呂建鋒 莫正華 王民,2 胡德勇

（1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 400067；2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

責任編輯/曹晶磊 美術(shù)編輯/王德本

鋼橋面鋪裝時鋪筑在正交異性鋼橋面板上的一層薄層構(gòu)筑物，在運營過程中受到車輛荷載、環(huán)境溫度，以及支撐結(jié)構(gòu)等的影響，會在U型肋、橫隔板（或橫向加勁肋）、縱隔板等加勁部位出現(xiàn)較大的負彎矩，進而導(dǎo)致頂面部位的瀝青鋪裝層出現(xiàn)較大的拉應(yīng)變（拉應(yīng)力）。

由于負彎矩的產(chǎn)生，鋼橋面鋪裝在車輛荷載的反復(fù)作用下，會由上往下產(chǎn)生裂縫。這種裂縫先從位于上面層的瀝青混合料頂面出現(xiàn)，然后再逐漸向下發(fā)展，直至達到鋼橋面板頂部。

本文以鋼橋面澆注式瀝青混合料+高彈改性瀝青SMA10鋪裝結(jié)構(gòu)為研究對象，結(jié)合大跨徑鋼橋橋面鋪裝的受力特點，采用室內(nèi)五點加載復(fù)合梁試驗，以及瀝青混合料四點彎曲試驗，對澆注式瀝青混合料鋪裝體系的疲勞特性進行研究。

一、試驗方案

（一）材料

澆注式瀝青混合料采用GA10級配和聚合物復(fù)合改性瀝青，性能指標如表1所示；改性瀝青SMA10采用高彈改性瀝青，性能指標如表2所示。

表1 澆注式瀝青混合料性能指標

表1 澆注式瀝青混合料性能指標

表2 高彈改性瀝青SMA10性能指標

表2 高彈改性瀝青SMA10性能指標

（二）試驗設(shè)備

試驗設(shè)備為澳大利亞產(chǎn)的伺服氣動四點彎曲疲勞試驗儀（試驗力≤4.5kN，最大控制應(yīng)變不超過1200με，加載頻率為0.1Hz～10Hz）。

（三）試驗條件

在四點彎曲試驗過程中，試驗溫度和應(yīng)變控制條件是瀝青混合料疲勞開裂的主要影響因素。因此試驗控制條件設(shè)置主要是試驗溫度和應(yīng)變條件，試驗終止條件為勁度模量下降到初始勁度模量50%。

1.試驗溫度

在現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計規(guī)范中，以15℃為測定瀝青混合料疲勞性能的試驗溫度，所以將試驗溫度設(shè)定為5℃、15℃和25℃。根據(jù)研究成果，該溫度區(qū)間可以涵蓋我國長江流域地區(qū)的疲勞當量溫度。

2.應(yīng)變條件

應(yīng)變條件主要是基于橋面系結(jié)構(gòu)的有限元力學(xué)分析結(jié)果來確定。本文以某長江大橋為研究對象，選取橋梁結(jié)構(gòu)節(jié)段為橫橋向取6個U型加勁肋和縱橋向取3跨，橋面系結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

在有限元分析過程中，采用綜合彎拉模量來完成力學(xué)驗算，鋪裝材料的模量如表4所示。

力學(xué)分析過程中瀝青混合料的泊松比采用內(nèi)插法確定，泊松比取值如表5所示。

以相鄰兩橫隔板中間部位的U型加勁肋頂部最不利荷位，完成不同溫度和軸載條件下的力學(xué)驗算，推算出鋪裝層表面的最大橫向彎拉應(yīng)變。最大彎拉應(yīng)變與溫度和荷載的變化關(guān)系結(jié)果如圖1所示。

通過上述計算結(jié)果可知，鋼橋面鋪裝在不同溫度和軸載作用下，其表面彎拉應(yīng)變在600με～800με之間，同時考慮到實際試驗需要，瀝青混合料四點彎曲疲勞試驗過程中應(yīng)變條件取值如表6所示。

表3 正交異性板的幾何參數(shù)（mm）

表3 正交異性板的幾何參數(shù)（mm）

表4 材料模量參數(shù)（MPa）

表4 材料模量參數(shù)（MPa）

表5 材料泊松比取值

表5 材料泊松比取值

表6 試驗過程中采用的應(yīng)變條件

表6 試驗過程中采用的應(yīng)變條件

表7 疲勞次數(shù)與應(yīng)變水平對應(yīng)方程

表7 疲勞次數(shù)與應(yīng)變水平對應(yīng)方程

圖1 不同溫度和軸載作用下的橫向彎拉應(yīng)變變化趨勢

三、疲勞開裂方程分析

瀝青混合料疲勞試驗是指采用四點彎曲疲勞試驗，在設(shè)定的試驗溫度下重復(fù)加載設(shè)定應(yīng)變，以實測彎曲勁度模量達到初始彎曲勁度模量的50%對應(yīng)的加載循環(huán)次數(shù)作為疲勞壽命次數(shù)。這表明，瀝青混合料在特定溫度下的疲勞壽命次數(shù)取決于加載應(yīng)變水平的大小，兩者之間的關(guān)系可以采用下式進行表達：

Nf=A×ε-n

式中：Nf-疲勞次數(shù)/萬次；ε-應(yīng)變水平/με；A、n-回歸參數(shù)。

基于3種試驗溫度下四點彎曲疲勞試驗結(jié)果，對疲勞次數(shù)與應(yīng)變水平進行冪函數(shù)擬合回歸分析，如表7所示，其相關(guān)性系數(shù)R2達到0.8以上。

由于瀝青混合料的疲勞性能受溫度影響顯著，雖疲勞次數(shù)和應(yīng)變水平都符合冪函數(shù)關(guān)系，但仍有一定差異，主要體現(xiàn)在參數(shù)A值的不同。因此，設(shè)定溫度T，對參數(shù)A和溫度T進行回歸分析，如圖2所示。

圖2 溫度T與參數(shù)A的函數(shù)回歸

通過回歸分析發(fā)現(xiàn)，參數(shù)A和溫度T之間符合e的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)R2=0.8425。

考慮到室內(nèi)疲勞試驗結(jié)果和路面實際疲勞情況的差異性，例如，車輛荷載行駛同一區(qū)域或位置的間隔時間對瀝青路面恢復(fù)的影響，路面裂縫發(fā)展對路面結(jié)構(gòu)性能的影響等，需要引入間歇時間和裂縫擴展修正系數(shù)。根據(jù)參考文獻和結(jié)合鋼橋面鋪裝受力狀況，間歇時間修正系數(shù)取5，裂縫擴展修正系數(shù)取1.5。

因此，鋼橋面澆注式瀝青鋪裝疲勞行為方程可以按照下式表征：

N=2.004e0.2761TE+16×ε-5.915

式中：N-疲勞開裂次數(shù)/萬次；ε-鋼橋面鋪裝層的彎拉應(yīng)變/με。

四、結(jié)語

通過對鋼橋面澆注式瀝青+高彈瀝青SMA10鋪裝的有限元驗算，提取最不利荷位處的鋪裝表面最大應(yīng)變，以此為基礎(chǔ)對瀝青混合料在選定的溫度和應(yīng)變水平下的疲勞耐久性進行研究，推算出該鋪裝組合結(jié)構(gòu)下的疲勞行為方程。從方程可以看出，疲勞次數(shù)與溫度呈e的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，疲勞次數(shù)與應(yīng)變條件呈現(xiàn)負指冪函數(shù)關(guān)系，低溫高應(yīng)變下鋼橋面鋪裝極易出現(xiàn)開裂。