在新建高速公路及水泥混凝土改造沥青混凝土路面中，测试在车 辆荷载下路面结构内的应变。 陈团结田提出采用分布式光纤传感器监测钢桥面铺装层的裂缝病害，并提出光纤在实际钢桥面 铺装层结构中的布设方式。 光纤传感器已经在国内外很多工程中取得了比较成功的应用。已有的研究表明，分布式光纤传 感器能有效的应用在钢桥面铺装层的健康监测，因此，本文将采用b o t d a 分布式光纤传感技术对钢 桥面沥青铺装层中裂缝的扩展行为进行研究。 将b o t d a 光纤传感技术运用到铺装层裂缝监测中，对铺装裂缝的发生和扩展过程进行跟踪观 测，得到沿光纤分布的路径上的时间和空间分布信息。研究钢桥面铺装层在荷载等综合作用下，铺 装层的裂缝扩展行为规律，包括在裂缝的启裂、扩展、失稳过程中，铺装层的应力应变场的变化情 况，从而得到铺装层裂缝扩展模型，了解铺装结构在使用过程中的病害情况及其发展趋势，进而对铺 装层疲劳设计等提供理论依据。 采用b o t d a 技术研究铺装层裂缝疲劳扩展模型，同时也能为铺装层裂缝养护提供现实依据。 对钢桥面铺装层养护来说，如何对沥青铺装层进行有效的监测，获取裂缝病害情况，使养护单位能 5 东南大学硕士学位论文 够及时采取措施防止病害的进一步恶化，从而到控制裂缝的目的，是长期以来困扰养护工作者的难 题。传统的路面养护决策方法采用粗糙的测量工具或者肉眼观察等方法对病害进行主观判断，并由 此计算p s i 。这种方法显然并不适合于钢桥面铺装，因为钢桥面铺装在裂缝发生以后，其发展是很 快的，采用传统路面养护决策方案往往会错过预防性养护的最佳时机1 1 7 j 。 由于大跨径钢桥铺装层的病害，未能及时养护，造成了严重的经济损失和社会负面效应的例子 也较多。以江阴大桥为例1 3 】：至2 0 0 3 年3 月，铺装层共经历大小维修养护1 2 次，维修面积近3 0 0 0 m 2 ； 2 0 0 3 年4 月，大桥铺装层全面维修，工程费用约3 0 0 0 万元，此期间因交通管制造成的经济损失近 5 0 0 0 万元；2 0 0 4 年，桥面局部加铺环氧沥青费用1 0 0 0 万元。大桥从1 9 9 9 年投入使用至今，维修费 用超过1 亿元人民币。其他桥梁如海沧大桥，虎门大桥等都存在类似的问题。 将b o t d a 分布式光纤监测技术应用到铺装层裂缝病害的监测研究中，得到光纤监测铺装层裂 缝病害监测的控制指标，从而对铺装层的病害进行有效的预警，提供最佳的养护和维修时机，改善 其使用性能、延长使用寿命、减少其他类型病害产生，大幅降低后期养护维修的费用，对大跨径桥 梁桥面铺装裂缝的预警及后期养护管理系统的建立也有着重要的意义。 1 3 研究内容 本文作为国家自然科学基金项目“基于分布式光线传感器的钢桥面铺装裂缝扩展模型研究”的 一部分，着重对钢桥面铺装裂缝扩展规律进行研究，研究采用b o t d a 光纤传感技术对行车荷载作 用下铺装层的裂缝疲劳扩展行为进行监测，得到其发生扩展的变化规律。同时对分布式光纤在钢桥 面铺装层裂缝病害监测应变的相关内容进行研究。论文主要研究内容包括以下几个部分； 1 3 1 基于b o t d a 的环氧沥青钢桥面铺装层断裂性能研究 影响钢桥面铺装层裂缝疲劳扩展行为的内在因素包括铺装层结构中钢板和环氧沥青混凝土的弹 性模量e 、裂缝扩展门槛值和断裂韧性k c ，而其他如温度、频率、应力比、试件尺寸等外在因 素对裂缝疲劳扩展速率进行影响，需要通过其变化引起三个内在要素的变化而产生。而弹性模量e 对裂纹扩展作用则主要体现在对和k 1 c 的影响上【4 s 】，而疲劳裂纹扩展速率曲线存在上、下界， 分别为k c ( 平面应变条件下为k i c ) 和 矗。因此，对环氧沥青钢桥面铺装层裂缝的疲劳性能的研 究，其中一个非常重要的问题便是环氧沥青铺装层的断裂性能研究。 已有的铺装层沥青混凝土的断裂性能的研究，主要是针对铺装层材料一环氧沥青混凝土断裂准 则的研究。但钢桥面铺装结构的断裂性能，不仅与铺装层沥青混合料的性能直接相关，还同正交 异性钢桥铺装的结构特性密切相关。因此，研究钢桥面铺装层的断裂特性应采用包含钢板与铺装层 的复合结构，将其当成一个整体来进行研究。本文对环氧沥青铜桥面铺装层的断裂特性研究将以 b o t d a 分布式光纤传感技术为手段，通过选取合理的试验方法和试验参数，进行室内切口复合粱 的断裂扩展试验，b o t d a 监测铺装裂纹扩展过程，分析得到基于b o t d a 的环氧沥青混凝土复合梁 l 型裂纹断裂性能及判据。 1 3 2 基于b o t d a 环氧沥青钢桥面铺装层裂缝疲劳扩展模型研究 钢桥面铺装层的裂缝出现在铺装层表面，然后在荷载下逐渐扩展，进行裂缝疲劳试验研究时， 其原则为应尽可能地模拟实际结构在重复荷载作用下的受力状态，从而确定结构疲劳特性口o j 。基于 b o t d a 技术研究钢桥面铺装裂缝扩展规律是在裂缝扩展的宏观方面采用力学方法分析，研究得到 裂缝扩展过程的描述。在对环氧沥青铺装层混凝土裂缝的断裂扩展性能研究基础上，对铺装层裂缝 的疲劳扩展规律进行研究。即采用b o t d a 光纤技术和光栅监测在行车荷载下铺装层混凝土裂缝的 产生及裂缝出现后的扩展过程，研究基于光纤监测的铺装层混凝土裂缝疲劳扩展规律。 对环氧沥青钢桥面铺装层混凝土裂缝疲劳扩展规律的研究，主要是采用室内切口复合梁三点弯 6 第一章绪论 疲劳试验，模拟行车荷载的重复作用来进行。b o t d a 监测复合梁裂缝扩展过程，分析试验结果，从 而得出适用于环氧沥青钢桥面铺装层裂缝疲劳扩展的模型。 同时，根据b o t d a 光纤监测复合粱疲劳扩展分析，得出裂缝疲劳扩展的各阶段应变值，结合以 后的研究成果，给出b o t d a 光纤监测钢桥面铺装层裂缝病害的控制指标。 1 3 3 模型参数的影响因素分析 b 0 1 1 ) a 对钢桥面铺装裂缝扩展监测是监测埋设在铺装层中光纤应变的变化。对b o ) a 监测结 果会产生影响的因素，必然会影响模型对裂缝扩展真实状态的反映。因此，这部分内容将分析在试 验中遇到的影响光纤监测结果的各种因素，如光纤在大应变场下的粘结滑移、b o t d a 静态监测的 影响等。 1 4 本文研究的主要技术路线 ( 1 ) 环氧沥青混凝土铺装层断裂性能研究 对钢桥面铺装层断裂性能的研究将采用室内切口复合梁三点弯静载下断裂试验，b o t d a 光纤 监测复合梁的断裂扩展过程。复合粱中混凝土采用环氧沥青混合料，分两层成型，分别在复合梁环 氧沥青混凝土表面、层问及钢板上布设光纤，并在混凝土层表面布设光栅，如图1 - 1 所示。 ( a ) 立面图 l 图l - 1 室内复合粱光纤布设示意图 一竺竺兰一巧亩 ( b ) 平面图 试验加载设备拟采用液压试验机，力位移传感器控制荷载加载速度，千分表读取复合粱跨中位 置处竖向位移数据。试验加载过程采用逐级加载，光栅和光纤监测各级荷载下复合梁裂缝扩展时的 应变值。 ( 2 ) 环氧沥青混凝土铺装层裂缝扩展规律研究 对环氧沥青混凝土铺装层裂缝的疲劳扩展规律研究采用室内切口复合梁三点弯疲劳试验， b o t d a 光纤和光栅监测裂缝疲劳扩展过程。复合梁及复合梁上光纤光栅布设形式与其断裂试验时 相同。 疲劳试验拟在m t s 实验机上进行，m t s 自动采集试件跨中竖向挠度值；光栅实时监测过程； 对设定的疲劳加载次数下，b o t d a 监测试件内光纤应变值。通过以上的监测手段，得到裂缝疲劳 扩展信息，对其分析，最终得出适用于环氧沥青钢桥面铺装层裂缝疲劳扩展的模型。 ( 3 ) 影响模型参数的因素分析 对试验过程中出现影响试验结果的因素进行分析，如b o t d a 两个主要参数，空间分辨率和采 样间隔，对监测的响应结果会产生影响，以及复合梁试验中，光纤的粘滑移进行分析。 7 东南大学硕士学位论文 1 5 论文的难点与创新 本文的创新之处在于研究裂缝扩展过程采用了b o t d a 技术来实现。研究基于b o t d a 技术， 实现b o t d a 监测室内复合梁重复荷载作用下的裂缝疲劳扩展过程，是本文的研究基础，由于本试 验属于非常规试验，以及b o t d a 监测技术在目前情况下的功能特性，对试验的实现是本文的重点 和难点；而本文基于b o t d a 光纤监测技术得到钢桥面环氧沥青混凝土铺装层裂缝的疲劳扩展模型 则是论文研究的创新点。 第一章绪论 参考文献 【1 】杨秀飞，盛赛华，陈仕周虎门大桥钢桥面铺装热稳性病害产生的原因分析与处治 j 】广东公 路交通，2 0 0 l ，( 1 ) ：5 9 - 6 2 【2 】张磊江阴大桥钢桥面铺装病害研究【d 】【硕士学位论文】南京：东南大学，2 0 0 4 ，0 3 【3 】谢晓君厦门海沧大桥路面铺装层的维护叨材料开发与应用，2 0 0 4 ，1 9 ( 5 ) ：3