车致振动下简支梁桥铺装层界面剪切作用

2022-07-16王振宇鹿天豪史文华

土木工程与管理学报 2022年3期

王振宇，鹿天豪，史文华

(1.漯河市公路事业发展中心，河南漯河 462000；2.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230000)

截止2020年末，全国公路桥梁达91.28万座，其中中小跨度桥梁78.64万座(占86.15%)[1]，这些中小跨度的桥梁绝大多数为装配式简支结构。对于这类结构而言，由于较弱的约束条件致使结构振动加剧，桥面铺装层损伤累积也因此更为显著。同时，大幅振动及各主梁横桥向实际存在不同步、不同幅的振动现象进一步促进了结构横向联系(如横隔板、铰缝)失效。因此，简支装配式桥梁桥面铺装损坏非常普遍，且数量众多[2]。

桥面铺装(本文指沥青混凝土铺装层)作为保护桥梁上部主体结构免受车轮直接冲击和雨水侵蚀的重要部件，是车辆安全、舒适行驶的保障和先决条件。一旦桥面铺装出现病害，除了逐渐威胁结构安全外，还会降低车辆过桥舒适度，甚至引发桥面交通安全事故。可见，桥面铺装虽然默认为不参与结构承载，但其重要性不言而喻。从桥梁设计和运营维护角度而言，桥面铺装虽不是永久性构件，但仍需满足一定的服役年限后，再行维修更新。然而，实际工程中桥面铺装提早开裂、损坏的案例比比皆是[3]。究其原因，除了桥面铺装直接承受车辆冲击和“面广而薄”容易开裂的结构特点外，更重要的原因是其设计和施工质量控制的重视程度总体上不如桥梁主体结构。

在桥面铺装性能设计中，一般较少考虑结构振动对其影响，也未体现结构体系差异或跨度大小所带来的差别[4]。但工程调查反馈，跨度越大的装配式简支结构，桥面铺装实际易损度越高。其原因主要是因为简支结构跨度增大后，车辆作用下结构出现较大幅度的振动[5]，由此推高了桥面铺装层与下卧层界面的交变应力，反复作用的交变应力使界面疲劳损伤快速累积，在此背景下的桥面铺装病害出现的频率和程度更高。可见，仅从静力角度无法全面了解桥面铺装易损的内在原因，为此，赵岩荆等[6]通过建立简支箱梁、简支工字梁和三跨连续梁对比模型，研究认为车辆作用下桥跨的增长会导致铺装层产生更大的水平拉应力，但对剪应力的影响较小。无论是否考虑车辆冲击效应，王勋涛[7]研究认为，考虑动载作用的桥面沥青铺装层内部应力和结构位移均大于静载效应。工程调查和研究均认为[8,9]，考虑动态时程效应的桥面铺装设计更加贴近其实际工作状态，是降低桥面铺装病的重要理论基础。

从车致结构的反复振动中，探索桥面铺装的损伤机理，进而改进桥面铺装构造，近年来逐渐得到重视。徐勋倩[10]基于疲劳损伤度，通过复合梁疲劳弯曲试验，构建了钢桥面铺装疲劳损伤失效行为预估模型，提出了两种性能较好沥青混合料铺装结构组合方案，以改善钢桥面铺装易损的态势。另一种是基于刚度等效换算原理搭建钢桥面复合梁疲劳损伤模型[11]，文献[12]指出荷载水准对整体疲劳损伤影响最大，其次为铺装层厚度，材料模量的小范围波动对桥面铺装损伤影响不大。包括上述在内的既有桥面铺装损伤研究，主要集中于铺装层厚度[13,14]、材料性能[15]等方面对桥面铺装层的疲劳损伤影响，而较少涉及层间粘结性能对桥面疲劳损伤的影响，往往忽略层间剪切变形。然而，实际桥面铺装病害，从出现裂缝伊始，到后期坑槽和起皮，较多表现为沥青铺装层与下卧层之间的分离，其中涉及层间界面的剪切分离问题。

因此，针对简支结构桥面铺装病害相对高发的实际，从车致结构振动切入，深入分析桥面沥青铺装层与下卧层的层间动态响应。结合某大桥现场动态试验和模型缩尺疲劳试验，研究不同车速、水平冲击力和横向联系失效下的粘结界面层响应，了解车致振动下桥面铺装粘结层的失效机理，为装配式简支结构桥面铺装的合理设置和寿命延长提供参考。

1 桥面铺装层界面粘结弱化机理

桥面沥青铺装层与下卧层的粘结强度主要来自界面两侧材料间晶体相互交错抱合所产生的机械咬合力及酸、碱物质化学反应所形成的化学粘附力。虽然目前尚无桥面铺装层界面破坏的具体指标和完善的研究成果可供指导，但鉴于桥面铺装破坏，主要表现为粘结层分离，因此可以借助界面法向拉拔失效(σt max≤[σt]R，即当界面最大法向拉拔应力σt max超过界面极限抗拉强度[σt]R)、界面剪切破坏(τ≤[τ]R，即当界面剪切应力τ超过界面极限抗剪强度[τ]R)和疲劳破坏(即车辆荷载反复作用下将引起粘结层疲劳破坏)三项指标之一作为界定铺装层界面失效的判别条件。即界面法向拉应力、剪应力或疲劳应力三者中的任一项超出相关强度，可判定铺装层界面将发生开裂。

在移动载荷的反复作用下，桥面铺装与下卧层界面一致处于反复交变应力状态，根据李海池[16]的研究认为，结构振动所致的铺装层界面粘结力弱化是界面失效、进而引发桥面铺装破坏的主要原因。尤其对于简支结构，根据其车桥耦合运动方程(式(1))可知，与静态荷载相比，结构在车辆激励振动下，其所承受的载荷和振幅(竖向位移)均增大。这种放大效应除了与结构自身属性相关外，还与边界条件密不可分。而简支结构由于自身刚度低，实际支座容易出现脱空、老化，以及跨度增加时，车致结构振动更为显著。反复振动产生的交变应力加剧了铺装层界面疲劳裂缝的产生，而振动时刻不止，大量界面裂缝将相互贯通，不断发展，形成宏观裂缝，最后导致铺装层推移、拥包、起皮，直至破坏。

(1)

式中：{q}为广义位移向量，{q}={q1,q2,…qN}T；{F}为振型向量；[M]为广义质量矩阵；[C]为车辆阻尼矩阵；[K]为车辆刚度矩阵。

由此可见，简支结构桥面铺装破坏，更多地归咎于结构反复振动所致的界面疲劳或剪切破坏。因此，桥面铺装的合理构造、设计处理乃至施工控制技术，均离不开车致结构振动下桥面铺装界面层力学行为的深入了解。

2 沥青铺装层与混凝土界面的本构关系

为测定沥青铺装层与混凝土界面的法向及切向应力应变关系，也为确定铺装层界面失效判别标准及数值分析提供界面本构，制作了2组共计18个直径100 mm的标准试件(100 mm沥青混凝土+2 mm粘结层+100 mm混凝土)。养护28 d后，按标准分别进行直剪和拉拔试验，试验结果分别如图1a,1b所示，由此测试得到每组9个试件的平均切向及法向应力应变关系如图2。

图1 沥青铺装层与混凝土粘结层试件

图2 沥青铺装层与混凝土界面本构关系曲线

对图2所示的本构关系进行拟合，分别得到沥青铺装层与混凝土界面的切向和法向本构关系如式(2)，(3)：

(2)

(3)

式中：τ，τ0分别为界面剪应力、初始剪应力；σ，σ0分别为法向拉应力、初始拉应力；H1，H2分别为剪切峰值应力、法向峰值应力；εs，εn分别为剪切峰值应力、法向峰值应力对应的微应变值；s1，s2分别为曲线对应区间的峰宽。

根据试验测试获得，当界面涂刷一层沥青粘结层后，铺设沥青混凝土层，标准养护后，测得界面剪切应力峰值为0.24 MPa，界面法向拉应力峰值为0.05 MPa。

3 车致振动下的沥青混凝土铺装层与混凝土界面力学性能

为深入了解沥青混凝土铺装层与混凝土界面的力学性能，分别基于数值分析、现场测试和模型疲劳试验三方面开展研究[17]。

3.1 界面力学效应分析

分析基于沙河大桥(跨径50 m的简支T梁)进行，桥面结构为120 mm厚沥青混凝土铺装层+2 mm粘结层+100 mm混凝土现浇层，界面接触模型采用试验测试得到的本构关系，铺装层、粘结层、主梁及横隔板接触位置始终处于连续接触状态，各构件作为整体共同承担外界荷载作用，利用ABAQUS建立桥梁实体模型(图3a)。以一辆55 t的车沿桥面车道线按60 km/h的车速行驶过桥面，荷载作用过程中，铺装层、粘结层、主梁以及横隔板均处于线弹性工作状态，计入结构振动效应影响，得到跨中截面对应的铺装层与下卧层界面(以下简称L/2界面)的时程效应，并与静态载荷效应对比分析(图3b～3d)。

从图3分析可知，计入结构振动效应后，界面挠度和剪切应力均大于相应的静载效应，挠度提升了14.6%，尤其界面剪切应力从11.2 kPa大幅提高到26.9 kPa(图3d)，上升了140.2%，相反界面法向应力有所下降(图3c)，从静载时的96.2 kPa小幅下降到92.7 kPa，这也说明了铺装层与下卧层一般不至因法向应力超限而破坏。

计入振动效应后，界面所有效应均存在明显的反复交变现象，尤其界面剪切应力表现最为显著，其正负幅值从26.9 kPa反向降到-18.1 kPa(图3c)，所引发的界面剪切疲劳损伤是铺装层面病害的主要贡献来源，而仅从静力视角无法窥探究竟。

图3 有限元模型及L/2界面动、静载效应

此外，为探究车辆的制动或启动加速桥面沥青铺装层病害演化，考虑不同车辆制动力对铺装层界面的影响(图4，图中水平力系数代表不同的制动力大小，该系数为桥面行驶车辆重量的比值)。从图4a可见，不同制动力下的界面法向应力改变不大，增幅均小于3%，表明在不同制动力下，铺装层界面发生脱粘破坏的可能性较小。但根据图4b，不同车辆制动力下，桥面铺装层界面剪切应力发生较大的改变，随着制动力提高而增大，越快的车速或质量越大的车辆在桥面制动，将越加剧桥面铺装层发生剪切破坏。为此，实际工程中，应尽可能保持桥面平整，及时修补桥面坑槽，有利于降低车辆与桥面之间的摩擦作用，相应减轻了车辆对桥面的水平制动力。

图4 不同制动力下的界面应力

由于装配式简支结构的横系梁(或铰缝)容易开裂，导致该类结构的横向联系削弱或失效，进而严重影响桥面铺装的整体性，通常在横隔板失效对应的桥面处发生顺桥向裂缝。同时，研究表明，横向联系失效降低了界面应力横向传递的能力，导致车辆制动时界面层的剪切应力增大(图5)。从图中可见，当T1-T2主梁(图3a)和T2-T3主梁(图3a)之间的横隔板依次失效时(此时T梁翼缘板仍然默认完整，钝化横隔板横向约束)，T1主梁对应的桥面铺装界面顺桥向剪应力分别增加了14.8%和8.4%，加速了桥面铺装病害。在此情况下，车辆冲击所致的界面疲劳损伤也大幅提升(见3.3节)。

图5 横隔板失效下T1梁界面顺桥向剪切应力

3.2 界面层实测应变分析

为验证车辆匀速行驶和桥面障碍物影响下的界面层剪应变分布规律，在沙河大桥沥青铺装层与混凝土下卧层界面埋设传感器(埋置在混凝土层表面，测试界面剪切应变，图6)，一辆总重40.21 t的三轴汽车分别以10，20,30 km/h的速度在桥面匀速行驶，并在传感器对应的桥面位置设置12 cm高的障碍物模拟车辆冲击，测试得到界面应变如表1。

图6 界面层应变现场测试

表1实测剪切应变表明，随着桥面车辆行驶速度从10 km/h增加到30 km/h，T1，T2，T3梁 (图3a) 跨中截面对应的铺装粘结层剪切应变随之增大，行车道对应的主梁(T1梁)界面层剪应变分别提高了7.2%和16.5%，横向其余各梁的剪应变也有所提高。即便不计入车辆匀速行驶所造成的界面效应，桥面障碍物的存在也将导致界面层发生剪切效应(表1)。因此，若桥面存在坑槽等不平整病害，实际大幅增加了界面剪切破坏的风险。

表1 车辆匀速行驶及跳车实测界面剪切应变 με

3.3 车辆冲击下的界面疲劳模型试验

3.3.1 模型设计

试验以沙河大桥50 m装配式简支T梁为原型桥，对桥梁模型进行简化。模型单片T梁长1500 mm，翼缘宽100 mm，共计4片T梁，顺桥向每隔500 mm设置梁间横隔板，桥面铺装采用2 mm厚的整板，材料均采用透明度高的亚克力板，尽可能模拟实桥，模型各物理量相似比尺[18,19]见表2。

表2 试验模型相关物理量相似比尺

3.3.2 试验方案

为了解长期车辆冲击下简支装配式桥桥面铺装界面层的疲劳响应，试验共设计了横向联系完好和失效两个工况，分别测试疲劳冲击载荷作用下，界面层的剪切应变变化规律。

试验模型及试验测点布置如图7所示。

图7 试验模型及应变片布置/mm

冲击疲劳试验载荷的取值根据JTGD60—2015《公路桥涵设计通用规范》，并选取重车重量的40%～60%作为疲劳循环荷载的上限[20]，经相似比尺换算得到模型试验冲击疲劳载荷为0.2kN(50.5%)，疲劳加载频率为1.5Hz，理论加载循环次数取100万次。

3.3.3 模型相似性验证

正式冲击疲劳试验之前，对模型与原桥的动力性能相似性进行验证。由表1，现场测试桥面障碍物冲击作用下，T1梁跨中截面对应的界面层剪切应变为57με，模型单次冲击加载测得界面层应变值为49με，两者差值为8με，误差率为14.0%。鉴于模型截面尺寸简化及制作误差等原因，该差异可以接受，模型基本能反映实桥铺装层界面车辆冲击疲劳效应。

3.3.4 试验结果及讨论

为提高数据采集率，单次加载循环采样频率取为20，对不同的循环加载阶段，取前后50次加载循环的应变均值作为该阶段的平均测试应变，由此得到界面侧不同位置测点的剪切应变(图8)。

图8 冲击疲劳下的界面剪切应变(横向联系完好状态)

由图8分析可知，在循环冲击荷载持续加载过程中，界面层的剪切应变持续增加，疲劳损伤不断累积。在前20万次循环加载中，各测点应变随循环次数增加而呈现线性增大，虽然近加载点的剪切应变大于远离点，但该阶段差异并不显著。当加载循环介于20～60万次之间时，界面层的剪切应变虽仍然随加载次数的增加而增大，但其增加的速率明显降低。一旦加载次数超过60万次，所有测点的剪切应变均下降，表明界面层损伤累积越趋严重，并逐渐发展为层间分离，桥面铺装层开始破坏。此外，冲击疲劳测试还表明，当车辆冲击超过一定次数后(图8，模型试验20万次)，各测点的剪切应变差异性越趋显著，远离加载点的界面层剪切应变明显小于加载点附近测点，说明在此之后，虽然车辆冲击疲劳还未导致界面层出现宏观裂缝，但累积的界面损伤已经影响到铺装层与下卧层之间的粘结程度。由此可见，车辆冲击导致的结构长期振动，导致桥面铺装界面层持续承受疲劳损伤，加剧了桥面铺装的病害发展。

前述分析可知，装配式简支结构的横向联系容易失效，导致桥面铺装病害加剧。为此，冲击疲劳模型试验模拟横隔板失效的情况，获得其界面层剪切应变演化规律(图9)。从图可见，对于装配式简支结构，一旦横向联系失效或削弱，桥面铺装界面层的剪切应变显著大于横向联系完好状态下的，车辆冲击导致的界面层疲劳寿命降幅超过100%。此外，与横向联系完好状态时相似，各测点处在前20万次加载过程中随着循环次数增加，剪切应变随之相应增加，但显著不同的是，在此之后直到界面宏观裂缝出现，各测点的剪切应变几乎没有变化，表明在此之后界面疲劳损伤累积已经接近开裂状态。而且，对于装配式简支结构，横向联系失效大幅度降低了各主梁对应的界面层共同参与受力，根据横向联系完好与失效下的界面剪切应变测试结果对比(图10)，在达到同等程度疲劳损伤的前提下，横向连接失效比有效横向连接提前了约15万次，车辆冲击疲劳下的界面局部剪切应变集中加速了桥面铺装病害及其程度。