黃承立 虞將苗 牛書彬 穆克雷 張東迎 余冰冰 陳全順

(中鐵十局集團第三建設(shè)有限公司1) 合肥 230088) (華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院2) 廣州 510640) (中鐵十局集團西北工程有限公司3) 西安 410000)

0 引 言

某大橋是我國在建的一條超大型跨海公路通道，大橋主體工程包括15.8 km深水區(qū)橋梁，除三座通航橋梁外，某大橋深水區(qū)非通航孔采用110 m跨整墩整幅鋼箱梁連續(xù)橋梁，淺水區(qū)非通航橋孔采用85 m跨組合連續(xù)梁，鋼箱梁連續(xù)梁橋面板主要采用正交異性鋼箱梁橋面板結(jié)構(gòu)形式[1-2].鋼橋面鋪裝面積約50萬m2，是世界上規(guī)模最大的鋼橋面鋪裝工程.由于鋼橋面鋪裝層受復(fù)雜多變的自然環(huán)境影響及繁重交通的交通負荷作用，工作條件十分苛刻，鋼橋面鋪裝問題現(xiàn)已是一項世界性的技術(shù)難題.而且該橋所處的區(qū)域夏季高溫、多雨，持續(xù)高溫時間長，對瀝青混合料鋪裝材料高溫性能要求更高.

針對某大橋擬采用的“下面層30 mm厚澆筑式瀝青+上面層40 mm厚SMA13”瀝青混合料橋面鋪裝結(jié)構(gòu)方案，采用大型直道MLS66型加速加載試驗設(shè)備，在60 ℃溫度下以標準雙輪軸載的荷載水平進行試驗橋加速加載試驗，運行次數(shù)為5萬次或車轍深度達到1 in(25.4 mm)進行控制[3-4].建立與試驗橋相同的鋼橋面鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)有限元模型，對試驗橋在相同條件下的永久變形進行仿真.采用單軸壓縮蠕變試驗方法對擬采用的兩種鋪裝材料在60 ℃溫度下的蠕變特性進行試驗研究；根據(jù)試驗結(jié)果，利用origin非線性擬合工具獲得基于冪率模型的蠕變參數(shù)；將參數(shù)輸入ABAQUS非線性有限元軟件，仿真得到模型在60 ℃下的永久變形.比較試驗實測永久變形與仿真結(jié)果，驗證了模型的合理性和實用性，為鋼橋面鋪裝瀝青層車轍研究提供理論支撐.

1 試驗橋高溫性能加速加載試驗研究

1.1 試驗橋模型結(jié)構(gòu)形式

試驗為足尺試驗，試驗構(gòu)件為實橋模型的部分節(jié)段.根據(jù)高溫加速加載試驗條件構(gòu)件長度方向為8 000 mm、寬度方向為3 300 mm、高度為1 680 mm，橫隔板間距2 500 mm，橋段沿橋長度方向支撐長度250 mm，橫向支撐寬度2 085 mm，底部端部支撐采用地錨式錨固.荷載中心位于邊腹板正上方.試驗橋見圖1，模型主要尺寸見表1.

圖1 試驗橋模型

表1 試驗?zāi)Ｐ统叽?mm

1.2 鋪裝層材料性能

根據(jù)某大橋擬采用的“澆筑式瀝青+SMA-13”瀝青橋面鋪裝結(jié)構(gòu)方案，加速加載試驗用MA及SMA-13粗集料均為花崗巖，細集料采用石灰?guī)r集料，填料選用石灰?guī)r礦粉，SMA用穩(wěn)定劑采用絮狀木質(zhì)素纖維，摻量為混合料質(zhì)量的0.3%.根據(jù)文獻[5],考慮到我國與英國的氣候交通條件不同，同時參考香港安達臣瀝青有限公司提供的香港昂船洲大橋及青馬大橋混合料級配設(shè)計報告，MA類鋪裝材料用瀝青膠結(jié)料采用A-70瀝青與特立尼達湖瀝青(TLA)按30%A-70+70%TLA摻配，兩種瀝青性能及在專用拌合罐內(nèi)混合后的性能見表2.

表2 MA用瀝青性能

SMA-13用瀝青膠結(jié)料采用殼牌SBS改性瀝青，技術(shù)性能指標見表3.根據(jù)文獻[6]規(guī)定，并借鑒香港地區(qū)鋼橋面鋪裝成功案例，進行MA配合比設(shè)計，見表4.據(jù)規(guī)范[7]及集料的篩分結(jié)果對SMA-13型瀝青混合料礦料級配范圍的要求，對SMA-13進行級配設(shè)計，見表5.

表3 SBS改性瀝青性能

表4 MA配合比

1.3 加速加載試驗結(jié)果

加速加載試驗一起采用南非生產(chǎn)的MLS66(mobile load simulator66)見圖2，此設(shè)備可以模擬路面在真實輪胎荷載作用.該設(shè)備由剛性主框架、六組輪架及內(nèi)部配有的雙輪胎等主要構(gòu)件組成，輪架在垂直環(huán)形導(dǎo)軌中運行，當軌道運行到底部時，輪架上的測試輪與鋪面接觸施壓，見圖3.由前期大量的有限元分析模擬可知，該橋模型最不利荷載位置為加載中心位于試驗橋腹板上方，見圖4.

表5 SMA-13配合比

本試驗高溫加速加載試驗溫度控制在60 ℃±2 ℃，采用雙輪組荷載為50 kN加載，輪壓0.7 MPa.

圖2 MLS66試驗設(shè)備

圖3 MLS66荷載作用

圖4 測試橋上車輪荷載作用位置

分別于加載5 000，10 000，20 000，30 000及50 000次之后進行道面平整度精確測量以確定車轍深度.車轍深度測量采用設(shè)備附帶的自動斷面記錄儀(profile-meter)，它是一種利用位移傳感器記錄斷面車轍形態(tài)的儀器.瀝青鋪裝層斷面車轍深度試驗結(jié)果見圖5.

圖5 斷面車轍深度

2 瀝青鋪裝層高溫蠕變參數(shù)研究

ABAQUS通用有限元軟件蠕變模型有冪率模型和雙曲正弦模型[8-9]，其中冪率模型有兩種形式為時間硬化形式和應(yīng)變硬化形式，對于蠕變過程應(yīng)力變化范圍不太大時，時間硬化形式比較合適.其微分表達式為

(1)

對式(1)進行積分，積分結(jié)果為

(2)

為了獲得有限元模型澆筑式瀝青及SMA-13的蠕變參數(shù)，需要對瀝青混合料進行單軸靜載蠕變試驗.蠕變試驗試件的原材料和配合比設(shè)計與高溫加速加載試驗一致.參照文獻[10]中的試驗方法T0713—2011，試件直徑為100 mm，高度為100 mm.其中澆筑式瀝青蠕變試驗試件為現(xiàn)場cooker機拌合后成型試件取芯，SMA-13采用旋轉(zhuǎn)壓實成型試件.利用MTS-810萬能材料試驗機對試件在60 ℃溫度環(huán)境箱內(nèi)，進行單軸靜載蠕變試驗，加載速率為2 mm/min.試件端部采用四氟乙烯薄膜墊塊作為潤滑膜，考慮到澆筑式瀝青及SMA-13在60 ℃溫度下的蠕變特性，試驗荷載水平不宜太大，本文澆筑式瀝青、SMA-13單軸靜載蠕變試驗所采用的荷載水平分別為0.3，0.5 MPa.60 ℃溫度下的澆筑式瀝青及SMA-13蠕變曲線見圖6.

圖6 60 ℃溫度下澆筑式瀝青、SMA-13蠕變曲線

根據(jù)蠕變試驗數(shù)據(jù)，利用origin非線性擬合工具通過擬合方程(2)即可得到蠕變參數(shù)A，n，m，見表6.

表6 蠕變參數(shù)

3 鋼橋面鋪裝有限元仿真研究

3.1 有限元模型結(jié)構(gòu)形式及邊界條件

ABAQUS有限元蠕變分析所采用的模型尺寸與加速加載試驗橋模型一致.構(gòu)件長度方向為8 000 mm、寬度方向為3 300 mm、高度為1 680 mm，懸臂伸出寬度為1 800 mm，橫隔板間距2 500 mm，橋段沿橋長度方向支撐長度250 mm，橫向支撐寬度2 085 mm，模型底部端部支撐采用固結(jié)約束.MA下面層厚度為30 mm，SMA-13上面層厚度為40 mm.瀝青層間的接觸采用TIE約束，MA層與鋼板之間的接觸也采用TIE約束.根據(jù)大量的鋼橋面鋪裝有限元計算結(jié)果可知，當局部均布荷載位于橋段中部時為最不利荷載布置，為了模擬MLS66型加速加載試驗設(shè)備相間3 080 mm的兩個輪組同時作用于試驗?zāi)Ｐ蜕系暮奢d，有限元模型荷載位置設(shè)置為一個輪組作用在橋段中部，荷載中心位于邊腹板正上方.另外一組輪組作用位置與橋段中部輪組相間3 080 mm，荷載中心也位于邊腹板正上方.模型結(jié)構(gòu)見圖7.

圖7 鋼橋面鋪裝有限元模型

3.2 有限元模型參數(shù)及荷載條件設(shè)置

ABAQUS蠕變分析過程先通過靜態(tài)分析后，在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生一個應(yīng)力場，然后才進行蠕變計算.鋼材彈性模量取2.06×105MPa，密度為7.85×10-9t/mm3，瀝青混合料鋪裝層自重不計.由于模型單元總數(shù)較多，為了提高計算速度，本模型采用兩種單元.鋼材采用殼單元(S4R)，瀝青混合料鋪裝層采用實體單元(C3D8R).荷載采用接地壓為0.7 MPa的等效靜荷載，輪胎與路面的接觸為直徑213 mm的圓.與加載次數(shù)相對應(yīng)的靜荷載可以用動載等效方法進行換算.車輛以恒定速度在路面上行駛時，車輪對路面的作用時間為

(3)

式中：d為輪胎與路面接觸圓直徑，m；v為車輛行駛速度，m/s.

MLS66型加速加載試驗設(shè)備的加載速度為20 km/h，接觸圓的直徑為0.213 m，根據(jù)式(2)等效換算為靜荷載，將所換算的靜荷載作用時間作為蠕變分析步時間輸入到ABAQUS有限元中進行瀝青鋪裝層的蠕變分析.

3.3 有限元計算結(jié)果分析

分別經(jīng)過與加速加載運行次數(shù)相對應(yīng)的192，383，767，1 150，1 917 s靜載加載后瀝青混合料路面車轍深度仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比見表7.

由表7可知，隨著荷載作用時間增大，車轍深度加深，這與試驗橋加速加載試驗結(jié)果一致.并且，車轍主要發(fā)生在MA層，SMA層車轍較小，與加速加載試驗后現(xiàn)場切割的鋪裝層橫斷面一致，因而在鋪裝層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要著重考慮增強MA層的抗車轍性能.加速加載試驗結(jié)果與有限元仿真結(jié)果有一定的誤差.當運行次數(shù)較小時，誤差較大，這是因為加速加載試驗開始階段，鋪裝層瀝青混合料處于壓密階段，這個階段表現(xiàn)出來的蠕變特性不明顯，車轍主要是由于材料被壓實發(fā)生的塑性變形；而仿真前期階段由于瀝青混合料蠕變變形發(fā)展較大，所以仿真結(jié)果比加速加載試驗結(jié)果大.隨著運行次數(shù)增加，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果接近.

表7 車轍深度實測結(jié)果與仿真結(jié)果對比

仿真結(jié)果與實測結(jié)果存在誤差的另外一個原因是現(xiàn)場加速加載試驗施加的是動荷載而仿真分析采用的是等效靜荷載，由于橋面鋪裝材料對外界荷載加載頻率較敏感，在不同加載速度下橋面鋪裝材料彈性模量差別很大，是一個變化值，有限元采用的彈性模量是固定值，因而計算結(jié)果與實測結(jié)果有差別，而且有限元模型應(yīng)力場與實際應(yīng)力場也有差別，這也將影響鋪裝材料的蠕變變形.

然而，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的誤差在運行次數(shù)在10 000～50 000次范圍內(nèi)小于17%，模擬效果良好，因而可以運用此方法來預(yù)估鋼橋面瀝青鋪裝層高溫車轍深度.

4 結(jié) 論

1) 車轍主要發(fā)生在澆注式瀝青混凝土層，上面層的SMA結(jié)構(gòu)車轍變形較小，在澆注式瀝青混凝土鋪裝體系中，需要考慮增強MA層的抗車轍能力性能.

2) 荷載作用時間越長或荷載作用次數(shù)越多，車轍深度就越大.

3) 現(xiàn)場加速加載試驗結(jié)果與有限元仿真結(jié)果比較接近，誤差可以接受.

4) 利用有限軟模型仿真分析鋼橋面鋪裝材料車轍性能確實可行.