冬季极端气候下城市快速路钢桥面铺装力学响应

刘莲娟，张 勐

(1. 江西省天驰高速科技发展有限公司，江西 南昌 330000；2. 交通运输部公路科学研究院，北京 100088；3. 道路结构与材料交通运输行业重点实验室，北京 100088)

0 引言

冬季极端气候的环境温度通常最低能达到-45 ℃，极端的气候条件要求钢桥面铺装的材料和结构具有较高的低温力学性能。在行车荷载作用下，钢桥面环氧沥青混凝土铺装易发生铺装疲劳开裂、车辙及黏结层失效等病害，损害桥梁结构的稳定性与耐久性。

现有研究主要集中于钢桥面铺装体系的静荷载响应、动力响应及温度效应分析，多采用单轮荷载进行加载，铺装层模量多采用常温(30 ℃)时的模量。侯贵等[1]通过系列低温试验研究了不同沥青混合料劲度模量、劈裂强度、弯曲蠕变柔量随温度变化的规律，结果表明浇注式沥青混凝土具备良好的低温性能。张德佳等[2]对钢桥面铺装数值分析模型的尺寸大小、约束、边界条件进行了优化研究，并通过实测钢桥面铺装的力学响应验证了优化模型的有效性；钱振东等[3]利用有限元软件，把正交异性钢桥面板与铺装层视作受力整体，对铺装层进行了受力分析，并根据正交异性铺装层体系中局部区域容易产生破坏的特性，总结了桥面铺装的力学控制指标以及铺装层参数对于铺装层力学响应的影响规律；成峰[4]建立了车辆移动荷载下钢桥面铺装体系模型，研究了在不同车辆移动荷载作用下铺装体系的受力特点；逯彦秋等[5]研究了钢桥面层温度场的分布特征，并对钢桥面层的温度分布规律进行了分析。在润扬大桥沥青铺装层摊铺过程中，刘其伟等[6]对断面测点的温度开展动态测量，采集了钢-混凝土组合箱梁内部的温度分布并分析了其变化规律。对冬季极端气候钢桥面铺装在不同铺装厚度、不同铺装材料工况下力学响应的研究较少。

因此，以钢桥面铺装的最大拉应力、最大拉应变、最大竖向位移及层间最大剪应力为力学控制指标[7-9]，采用数值模拟的方法建立钢桥面铺装体系模型，计算不同服役温度和不同铺装层厚度组合等条件下，“双层EA”结构和“下层EA+上层SMA”结构的铺装层上表面最大拉应力、最大拉应变、最大竖向位移及层间最大剪应力，研究冬季极端气候下快速路钢桥面铺装的力学响应及适合的铺装方案。

1 城市快速路钢箱梁桥桥面铺装模型的建立

1.1 钢桥面三维铺装体系模型

通过ABAQUS软件建立钢桥面三维铺装体系模型，如图1所示，采用局部正交异性板结构模型，在钢桥的纵桥向设置3跨(4块横隔板)，横桥向设置7个U型加劲肋。根据实际桥梁设计参数，钢桥面铺装体系模型详细参数如表1所示。

表1 钢桥面铺装模型参数(单位:mm)

图1 钢桥面铺装体系模型

1.2 荷载作用位置

依据对桥梁工程的实际调研情况，横向拉应力导致的桥面铺装层纵向裂缝是桥面铺装的主要病害[10-12]，因此对桥面铺装力学分析的主要控制指标为位于纵向加劲肋顶部铺装层上表面的最大横向拉应力；而位于横肋顶部铺装层上表面的最大纵向拉应力是引起桥面铺装层横向裂缝的主要因素，将其作为次要控制指标。采用双轮荷载，荷载大小为标准轴载下的轮胎接地压强0.7 MPa。双轮荷载对称布置于铺装层上表面，同时位于横肋顶部、纵向加劲肋肋边顶部，如图2(a)所示。双轮荷载的作用范围为200 mm×180 mm×2，如图2(b)所示。

图2 荷载的设置

1.3 力学控制指标输出

钢桥面铺装常见病害有疲劳开裂、车辙及黏结层失效等，钢桥面铺装的疲劳开裂是由于铺装层表面受到拉应力和拉应变的作用导致，且钢桥面铺装产生最大拉应力、最大拉应变处更易发生开裂；车辙病害是由于桥面铺装层的抗永久变形能力过低引起；黏结层失效是铺装层与钢板之间结合界面的抗水平剪切力不足导致[13-14]。选取最大拉应力、最大拉应变、最大竖向位移及层间最大剪应力等力学控制指标，评价钢桥面铺装的力学性能，并通过各力学控制指标，提出能够适应冬季极端气候的快速路钢箱梁桥桥面铺装方案。

2 铺装层厚度对钢桥面铺装力学控制指标的影响

选取10 ℃时环氧沥青混凝土、SMA和钢板的模量和泊松比，如表2所示。钢桥面沥青混凝土铺装层总厚度一般为50～80 mm[15-17]，本节讨论铺装层厚度对钢桥面铺装力学控制指标的影响。选取“下层3 cm+上层3.5 cm”(厚度方案I)、“下层2.5 cm+上层3.5 cm”(厚度方案II)和“下层3 cm+上层4 cm”(厚度方案III)3种铺装厚度组合，计算3种铺装厚度组合下“双层EA”与“下层EA+上层SMA”两种铺装方案的各力学控制指标，并根据计算结果，初步比较冬季极端气候下快速路钢箱梁桥的铺装厚度方案。计算结果如图3所示。

表2 钢桥面体系各材料参数

由图3可以看出，对3种桥面铺装层厚度方案的上表面最大拉应力、最大拉应变、最大竖向位移及层间最大剪应力进行比较，均符合“下层2.5 cm+上层3.5 cm”结构>“下层3 cm+上层3.5 cm”结构>“下层3 cm+上层4 cm”结构的规律，说明“下层3 cm+上层4 cm”结构可抗疲劳开裂、永久变形、层间脱黏性能最优，故快速路钢箱梁桥推荐使用“下层3 cm+上层4 cm”的铺装厚度组合。本节主要计算了10 ℃时“双层EA”与“下层EA+上层SMA”铺装方案的各力学控制指标，由于不同温度下沥青混合料的材料属性差异较大，提出能够适应冬季极端气候的快速路钢箱梁桥铺装材料方案需进一步考虑温度因素的影响。

图3 铺装层厚度对钢桥面铺装力学控制指标的影响

3 温度对钢桥面铺装力学控制指标的影响

沥青混合料温度依赖性较高，温度对沥青混合料模量的影响较大[18-21]。冬季极端气候的环境温度通常最低能达到-45 ℃，同时考虑钢箱梁的特性，在夏季易产生箱体不通风、散热速度慢等问题，相比于传统的桁架梁桥钢箱梁桥面钢板温度会高10 ℃以上[16]。研究冬季极端气候下快速路钢箱梁桥桥面铺装设计的工作温度范围为-45～50 ℃，计算不同温度下“双层EA”与“下层EA+上层SMA”两种铺装方案的各力学控制指标，并根据计算结果，提出能够适应冬季极端气候的快速路钢箱梁桥铺装材料方案。不同温度下沥青混合料的模量如表3所示，计算结果如图4所示。

表3 不同温度下沥青混合料的模量(单位：MPa)

图4 温度对钢桥面铺装力学控制指标的影响

由图4可以看出，两种铺装结构铺装层上表面的最大纵向、横向拉应力及层间最大剪应力均随温度降低而变大，而最大拉应变与最大竖向位移均随温度降低而变小；相同温度下，“下层EA+上层SMA”结构上表面的最大纵向、横向拉应力均小于“双层EA”结构，说明“下层EA+上层SMA”结构的抗疲劳开裂性能优于“双层EA”结构；两种铺装结构铺装层上表面最大拉应变、最大竖向位移及层间最大剪应力相差不大。结合3.1节快速路钢箱梁桥的铺装厚度推荐组合，“下层3 cmEA+上层4 cm SMA”铺装方案能够适应冬季极端气候的工况。

4 结论

(1)对3种铺装层厚度方案的铺装层上表面最大拉应力、最大拉应变、最大竖向位移及层间最大剪应力进行比较，均符合“下层2.5 cm+上层3.5 cm”结构>“下层3 cm+上层3.5 cm”结构>“下层3 cm+上层4 cm”结构的规律。

(2)“双层EA”铺装结构与“下层EA+上层SMA”铺装结构的上表面最大纵向、横向拉应力及层间最大剪应力均随温度降低而变大，最大拉应变与最大竖向位移均随温度降低而变小；相同温度下，“下层EA+上层SMA”铺装结构的上表面最大纵向、横向拉应力均小于“双层EA”结构，两种铺装结构铺装层上表面最大拉应变、最大竖向位移及层间最大剪应力相差不大。

(3)“下层3 cmEA+上层4 cmSMA”铺装方案能够适应冬季极端气候的工况。

主要研究了钢桥面铺装静荷载响应，由于实际钢桥面铺装使用过程中，荷载作用的主要形式为车辆移动荷载的重复作用，对于移动荷载和重复荷载作用下钢桥面铺装的力学响应仍需进一步研究。