王 民,萬國琪,胡德勇,李開一
(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶市 400067;2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司,重慶市 401336)
鋼橋面鋪裝作為橋梁工程的重要組成部份,一直是一個世界性難題,倍受行業(yè)與社會關(guān)注[1-4]。在我國特殊的交通、氣候條件下,鋼橋面鋪裝在運營早期病害頻發(fā),大跨徑鋼橋橋面鋪裝使用壽命難以達到設(shè)計壽命。疲勞開裂是一種最常見的鋼橋面早期病害,如我國1997 年建成的虎門長江大橋、1999 年建成的江陰長江公路大橋、2000 年建成的南京長江二橋等均出現(xiàn)了不同程度的疲勞開裂病害[5-6]。此類病害對瀝青路面的行車舒適性和安全性影響并不大,但其破壞了鋼橋面結(jié)構(gòu)的整體性和連續(xù)性,雨水通過裂縫滲入鋪裝層內(nèi)部,在行車載荷作用下發(fā)生沖刷和唧泥現(xiàn)象,進而加速鋪裝層的破壞,導(dǎo)致松散、坑槽等病害的出現(xiàn),這不僅降低了行車舒適性,還增加了行車的危險性[7]。
目前國內(nèi)大跨徑鋼橋基本采用的是正交異性鋼橋面板支撐結(jié)構(gòu),U 肋、橫隔板以及縱腹板等起到加勁作用,但同時也造成了該部位鋼橋面鋪裝產(chǎn)生應(yīng)力集中,反復(fù)出現(xiàn)彎拉應(yīng)力,引起疲勞開裂。針對鋼橋面鋪裝出現(xiàn)的疲勞開裂,徐偉[8]等基于瀝青材料的黏彈性分析了鋼橋面鋪裝材料疲勞損傷特征;黃文通[9]等基于應(yīng)變條件下的彎曲試驗分析了不同鋼橋面鋪裝材料的疲勞性能;張順先[10]等建立環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝材料疲勞壽命預(yù)估模型。
本文基于馬鞍山長江公路大橋鋼橋面鋪裝的鋪裝材料和使用條件,建立疲勞開裂預(yù)估模型,為今后我國大跨徑鋼橋面鋪裝使用狀況進行預(yù)測,并指導(dǎo)鋼橋面鋪裝的養(yǎng)護工作,可有效促進鋼橋面鋪裝的使用品質(zhì)及耐久性提升。
(1)鋪裝材料
高彈改性SMA 具有優(yōu)異的隨從變形能力和抗疲勞開裂性能,與正交異性板有很好的適配性,形成了國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的典型鋪裝——澆注式瀝青混合料+高彈改性SMA 組合結(jié)構(gòu)。因此,在研究過程中,選用高彈改性SMA10 作為研究對象進行疲勞試驗。高彈改性瀝青技術(shù)指標(biāo)見表1,高彈改性SMA10 最佳油石比為6.4%,聚酯纖維用量為0.2%,混合料技術(shù)指標(biāo)見表2。
表1 高彈改性瀝青技術(shù)指標(biāo)
表2 高彈改性S MA10 混合料技術(shù)指標(biāo)
(2)實驗條件
四點彎曲試驗采用澳大利亞的氣動伺服四點彎曲試驗儀,試驗采用偏正弦波加載,加載頻率為10 Hz,采用應(yīng)變控制模式。試驗過程中,設(shè)定3 種試驗溫度,每種溫度下設(shè)定3~4 個應(yīng)變水平。每組試驗進行3 組平行試驗,以勁度模量降低50%為判斷疲勞失效標(biāo)準(zhǔn)。具體試驗條件見表3。
表3 四點彎曲疲勞試驗條件
根據(jù)上節(jié)設(shè)定的試驗條件,制作成型試件(380 mm×63.5 mm×50 mm)進行四點彎曲試驗,試驗結(jié)果見表4。由試驗結(jié)果可以看出,在高溫區(qū)域,高彈改性瀝青SMA10 表現(xiàn)出比較好的疲勞特性,在低應(yīng)變條件下幾乎不出現(xiàn)開裂,即使在高應(yīng)變條件下也表現(xiàn)出優(yōu)異的疲勞耐久性;在低溫區(qū)域,瀝青混合料的勁度模量較高,抗疲勞開裂能力明顯下降。
表4 四點彎曲疲勞次數(shù) 單位:萬次
根據(jù)不同溫度和應(yīng)變條件下的試驗結(jié)果,對疲勞次數(shù)與應(yīng)變水平進行回歸分析,得到不同溫度時的疲勞次數(shù)與應(yīng)變水平的指數(shù)關(guān)系曲線,如圖1 所示。從圖1 可知,三條回歸曲線的相關(guān)性系數(shù)R 都大于0.9,說明疲勞次數(shù)與應(yīng)變水平之間具有顯著性的相關(guān)性。
圖1 不同溫度下的疲勞次數(shù)與應(yīng)變水平的對數(shù)關(guān)系
在室內(nèi)疲勞試驗時,考慮試驗條件比橋面鋪裝的更實際受力條件嚴(yán)格,如室內(nèi)試驗時荷載間歇時間要遠(yuǎn)低于鋪裝層實際的荷載情況,荷載間歇時間短將加速裂縫的擴展。為了使室內(nèi)試驗結(jié)果較準(zhǔn)確地反應(yīng)橋面鋪裝實際情況,需要采用修正系數(shù)對室內(nèi)試驗結(jié)果進行修正,以代表實際鋪裝層疲勞狀況。考慮到間歇時間、裂縫擴展時間等因素的影響,采用的修正系數(shù)為5[11]。修正后的高彈改性瀝青在每種溫度下的應(yīng)變疲勞方程見表5。
表5 疲勞試驗回歸結(jié)果
其中,N 為荷載疲勞次數(shù),ε 為應(yīng)變水平。
建立基于馬鞍山長江公路大橋結(jié)構(gòu)條件的有限元計算模型,對GA+SMA 鋪裝結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)進行力學(xué)分析。通過采用solid95 單元模擬橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層和鋼箱梁頂板,采用shell93 單元模擬加勁肋和橫隔板等除頂板之外的正交異性鋼橋面板組件。同時,考慮到計算機計算能力和精度的平衡,不同部位的單元劃分有所側(cè)重,對加載區(qū)域的單元劃分進行了適度的加密。
在對鋪裝結(jié)構(gòu)進行荷載響應(yīng)力學(xué)分析時,采用公路Ⅰ級荷載車輛荷載的雙后軸(2×140 kN)作為基本荷載,沖擊系數(shù)選為1.3。有限元分析時正交異性鋼橋面板的幾何參數(shù)見表6,鋪裝下層澆注式瀝青混合料GA10、上層高彈改性SMA10 力學(xué)參數(shù)見表7。
表6 正交異性鋼橋面板幾何參數(shù) 單位:mm
表7 瀝青混合料力學(xué)參數(shù)取值
通過實橋結(jié)構(gòu)條件的有限元模型,分析了不同溫度狀態(tài)下的鋼橋面鋪裝層表面最大橫向彎拉應(yīng)變,分析結(jié)果見表8。
表8 不同溫度下的鋪裝層出現(xiàn)的彎拉應(yīng)變
將計算出的不同溫度下的鋪裝層最大彎拉應(yīng)變代入疲勞方程中,計算不同溫度下的鋪裝層預(yù)估荷載最大作用次數(shù),計算時安全系數(shù)選為1.3,計算結(jié)果見表9。
表9 鋪裝層預(yù)估荷載作用次數(shù)
馬鞍山長江公路大橋位于長江下游,該地區(qū)年平均溫度為15.9 ℃,一年中最熱月為7 月,平均溫度為28.3 ℃,最冷月為1 月,平均溫度為2.9 ℃。每月氣溫的統(tǒng)計結(jié)果見表10。
表10 馬鞍山長江公路大橋橋區(qū)逐月平均氣溫 單位:℃
根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果,按照5℃、15℃、25℃溫度區(qū)間進行劃分,其中5℃代表的月份為12 月、1 月、2 月,15℃代表的月份為3 月、4 月、5 月、10 月、11 月,25℃代表的月份為6 月、7 月、8 月、9 月。
同時,根據(jù)溫度時間分區(qū)(5℃、15℃、25℃),各溫度區(qū)間長度在一年中所占的比例分比為3/12、5/12、4/12,假設(shè)每年內(nèi)的交通量在時間長度上平均分布,則可根據(jù)溫度區(qū)間所占的時間比例計算出在路面設(shè)計使用年限內(nèi)各溫度區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)。
馬鞍山長江公路大橋鋼橋面鋪裝以公路-Ⅰ級荷載為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)軸載,根據(jù)初步設(shè)計對交通量預(yù)測的結(jié)果,現(xiàn)按照設(shè)計年限內(nèi)一個車道標(biāo)準(zhǔn)軸載的累計當(dāng)量軸次為23.2×106次計算。根據(jù)以上溫度區(qū)間所占的時間比例,可得到設(shè)計年限內(nèi)一個車道在各溫度區(qū)間內(nèi)累計當(dāng)量軸次數(shù),見表11。
表11 不同溫度區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)
用于疲勞損傷計算公式為
式中:PLDi為疲勞損傷度;Nsi為標(biāo)準(zhǔn)軸載實際作用次數(shù);Nyi預(yù)估荷載最大作用次數(shù)。每個溫度區(qū)間下的疲勞損傷度計算結(jié)果見表12。
表12 不同溫度下的疲勞損傷度
結(jié)合路面的疲勞損傷度和設(shè)計使用年限內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計作用次數(shù)可確定建立鋼橋面鋪裝疲勞壽命SMpl,其預(yù)估模型為
式中:SMpl為鋼橋面鋪裝疲勞開裂時的壽命,以預(yù)估疲勞荷載作用次數(shù)表示;Nsi為第i 個溫度區(qū)間的設(shè)計年限內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)。
根據(jù)馬鞍山長江公路大橋鋼橋面鋪裝預(yù)估模型和設(shè)計年限內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù),可以計算出當(dāng)澆注式瀝青混凝土GA10+高彈改性SMA10 鋪裝結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂時標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)將達到2.48×106次。按照設(shè)計年限為15 a 的累計標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)計算,馬鞍山長江大橋鋼橋面鋪裝出現(xiàn)疲勞開裂時的壽命為16.0 a。
高彈改性瀝青是針對鋼橋面鋪裝使用特點開發(fā)出來的一種瀝青結(jié)合料,具有非常好的低溫延度,其5℃延度一般要求大于50 cm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通的改性瀝青。采用該種瀝青拌制的瀝青混合料SMA10(稱為高彈改性SMA10) 也具有優(yōu)異的抗開裂性能,其-10℃低溫彎拉應(yīng)變是普通瀝青混合料2~3 倍,其四點彎曲疲勞次數(shù)是普通瀝青混合料的8~10 倍。正是由于高彈改性瀝青優(yōu)異的抗疲勞開裂能力,使其更好地適應(yīng)了鋼橋面鋪裝反復(fù)出現(xiàn)大變形的特點,有效遏制鋼橋面鋪裝疲勞開裂病害的出現(xiàn)。
(1) 高彈改性SMA10 疲勞壽命受溫度影響顯著。在相同應(yīng)變條件下,溫度每升高10℃,其疲勞壽命提升4~5 倍;溫度越高,其疲勞壽命提升的幅度越大。因此,在高溫期,鋼橋面鋪裝幾乎不會出現(xiàn)開裂。
(2)高彈改性SMA10 在不同溫度區(qū)間,疲勞開裂作用次數(shù)與所承受的應(yīng)變條件之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系,相關(guān)性系數(shù)均大于0.9,表明所建立的疲勞方程能很好地揭示高彈改性SMA10 的疲勞行為。
(3)從疲勞行為方程可以看出,應(yīng)變條件對高彈改性SMA10 的影響顯著。而鋼橋面鋪裝出現(xiàn)的大部分應(yīng)變都是由于車輛荷載所引起的,且重載車輛往往容易引起更大的變形,這也揭示了重載車輛是造成鋼橋面鋪裝開裂的一個重要因素。
(4)通過疲勞行為方程以及實橋最大彎拉應(yīng)變的有限元力學(xué)計算結(jié)果,推導(dǎo)出鋼橋面鋪裝疲勞壽命預(yù)估模型。通過疲勞壽命預(yù)估模型,計算出澆注式瀝青混合料GA10+ 高彈改性SMA10 鋪裝結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂的疲勞壽命為16 a。這表明:在鋼橋面鋪裝的設(shè)計年限內(nèi)(15 a),澆注式瀝青混合料+ 高彈改性SMA10 鋪裝結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)開裂,這位大跨徑鋼橋橋面鋪裝方案的選擇提供了理論依據(jù)。