钢桥面浇注式沥青+改性沥青SMA 铺装结构疲劳抗裂性能评估

王 民，万国琪，胡德勇，李开一

（1.重庆交通大学土木工程学院，重庆市 400067；2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆市 401336）

0 引 言

钢桥面铺装作为桥梁工程的重要组成部份，一直是一个世界性难题，倍受行业与社会关注[1-4]。在我国特殊的交通、气候条件下，钢桥面铺装在运营早期病害频发，大跨径钢桥桥面铺装使用寿命难以达到设计寿命。疲劳开裂是一种最常见的钢桥面早期病害，如我国1997 年建成的虎门长江大桥、1999 年建成的江阴长江公路大桥、2000 年建成的南京长江二桥等均出现了不同程度的疲劳开裂病害[5-6]。此类病害对沥青路面的行车舒适性和安全性影响并不大，但其破坏了钢桥面结构的整体性和连续性，雨水通过裂缝渗入铺装层内部，在行车载荷作用下发生冲刷和唧泥现象，进而加速铺装层的破坏，导致松散、坑槽等病害的出现，这不仅降低了行车舒适性，还增加了行车的危险性[7]。

目前国内大跨径钢桥基本采用的是正交异性钢桥面板支撑结构，U 肋、横隔板以及纵腹板等起到加劲作用，但同时也造成了该部位钢桥面铺装产生应力集中，反复出现弯拉应力，引起疲劳开裂。针对钢桥面铺装出现的疲劳开裂，徐伟[8]等基于沥青材料的黏弹性分析了钢桥面铺装材料疲劳损伤特征；黄文通[9]等基于应变条件下的弯曲试验分析了不同钢桥面铺装材料的疲劳性能；张顺先[10]等建立环氧沥青混凝土铺装材料疲劳寿命预估模型。

本文基于马鞍山长江公路大桥钢桥面铺装的铺装材料和使用条件，建立疲劳开裂预估模型，为今后我国大跨径钢桥面铺装使用状况进行预测，并指导钢桥面铺装的养护工作，可有效促进钢桥面铺装的使用品质及耐久性提升。

1 材料及实验条件

（1）铺装材料

高弹改性SMA 具有优异的随从变形能力和抗疲劳开裂性能，与正交异性板有很好的适配性，形成了国内应用最为广泛的典型铺装——浇注式沥青混合料+高弹改性SMA 组合结构。因此，在研究过程中，选用高弹改性SMA10 作为研究对象进行疲劳试验。高弹改性沥青技术指标见表1，高弹改性SMA10 最佳油石比为6.4%，聚酯纤维用量为0.2%，混合料技术指标见表2。

表1 高弹改性沥青技术指标

表2 高弹改性S MA10 混合料技术指标

（2）实验条件

四点弯曲试验采用澳大利亚的气动伺服四点弯曲试验仪，试验采用偏正弦波加载，加载频率为10 Hz，采用应变控制模式。试验过程中，设定3 种试验温度，每种温度下设定3～4 个应变水平。每组试验进行3 组平行试验，以劲度模量降低50%为判断疲劳失效标准。具体试验条件见表3。

表3 四点弯曲疲劳试验条件

2 铺装材料疲劳行为方程

2.1 试验结果

根据上节设定的试验条件，制作成型试件（380 mm×63.5 mm×50 mm）进行四点弯曲试验，试验结果见表4。由试验结果可以看出，在高温区域，高弹改性沥青SMA10 表现出比较好的疲劳特性，在低应变条件下几乎不出现开裂，即使在高应变条件下也表现出优异的疲劳耐久性；在低温区域，沥青混合料的劲度模量较高，抗疲劳开裂能力明显下降。

表4 四点弯曲疲劳次数 单位：万次

2.2 疲劳行为方程

根据不同温度和应变条件下的试验结果，对疲劳次数与应变水平进行回归分析，得到不同温度时的疲劳次数与应变水平的指数关系曲线，如图1 所示。从图1 可知，三条回归曲线的相关性系数R 都大于0.9，说明疲劳次数与应变水平之间具有显著性的相关性。

图1 不同温度下的疲劳次数与应变水平的对数关系

在室内疲劳试验时，考虑试验条件比桥面铺装的更实际受力条件严格，如室内试验时荷载间歇时间要远低于铺装层实际的荷载情况，荷载间歇时间短将加速裂缝的扩展。为了使室内试验结果较准确地反应桥面铺装实际情况，需要采用修正系数对室内试验结果进行修正，以代表实际铺装层疲劳状况。考虑到间歇时间、裂缝扩展时间等因素的影响，采用的修正系数为5[11]。修正后的高弹改性沥青在每种温度下的应变疲劳方程见表5。

表5 疲劳试验回归结果

其中，N 为荷载疲劳次数，ε 为应变水平。

3 钢桥面铺装疲劳开裂预估模型

3.1 钢桥面拉应变有限元分析

建立基于马鞍山长江公路大桥结构条件的有限元计算模型，对GA+SMA 铺装结构的力学响应状态进行力学分析。通过采用solid95 单元模拟桥面铺装结构层和钢箱梁顶板，采用shell93 单元模拟加劲肋和横隔板等除顶板之外的正交异性钢桥面板组件。同时，考虑到计算机计算能力和精度的平衡，不同部位的单元划分有所侧重，对加载区域的单元划分进行了适度的加密。

在对铺装结构进行荷载响应力学分析时，采用公路Ⅰ级荷载车辆荷载的双后轴（2×140 kN）作为基本荷载，冲击系数选为1.3。有限元分析时正交异性钢桥面板的几何参数见表6，铺装下层浇注式沥青混合料GA10、上层高弹改性SMA10 力学参数见表7。

表6 正交异性钢桥面板几何参数 单位：mm

表7 沥青混合料力学参数取值

通过实桥结构条件的有限元模型，分析了不同温度状态下的钢桥面铺装层表面最大横向弯拉应变，分析结果见表8。

表8 不同温度下的铺装层出现的弯拉应变

3.2 温度区间内钢桥面铺装预估荷载作用次数

将计算出的不同温度下的铺装层最大弯拉应变代入疲劳方程中，计算不同温度下的铺装层预估荷载最大作用次数，计算时安全系数选为1.3，计算结果见表9。

表9 铺装层预估荷载作用次数

3.3 温度区间内钢桥面铺装标准轴载作用次数

马鞍山长江公路大桥位于长江下游，该地区年平均温度为15.9 ℃，一年中最热月为7 月，平均温度为28.3 ℃，最冷月为1 月，平均温度为2.9 ℃。每月气温的统计结果见表10。

表10 马鞍山长江公路大桥桥区逐月平均气温 单位：℃

根据统计结果，按照5℃、15℃、25℃温度区间进行划分，其中5℃代表的月份为12 月、1 月、2 月，15℃代表的月份为3 月、4 月、5 月、10 月、11 月，25℃代表的月份为6 月、7 月、8 月、9 月。

同时，根据温度时间分区（5℃、15℃、25℃），各温度区间长度在一年中所占的比例分比为3/12、5/12、4/12，假设每年内的交通量在时间长度上平均分布，则可根据温度区间所占的时间比例计算出在路面设计使用年限内各温度区间的标准轴载作用次数。

马鞍山长江公路大桥钢桥面铺装以公路-Ⅰ级荷载为设计标准轴载，根据初步设计对交通量预测的结果，现按照设计年限内一个车道标准轴载的累计当量轴次为23.2×106次计算。根据以上温度区间所占的时间比例，可得到设计年限内一个车道在各温度区间内累计当量轴次数，见表11。

表11 不同温度区间的标准轴载作用次数

3.4 钢桥面疲劳开裂预估模型

用于疲劳损伤计算公式为

式中：PLDi为疲劳损伤度；Nsi为标准轴载实际作用次数；Nyi预估荷载最大作用次数。每个温度区间下的疲劳损伤度计算结果见表12。

表12 不同温度下的疲劳损伤度

结合路面的疲劳损伤度和设计使用年限内的标准轴载累计作用次数可确定建立钢桥面铺装疲劳寿命SMpl，其预估模型为

式中：SMpl为钢桥面铺装疲劳开裂时的寿命，以预估疲劳荷载作用次数表示；Nsi为第i 个温度区间的设计年限内的标准轴载作用次数。

根据马鞍山长江公路大桥钢桥面铺装预估模型和设计年限内的标准轴载作用次数，可以计算出当浇注式沥青混凝土GA10+高弹改性SMA10 铺装结构出现开裂时标准轴载作用次数将达到2.48×106次。按照设计年限为15 a 的累计标准轴载次数计算，马鞍山长江大桥钢桥面铺装出现疲劳开裂时的寿命为16.0 a。

高弹改性沥青是针对钢桥面铺装使用特点开发出来的一种沥青结合料，具有非常好的低温延度，其5℃延度一般要求大于50 cm，远远优于普通的改性沥青。采用该种沥青拌制的沥青混合料SMA10（称为高弹改性SMA10） 也具有优异的抗开裂性能，其-10℃低温弯拉应变是普通沥青混合料2～3 倍，其四点弯曲疲劳次数是普通沥青混合料的8～10 倍。正是由于高弹改性沥青优异的抗疲劳开裂能力，使其更好地适应了钢桥面铺装反复出现大变形的特点，有效遏制钢桥面铺装疲劳开裂病害的出现。

4 结 论

（1） 高弹改性SMA10 疲劳寿命受温度影响显著。在相同应变条件下，温度每升高10℃，其疲劳寿命提升4～5 倍；温度越高，其疲劳寿命提升的幅度越大。因此，在高温期，钢桥面铺装几乎不会出现开裂。

（2）高弹改性SMA10 在不同温度区间，疲劳开裂作用次数与所承受的应变条件之间存在指数函数关系，相关性系数均大于0.9，表明所建立的疲劳方程能很好地揭示高弹改性SMA10 的疲劳行为。

（3）从疲劳行为方程可以看出，应变条件对高弹改性SMA10 的影响显著。而钢桥面铺装出现的大部分应变都是由于车辆荷载所引起的，且重载车辆往往容易引起更大的变形，这也揭示了重载车辆是造成钢桥面铺装开裂的一个重要因素。

（4）通过疲劳行为方程以及实桥最大弯拉应变的有限元力学计算结果，推导出钢桥面铺装疲劳寿命预估模型。通过疲劳寿命预估模型，计算出浇注式沥青混合料GA10+ 高弹改性SMA10 铺装结构出现开裂的疲劳寿命为16 a。这表明：在钢桥面铺装的设计年限内（15 a），浇注式沥青混合料+ 高弹改性SMA10 铺装结构不会出现开裂，这位大跨径钢桥桥面铺装方案的选择提供了理论依据。