趙巖荊 楊 寧 蔣 玲

1. 南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京211188

2. 東南大學(xué)，土木工程學(xué)院，南京 210096

0 引 言

正交異性鋼橋面板鋪裝層疲勞特性的研究工作一直以來都是鋼橋面鋪裝層材料與結(jié)構(gòu)研究的難點與熱點。進行鋼橋面鋪裝層的疲勞特性研究，前提是必須建立科學(xué)的疲勞開裂試驗方法。通過確定合理的邊界條件、施加適當(dāng)?shù)膭討B(tài)荷載，能夠準(zhǔn)確的模擬出鋪裝層在實際使用過程中的受力狀態(tài)，從而對過程中鋪裝層疲勞性能的衰減、疲勞破壞的擴展進行跟蹤觀測。國內(nèi)外學(xué)者已針對鋪裝層的疲勞性能開展了大量的研究，相繼提出了一系列室內(nèi)試驗方法，如大型環(huán)道/直道試驗[1-2]、四點彎曲疲勞壽命試驗、三點加載復(fù)合梁疲勞試驗[3-6]，還有一些其他類型的復(fù)合梁模型，如丹麥模型[7]、德國模型等。但這些方法一方面無法模擬出合理的鋪裝層結(jié)構(gòu)邊界條件，另一方面所施加的試驗荷載與實際車輛荷載之間缺乏明確的映射關(guān)系，造成試件的受力狀況與實際鋪裝層不符，疲勞試驗結(jié)果與鋪裝層實際疲勞性能表現(xiàn)相關(guān)性較差。法國LCPC實驗室 Laurent ARNAUD[9]，Bernnard[10]，F(xiàn)ran?ois Olard[11]等研究人員提出了一種五點彎曲試驗，如圖 1所示。利用試驗裝置下部結(jié)構(gòu)三點支撐模擬加勁肋作用，利用上部加載裝置模擬車輛雙輪荷載，從而在實驗室環(huán)境下最大限度的模擬出鋪裝層的受力狀況。

圖1 法國LCPC鋼橋面鋪裝疲勞開裂模擬試驗Fig.1 French LCPC fatigue cracking simulation test for orthotropic steel bridge deck surfacing

該模型簡單可靠，邊界條件與橋面環(huán)境相似，受力路徑更清晰，試驗更簡便可靠。但該試驗方法依然存在以下缺點，影響了該方法的實用性。

（1）由于試驗?zāi)Ｐ屯耆∽詫嶋H鋼橋面及鋪裝結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致試驗荷載偏大，加載效率低下。動態(tài)荷載峰值通常需要在35 kN以上。如此大的動態(tài)荷載對加載設(shè)備要求較高，并且對加載設(shè)備使用壽命產(chǎn)生了影響；

（2）LCPC試驗中試件尺寸太大，超出了國內(nèi)路面材料動態(tài)荷載試驗中最為廣泛應(yīng)用的加載設(shè)備：UTM-25的環(huán)境箱的尺寸限制，影響了其推廣應(yīng)用；

因此，鑒于LCPC的優(yōu)缺點，有必要在LCPC試驗的基礎(chǔ)上，保留其固有優(yōu)點，通過改進措施克服其不利缺陷，提出一種新型的鋪裝層疲勞開裂試驗方法。

1 LCPC試驗?zāi)Ｐ偷母倪M

1.1 試件尺寸的改進

LCPC試驗中試件的平面尺寸為 580 mm（長）×200 mm（寬），超過了現(xiàn)有設(shè)備 UTM-25環(huán)境試驗箱內(nèi)的最大長度限制 440 mm。因此將試件長度縮減為 440 mm。同時，為了盡可能保持試件的長寬比，將試件的寬度縮減為 150 mm，使得試件能夠被應(yīng)用于UTM-25加載環(huán)境溫度箱中。

1.2 邊界條件的改變

由圖1可以看出，LCPC試驗通過試件中心兩側(cè)加載，從而在試件中央表面處形成負(fù)彎矩，模擬實際鋪裝層力學(xué)響應(yīng)。但下部三個支點中的兩側(cè)兩個支點由于完全固定于工作平臺之上，加大了鋪裝層-鋼板復(fù)合梁結(jié)構(gòu)的底部支撐，導(dǎo)致試驗過程中需要巨大的加載力才能在試件中央產(chǎn)生足夠的負(fù)彎矩效應(yīng)。因此，本文對LCPC試驗進行了改進，去除了底部兩側(cè)支點，僅保留中央支撐以形成鋪裝層負(fù)彎矩效應(yīng)。加大了復(fù)合梁試件的柔度，使得無需施加額外的荷載做功并能夠模擬出鋪裝層的力學(xué)響應(yīng)。為了保證動態(tài)荷載作用過程中試件的平衡，在兩側(cè)設(shè)置只能受拉不能受壓的錨鏈。改進后的疲勞開裂模擬試驗基本構(gòu)型如圖2所示：

圖2 改進型鋼橋面鋪裝疲勞開裂模擬試驗Fig.2 Improved fatigue cracking simulation test for orthotropic steel bridge deck surfacing

2 改進型疲勞開裂試驗參數(shù)影響性分析

圖2顯示了疲勞開裂試驗基本構(gòu)型，諸如荷載作用位置、荷載作用面積、鋼板厚度的影響，鋪裝層試件厚度的影響等試驗參數(shù)還需要確定，最終形成明確的鋪裝層疲勞開裂試驗方法。為此，首先建立鋪裝層復(fù)合梁試件三維有限元模型，如圖 3所示。利用ABAQUS軟件進行各種試驗參數(shù)對鋪裝層力學(xué)響應(yīng)的影響性分析。

圖3 鋪裝層復(fù)合梁試件三維有限元模型Fig.3 Three dimensional finite element model for orthotropic steel bridge deck surfacing specimen

為保證計算精度，圖3中模型采用三維二十節(jié)點減縮積分單元C3D20R進行建模。底座則視為剛體，計算中不予以考慮。

如不作特殊說明，則計算過程中的材料參數(shù)按表1中所示默認(rèn)值取值：

表1 計算模型材料參數(shù)Tab.1 The material properties in the calculation model

在默認(rèn)情況下，荷載總大小取4 kN。荷載采用均布荷載，荷載的尺寸及作用位置如圖 4所示。默認(rèn)情況下，d1取 120 mm，d2取 100 mm。荷載沿試件寬度方向的尺寸與試件寬度一致，為150 mm。

圖4 均布荷載尺寸及作用位置Fig.4 Dimensional and position of uniform distributed load

計算采用鋪裝層試件表面最大彎拉應(yīng)力為指標(biāo)?？疾觳煌蛩貙︿佈b層表面最大拉應(yīng)力的影響。

2.1 荷載作用位置影響

考察荷載中心距離試件中心的距離，即圖 4中d1的大小對鋪裝層力學(xué)響應(yīng)的影響。根據(jù)試件尺寸與荷載尺寸，d1的范圍可以取[50 mm，140 mm]之間。因此，每隔10 mm進行一次計算，分析荷載作用位置對鋪裝層力學(xué)響應(yīng)的影響。如圖5所示：

圖5 不同荷載位置條件下的最大橫向拉應(yīng)力Fig.5 Maximum tensile stresses under different loading positions

由圖5可以看出，鋪裝層試件最大橫向拉應(yīng)力與荷載作用位置d1呈線性相關(guān)關(guān)系。荷載對鋪裝層中央加勁肋處的力矩隨著d1的增長而增大，導(dǎo)致表面最大拉應(yīng)力隨之增長。因此，在條件可能的情況下，應(yīng)當(dāng)將荷載作用位置盡可能遠(yuǎn)離試件中心，以便能夠以較小荷載達到鋪裝層試件表面所需應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。

2.2 荷載作用面積的影響

考慮總荷載保持4 kN不變而荷載面積變化的影響。由于總荷載不變，均布荷載在沿試件寬度方向的尺寸與試件寬度保持一致，為 150 mm，因此只需考慮荷載寬度d2變化。荷載寬度越大，荷載作用面積越大，荷載集度也就越小，反之亦然。計算結(jié)果如圖6所示：

圖6 不同荷載寬度條件下的最大橫向拉應(yīng)力Fig.6 Maximum tensile stresses with different loading widths

圖 6顯示了總荷載不變，荷載寬度d2變化條件下的試件最大橫向拉應(yīng)力變化規(guī)律。由圖可知，由于總荷載不變，鋪裝層試件的最大橫向拉應(yīng)力變化也非常小，基本處于同一水平。在試驗設(shè)計確定試驗參數(shù)時，可以忽略荷載作用面積對試件最大橫向拉應(yīng)力的影響。

2.3 鋼板厚度的影響

法國 LCPC試驗中鋪裝層試件下部粘結(jié)的鋼板厚度同樣參照實際鋼橋面板厚度設(shè)置，通常選擇厚度為 14 mm的鋼板。但在實際試驗過程中，所需關(guān)注的僅僅是鋪裝層表面的應(yīng)力應(yīng)變，大量加載力的做功均消耗于使鋼板產(chǎn)生彎曲撓度的過程中，荷載能量被大量浪費，加載力的有效利用率很低，同時對設(shè)備的加載水平提出了很高的要求，對設(shè)備的使用壽命也極為不利。針對這一缺陷，在能夠充分體現(xiàn)鋪裝層-鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，本文擬通過削減鋼板厚度，使得加載力的效率得以提高，并降低試驗對加載設(shè)備的苛刻要求。計算中選用了四種鋼板厚度，分別為 2 mm、4 mm、6 mm以及8 mm，計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同鋼板厚度條件下的最大橫向拉應(yīng)力Fig.7 Maximum tensile stress with different steel plate thickness

由圖7的計算結(jié)果可知，鋪裝層力學(xué)響應(yīng)受鋼板厚度影響十分明顯。較厚的鋼板由于具有更高的剛度，增強了對鋪裝層試件的支承作用，降低了相同荷載作用下的試件內(nèi)應(yīng)力水平。通過上述計算可知，降低鋼板厚度能夠大幅提升荷載作用效率。但過薄的鋼板將使得復(fù)合梁試件喪失鋼橋面鋪裝特有的鋼板-鋪裝層復(fù)合結(jié)構(gòu)特性，因此，鋼板厚度必須適中，通過實際試驗驗證確定具體尺寸。

2.4 鋪裝層厚度的影響

法國 LCPC試驗中，鋪裝層試件厚度同樣依據(jù)實際橋面鋪裝厚度，一般達到 50 mm以上，同樣需要消耗大量能量使得試件產(chǎn)生與實際橋面鋪裝相同的撓度。由于鋪裝層最大應(yīng)力應(yīng)變只產(chǎn)生于表面處，因此可以在能夠保證混合料最小攤鋪厚度的前提下，考察降低鋪裝層試件的厚度對力學(xué)響應(yīng)的影響。由于鋼橋面鋪裝單層厚度一般介于25 mm與35 mm之間，因此，本文考慮三種試件厚度：25 mm、30 mm及35 mm。計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同鋪裝層厚度條件下的最大橫向拉應(yīng)力Fig.8 Maximum tensile stress with different surfacing specimen thickness

由圖8可知，最大橫向拉應(yīng)力受到鋪裝層試件厚度的影響也十分顯著。當(dāng)試件厚度由 25 mm增大至35 mm時，最大橫向拉應(yīng)力由 4.87 MPa下降至2.29 MPa，降低幅度達53%左右。因此，降低鋪裝層試件厚度同樣能夠提升加載設(shè)備工作效率，但試件厚度必須滿足最小單層碾壓攤鋪厚度，以保證能夠正確反映材料攤鋪于實際橋面鋪裝時的工作性能。

3 改進型疲勞開裂試驗參數(shù)驗證

通過上述分析，基本確定了改進型疲勞開裂試驗參數(shù)的確定原則：

（1）荷載作用位置應(yīng)當(dāng)盡量遠(yuǎn)離試件中心，以便提高荷載效率；

（2）荷載作用面積對試件鋪裝層力學(xué)響應(yīng)的影響可以忽略不計；

（3）鋼板與鋪裝層可以在正確反映鋪裝層工作特性的基礎(chǔ)上減小厚度。

根據(jù)這幾項原則，根據(jù)圖2所示基本構(gòu)型制作了多套試驗?zāi)＞撸⑦M行驗證性試驗。根據(jù)驗證結(jié)果，獲得以下幾點結(jié)論：

（1）荷載作用位置中心距離試件中心理論上最大距離可以達到 140 mm，但由于試件兩端錨固夾板需要占據(jù)一定空間，因此，最終將圖 4中所示的d1確定為120 mm；

（2）由于荷載作用面積對鋪裝層力學(xué)響應(yīng)影響可以忽略不計，因此參照LCPC試驗，將荷載作用寬度，即圖4中所示的d2確定為100 mm；

（3）驗證試驗中同樣采用了2 mm、4 mm、6 mm、8 mm四種鋼板厚度。驗證結(jié)果表明2 mm與4 mm厚度的鋼板由于自身剛度過小，試驗過程中無法充分反映實際橋面鋼板與鋪裝層的復(fù)合力學(xué)行為。同時較薄厚度的鋼板在試件成型與試驗過程中在壓力作用下容易產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，回彈能力較差，對鋼板的可重復(fù)利用存在不利影響。綜合鋼板力學(xué)特性與加載效率兩方面考慮，最終確定6 mm作為試件過程中的復(fù)合梁鋼板厚度；

（4）鋪裝層試件厚度根據(jù)實際鋪裝層單層厚度與級配確定，但為了能夠充分反映裂縫擴展過程，厚度不宜過薄，宜采用 30 mm作為試驗過程中復(fù)合梁的鋪裝層厚度。

根據(jù)以上力學(xué)計算與驗證試驗的結(jié)果，最終形成改進型正交異性鋼橋面鋪裝層開裂疲勞試驗方法。實際試驗?zāi)Ｐ腿鐖D9所示：

圖9 改進型鋪裝層疲勞開裂試驗Fig.9 Improved orthotropic steel bridge deck surfacing fatigue cracking test

4 主要結(jié)論

為克服法國 LCPC鋼橋面鋪裝層疲勞開裂試驗加載力效率低下，對加載設(shè)備要求苛刻等缺點，本文提出了改進型鋪裝層疲勞開裂試驗的基本構(gòu)型，利用三維有限元分析方法對試驗過程中模型參數(shù)對鋪裝層力學(xué)響應(yīng)的影響進行了研究，主要得到以下幾點結(jié)論：

（1）荷載作用位置距離試件中心的距離對試件力學(xué)響應(yīng)影響顯著，考慮到模型尺寸及邊界條件限制，最終確定荷載作用中心距離試件中心距離為120 mm；

（2）施加荷載的寬度，即作用面積對鋪裝層力學(xué)響應(yīng)影響甚微，參照法國LCPC試驗，荷載作用寬度確定為100 mm；

（3）鋪裝層內(nèi)部應(yīng)力水平與鋼板厚度、鋪裝層試件厚度成反比。可以通過削減鋼板或鋪裝層試件厚度提升荷載的加載效率。通過驗證試驗，在確保能夠充分反映實際橋面鋪裝中鋼板-鋪裝層復(fù)合結(jié)構(gòu)工作性能的基礎(chǔ)上，確定復(fù)合梁試件中鋼板厚度為6 mm，并建議鋪裝層試件厚度為30 mm。

根據(jù)本文所確定的改進型正交異性面板鋼橋面鋪裝層疲勞開裂試驗方法，能夠充分利用 UTM-25，MTS等試驗設(shè)備，以較小的加載力獲得與實際鋼橋面鋪裝中同等的應(yīng)力水平，從而科學(xué)合理的模擬鋼橋面鋪裝的實際工作狀態(tài)，為鋼橋面鋪裝的設(shè)計、評估、應(yīng)用以及進一步深入研究提供了一種有效的疲勞性能評價方法。

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