实桥加载下钢桥面沥青铺装层应变动态响应

武金婷，叶 奋，2，吴怀睿，贾晓阳

（1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804；2.新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐830047；3.田纳西大学 土木与环境学院，诺克思维尔37996）

合理可靠的钢桥面沥青铺装不仅能提高行车舒适性和安全性，而且作为桥面板的有效防护体系，可保证桥梁结构耐久性.但由于正交异性钢桥面沥青铺装层局部刚度小、挠度及变形大、传热快等原因，纯力学的方法很难真实了解其实际力学响应情况，而现场试验或工程经验便成为联系理论与实践的桥梁.

国外钢桥面铺装试验桥研究起步较早.Hameau等［1］曾采用两跨连续复合梁模型测量得到铺装层和钢板内的应变情况.英国1963年在重交通干道上建造了与Severn桥相类似的试验段，通过10年的观测与研究，TRRL（Transport and Road Research Laboratory）认为符合BS1447：1962规范的浇注式沥青混合料更适用于英国环境.1976年，日本铺设了长浦地钢床板试验桥，研究认为“下层浇注式、上层改性密级配沥青混合料”的铺装结构最好.瑞典为选择适合于滨海高桥的防水与铺装体系，于1993年在BD1337号桥上开展了8种铺装结构的试铺工作，开展了为期4年的观测与调查工作［2］.国内自虎门大桥开始重视对钢箱梁桥面铺装的研究，相关单位先后在室内修筑正交异性钢桥面铺装环道或直道模型，通过加速加载试验对比了不同铺装结构的性能，主要涉及文献［3-10］的相关研究工作.润扬长江公路大桥钢桥面铺装课题组采用应变片对试验桥铺装层进行了现场测试［2，11］.

以上国内外钢桥沥青铺装试验方面的相关研究虽然取得了一定的成果，但仍存在不足：室内试验不能准确再现钢桥在实际交通及自然环境下的真实变形、受力等状况；室外研究受技术手段所限，大多停留在铺装表面观测，而未进行过铺装层内部监测，即没有进行过钢桥面铺装体系的完整性研究.所以，目前尚需进一步对实桥沥青铺装层进行系统加载试验及长期监测.

依托上海昌吉东路大桥建设项目，随其施工过程在不同铺装层位中埋设了应变及温度传感器，可实现实时及长期测试数据采集.通过现场实桥加载试验，对沥青铺装层在静动荷载作用下的应变状况进行了系统分析，以便为钢桥面沥青铺装的结构设计提供实测数据.

1 试验概况

昌吉东路大桥2010年竣工，主桥采用两跨连续下承式钢桁架拱全焊接组合钢结构，跨径组合为66 m+135m，主桥桥宽为33m，双向四车道.桥面板为正交异性，顶板厚16mm；横隔板间距3.375m，厚10mm；U形加劲肋间距600mm，高280mm，厚8 mm.桥面横向坡度2%.

1.1 沥青铺装层

钢桥面行车道铺装上面层为4cm沥青玛蹄脂碎石混合料SMA-13（stone mastic asphalt），下面层为4cm环氧沥青混合料EA-10（epoxy asphalt），防水黏结层采用环氧沥青，防腐层采用环氧富锌漆.表1～4为试验结果，表明所用材料均满足要求.

表1 铺装层沥青混合料马歇尔试验结果Tab.1 Marshall test results of asphalt mixtures

表2 铺装层沥青混合料性能试验结果Tab.2 Performance test results of asphalt mixtures

表3 防水黏结层剪切试验结果Tab.3 Shear test results of waterproof bonding layer

表4 防水黏结层拉拔试验结果Tab.4 Pullout test results of waterproof bonding layer

1.2 传感器

选用光纤光栅应变传感器进行应变测试，采集频率100Hz；选用特制封装Pt100温度传感器进行温度采集及应变温度补偿，采集频率1次·min-1.应变ε由式（1）确定：

式中：Δλ为传感器光纤光栅中心波长变化量，pm；αT为随结构标定的温度补偿系数，pm·℃-1；ΔT为相对于初始波长对应的初始温度的变化，℃；αε为传感器应变灵敏度系数，pm·με-1.

传感器布置于外侧行车道，在EA层底、SMA层底及铺装层表面上下层位对应安装埋设应变、温度传感器，并考虑轮迹横向分布及轮隙中心距等因素，布设方案详见图1.在相邻2个横隔板的中心直线上测试横向应变，传感器分别对应于第2个、第5个U形肋底部中心；在横隔板直线上测试纵向应变，传感器纵向对应于横向应变传感器.在距横纵向应变传感器外侧0.25m处分别布设1个温度传感器.加载试验过程中，气温为20～24℃，EA层底温度为19～21℃，SMA层底温度为20～24℃，铺装层表面温度为22～27℃.

1.3 加载车辆

采用东风中型货车作为加载试验车辆，车箱中满载袋装黄砂，其参数见表5.试验中后轴轮隙中心与传感器纵向布置线重合（如图1所示）.

图1 铺装结构中传感器布设示意（单位：m）Fig.1 Laid schematic diagram of sensors in the pavement structure（unit：m）

表5 加载车辆参数Tab.5 Loading vehicle parameters

1.4 加载试验

通过预定加载条件对钢桥面施加静态、动态荷载进行沥青铺装层在不同行车载荷条件下的力学响应分析.于2010年7月、2011年5月进行了2次实桥加载试验，加载试验项目主要有：①匀速试验.加载车辆以行驶速率20～60km·h-1匀速通过测点.②刹车试验.加载车辆在行驶速率20～60km·h-1下进行刹车，通过事先确定的刹车距离使应变测点位于刹车范围内.③静载试验.加载车辆在预定测点熄火静止5min.

2 试验结果分析

2.1 SMA层底应变

由所测的试验数据绘图分析可知，同一测点在行车荷载以不同速率匀速通过时的应变曲线变化趋势相同.因此，图2、图3分别仅以40km·h-1匀速、刹车条件下测试结果为例给出了SMA层底各测点应变的动态响应曲线.

图2 匀速动载时SMA层底应变动态响应曲线Fig.2 Real-time strain curves of SMA layer at a uniform velocity

综合分析图2及图3可知，①对于同一测点，匀速行车荷载作用下应变动态响应曲线与刹车时形态相同，具有显著突变和波动特性.②不同动载（匀速、刹车）速率下的应变时程曲线趋势相同，但变化幅值及响应时间存在差异.③SMA层底应变在不同轴重（前轴、后轴）作用瞬间具有一致的变化趋势，但动态应变响应随轴重增加而变大.④SMA层底的纵向、横向应变动态响应曲线具有不同特性.横隔板对应的纵向应变实时曲线表现为压-拉交替突变及波动特性.在车载作用瞬间，测点表现为受压；车载离开后，横向拉应变的迅速增大引起与其协同变化的纵向拉应变增大，随后纵向受拉状态逐步恢复.而2个横隔板中间对应的横向应变实时曲线仅表现为波动特性.在车载作用瞬间，测点表现为受压；车载离开后，测点压应变逐步恢复.

图3 刹车动载时SMA层底应变动态响应曲线Fig.3 Real-time strain curves of SMA layer under brake condition

综合分析表6及图4可知，①刹车作用下的SMA层底纵向、横向应变动态响应峰谷值及幅值大于匀速动载作用下相应值.②刹车作用下横向应变对轴重的敏感性（即应变值随轴重变化而产生的增减程度）小于匀速状态下，且横向应变幅值所受轴重影响较纵向应变更为显著.对于横向应变，匀速时后轴作用下的应变幅值为前轴下的2.8倍，刹车时为1.3倍；对于纵向应变，其值分别为2.0倍、1.7倍.③SMA层底纵横向应变在相对较大的轴重（即后轴）下随车速变化显著.④对应于第2个U形肋（应变1）的纵横向应变波谷值小于第5个U形肋（应变2）对应值，即远离纵梁约束的铺装上层层底受到车载的瞬间压应变程度更大.

由表7可知，动载作用下SMA层底应变小于静载条件下相应值，且横向应变比纵向应变受动载影响更大.具体表现为：前轴作用时SMA层底纵向、横向动态应变分别约为静载应变的55%，35%.

2.2 EA层底应变

由于施工扰动问题，EA层底只有1个横向应变传感器埋设成活，其布设于钢板环氧沥青混合料层底，未焊接于桥面板上.相比之下，上面层底及表面层光纤光栅应变传感器在埋设及加载中均表现成活且性能稳定，但下面层与钢板的百倍模量差异降低了应变传感器的成活率，在后续相关研究中需加强铺装下层与钢板间传感器的安装工作.

同SMA层底，EA层底应变在不同行车荷载速率下的动态响应曲线趋势相同.图5为在40km·h-1匀速行车荷载条件下的EA层底横向应变实时曲线，动态应变结果见表8（工况序号对应的加载条件与表6中相同），动载与静载应变结果比较见表9.

表6 不同动载条件下SMA层底动态应变Tab.6 Dynamic strains of SMA layer under different loading conditions

图4 SMA层底应变动态响应峰值、谷值、幅值间关系Fig.4 Relationship among peak，trough and amplitude of dynamic strain of SMA layer

表7 SMA层底静载与动载应变对比Tab.7 Contrast of static and dynamic strains of SMA layer

由图5可知，EA层底横向应变动态响应曲线趋势大致与SMA层底同，但对行车荷载离开后的反应存在差异：在车载作用瞬间，测点表现为受压；车载离开后，测点压应变恢复并表现为较小程度的受拉.

由表8可知，①EA层底横向应变几乎不受车速影响；后轴作用下的EA层底横向应变幅值为前轴作用下的4倍.②EA层底横向应变小于SMA层底，前者约为后者的1/5～1/3，且在刹车情况下的差异小于匀速条件下相应值.由表9可知，EA层底横向动静载应变均为压应变，且动态荷载作用下受压程度较大.

图5 EA层底横向应变动态响应曲线Fig.5 Real-time transverse strain curve of EA layer

表8 不同动载条件下EA层底横向动态应变Tab.8 Dynamic transverse strains of EA layer under different loading conditions

表9 EA层底静载与动载应变对比Tab.9 Contrast of static and dynamic strains of EA layer

2.3 铺装层表面应变

加载试验中，考虑车轮沿其行进方向会对应变传感器产生挫伤破坏，将表面纵向应变传感器布置于距离轮迹带中心外侧0.5m处，由于其已处于荷载作用范围以外（相关文献研究中距离d＞0.16 m），动载条件下表面纵向应变几乎不受荷载影响，与静态应变结果相符.在40km·h-1匀速荷载条件下，铺装层表面应变随动载工况发展的变化曲线见图6，动态应变结果见表10.

图6 铺装层表面应变动态响应曲线Fig.6 Real-time strain curves of surface at a uniform velocity

表10 不同动载条件下铺装层表面动态应变Tab.10 Dynamic strains of surface under different loading conditions

由图6及表10可知，①铺装层表面横向应变动态响应曲线具有波动性和突变性，且车速越大，横向应变越小.②铺装层表面应变对行车荷载的反应时间（自测点动态应变开始产生至恢复为零所需时间）远远小于其他层位（SMA，EA层底），仅约为0.1s.

由表11可知，与SMA，EA层底动静态应变对比关系不同，铺装层表面静载应变小于动载应变，且在不同轴重作用下表现不同.在前轴作用下，静载及动载时的表面横向应变相差不大；在后轴作用下，动载下的表面横向应变较大，这是因为静载试验时测点传感器位于双轮轮隙中，而动载试验时车轮可能正好压在测点传感器上.

表11 铺装层表面静态与动态应变对比Tab.11 Contrast of static and dynamic strains of surface

2.4 各层位应变特征分析

分析轮迹带范围内加劲肋及横隔板上方的铺装层应变，对于钢桥面铺装材料选型、铺装结构组合设计与优化及其疲劳开裂设计指标制定等都具有重要意义.

通过分析不同层位的应变特征可知，SMA层底应变的动态响应属于小应变水平，这主要是由于试验环境温度属于常温状态，加之车辆荷载的动态效应，铺装层表现为较高的劲度模量，从而使得上面层底应变水平较低.但SMA层底在某些工况下也会出现应变水平较高的情况（如2个横隔板间的横向应变），且动载下其拉压应变交替特性易造成铺装层的疲劳破坏；钢桥面铺装层间力学分析也表明，双层式铺装结构的层间出现的拉应变（力）水平十分可观，因此在桥面铺装结构设计中对于双层式铺装结构的层间受力状态应予以关注.

EA层底应变水平普遍小于SMA层底.这是由于EA层与钢板之间的环氧沥青黏结层为热固性材料，其具有良好的温度稳定性和极高的黏聚力，使黏结的上、下两部分充分结合，整体受力，提高荷载扩散能力，从而减小了层底应变水平.

铺装层表面拉应变是钢桥面铺装结构设计指标之一，以疲劳开裂作为设计标准时，控制铺装层表面的最大拉应变（力）不超过沥青混合料相应的容许值.笔者对上海市内近20座中小跨径钢桥面的沥青铺装进行现场调查，发现钢桥面铺装主要破坏表现为沿桥面纵向产生疲劳开裂，并伴随有一定的斜向裂缝，且裂缝的横向分布间距具有规律性.因此对于正交异性板钢桥面铺装设计，铺装表面拉应变仍是必须关注的设计指标.

相关分析表明，在标准荷载作用下，大跨径钢桥面沥青铺装层的表面拉应变水平为400×10-6～800×10-6［2，12］，远高于路面.从本文实测结果可知，梁式钢桥由于其结构稳定性良好，铺装表面应变为100×10-6～400×10-6，低于大跨径钢桥，病害程度低于后者.因此，对于面积小、总造价低的较小跨径钢桥面，现有大型钢桥面铺装设计、选材原则并不完全适用，本文测试结果可作为后续较小跨径钢桥面铺装设计及选材的参考.

3 动态应变幅值与车速

由应变动态响应曲线中2个相邻应变波峰（或波谷）间的时间差，即前轴、后轴作用于测点的时间间隔，以及加载车辆的前后纵向轴距，按照前后轴距与时间差的比值计算得到加载车速.图7为不同层位动态应变幅值与相应计算加载车速的关系.

图7 动态应变幅值与加载车速关系Fig.7 Relationship between dynamic strain amplitude and loading velocity

由图7可知：①横向应变幅值比纵向应变幅值对车速更为敏感.②铺装层动态应变幅值自上而下对轴重的敏感程度逐渐减小，但同一层位动态应变幅值在不同轴重作用下随车速的变化趋势相同.③由于铺装层表面动态应变幅值最大，所以路表为最容易发生破坏层位.因此，宜以表面动态应变幅值作为车速对桥面铺装影响程度的首要考虑因素，其他层位相应值作为参考.铺装层表面横向动态应变与加载车速的回归关系式为

式中：εt为铺装层表面横向动态应变，10-6；V为加载车速，km·h-1；R2为相关系数.试验中，当V=26 km·h-1时，表面横向动态应变最小；SMA层底在25.49km·h-1动载下取得最小值后趋于稳定；EA层底受车速影响较小.所以，可认为行车荷载为26 km·h-1时桥面铺装整体动态应变较为稳定.

4 结论

（1）对于同一测点，匀速和刹车作用下的动态应变具有相同的时程响应状态，但刹车条件下的动态应变值较大，结果可作为后续室内试验中考虑线形、坡度、速率等因素后放大系数的参考.SMA及EA层底的动态应变在一定程度上反映层间的应变状态，可作为室内铺装材料疲劳试验、沥青黏结体系试验中应变水平的参考.不同层位动态应变低于大跨径钢桥，可作为后续较小跨径钢桥面铺装设计及选材的参考.

（2）在动载作用下，横向应变大于纵向应变且两者动态响应特性不同.横隔板上方对应的纵向应变实时曲线表现为“压-拉”交替突变及波动特性.横隔板中间对应的横向应变实时曲线表现仅为波动特性，基本无拉压交替.

（3）动态应变随不同因素的影响表现为：动态横向应变自表面向下而减小，铺装表面动态应变远远大于上、下面层底部应变，而对车载作用的反应时间逐渐延长；动态应变随轴重增加、车速降低而增大，且自下而上横向应变幅值比纵向应变幅值对轴重、车速更为敏感；动载瞬间应变与静载应变间差异视层位不同而异.

［1］ Hameau W，Esslinger M.Die Stahlfahrbahn berechnung und konstruktion ［J］.Maschinen Fabrik-Augsburg-Nuernberg Forschung Sheft，1957（7）：305.

［2］ 吴胜东.润扬长江公路大桥建设：钢桥面铺装［M］.北京：人民交通出版社，2006.WU Shengdong.The collection of Runyang Yangtze River Bridge construction［M］.Beijing：China Communications Press，2006.

［3］ 方萍，伍波.钢桥面板及铺装的静载试验和有限元分析［J］.华东公路，2000（4）：38.FANG Ping，WU Bo.Static loading test and finite element analysis of steel bridge deck and pavement［J］.East China Highway，2000（4）：38.

［4］ 伍波，方萍.钢桥面铺装的有限元分析和环道模型设计［J］.公路，2001（1）：24.WU Bo，FANG Ping.Finite element analysis and circular model design of steel deck pavement［J］.Highway，2001（1）：24.

［5］ 童乐为，沈祖炎.正交异性钢桥面板疲劳验算［J］.土木工程学报，2000，33（3）：16.TONG Lewei，SHEN Zuyan.Fatigue assessment of orthotropic steel bridge decks［J］.China Civil Engineering Journal，2000，33（3）：16.

［6］ 黄成造.钢箱梁桥面铺装力学行为与结构优化研究［D］.西安：长安大学，2010.HUANG Chengzao.Study on the mechanical behavior and structure optimization of steel box Girder deck pavement［D］.Xi’an：Chang’an University，2010.

［7］ 沈桂平，曹雪琴.正交各向异性钢桥面板铺装的疲劳承载力试验研究［J］.上海铁道大学学报，1996（3）：100.SHEN Guiping，CAO Xueqin.Experimental study on pavement fatigue of orthotropic steel deck plate［J］.Journal of Shanghai Tiedao University，1996（3）：100.

［8］ 杨三强.钢桥面铺装加速加载实验研究［D］.西安：长安大学，2010.YANG Sanqiang.The accelerated testing study on the steel bridge deck Pavement［D］.Xi’an：Chang’an University，2010.

［9］ 李闯民，李宇峙.钢桥桥面沥青铺装层应变变化规律研究［J］.公路交通科技，2000，17（6）：1.LI Chuangmin，LI Yuzhi.Study on variation of strain in the surfacing of asphalt mixture on the steel bridge deck［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2000，17（6）：1.

［10］ 邵腊庚，张起森，李宇峙，等.直道钢桥面沥青铺装层动应变测试与分析［J］.公路，2001（1）：63.SHAO Lageng，ZHANG Qisen，LI Yuzhi，et al.Dynamic strain test and analysis of steel deck asphalt pavement layer on straight track test model［J］.Highway，2001（1）：63.

［11］ 胡光伟.大跨径钢桥面铺装体系力学分析与优化设计［D］.南京：东南大学，2005.HU Guangwei.Mechanical analysis and structural optimum design for deck paving of long-span steel bridge［D］.Nanjing：Southeast University，2005.

［12］ 黄卫.大跨径桥梁钢桥面铺装设计理论与方法［M］.北京：中国建筑工业出版社，2006.HUANG Wei.Theory and method of deck paving design for longspan bridge［M］.Beijing：China Architecture &Building Press，2006.