多角度下鋼橋面瀝青鋪裝層裂縫研究

白明舉 周智海 詹程陽

【摘?要】為深入剖析鋼橋面瀝青鋪裝層的裂縫病害，對國內外研究進行了綜述。首先，探討了不同鋼橋面瀝青鋪裝層裂縫類型及其成因;其次，分析了鋼橋面瀝青鋪裝層裂縫產生的機理;最后，研究了基于斷裂、損傷力學的鋼橋面瀝青鋪裝層裂縫開展行為。研究結果表明：鋼橋面瀝青鋪裝中的疲勞裂縫是其主要病害，主要可分為Top-Down型和Down-Top型。鋼橋面瀝青鋪裝層裂縫的行為可以采用疲勞、損傷、斷裂力學的理論方法，并通過應力強度因子、J積分、尖端張開位移等參數，在溫度、初始縫高比、初始縫深等因素下的變化進行判斷，并最終可以對鋪裝層的疲勞壽命進行預測。

【關鍵詞】鋼橋面瀝青鋪裝層;裂縫;疲勞斷裂;研究進展

Research on cracks in steel pavement asphalt pavement under multiple angles

Bai Ming-ju1，Zhou Zhi-hai2，Zhan Cheng-yang3

（1.Guizhou Duyun Highway Administration?Duyun?Guizhou?558000 ;

2.China Merchants Chongqing Communication Research & Design Institute Co.，Ltd?Chongqing?400067;

3.Chongqing Jiaotong University?Chongqing?400074）

【Abstract】In order to deeply analyze the cracks in the asphalt pavement of large-span steel bridge decks， the research at home and abroad is reviewed. Firstly， the crack types and their causes of different steel bridge deck asphalt pavements are discussed. Secondly， the mechanism of cracks in steel pavement asphalt pavement is analyzed. Finally， the steel bridge deck asphalt pavement based on fracture and damage mechanics is studied. Layer behavior. The results show that the fatigue cracks in steel pavement asphalt pavement are the main diseases. The fatigue cracks can be divided into two categories： Top-Down type and Down-Top type. The behavior of steel bridge deck asphalt pavement cracks can be adopted. The theoretical methods of fatigue， damage and fracture mechanics are judged by the factors such as temperature， initial joint height ratio and initial seam depth by parameters such as stress intensity factor， J integral and crack tip opening displacement， and finally paved. The fatigue life of the layer is predicted.

【Key words】Steel deck asphalt pavement;Crack fatigue and fracture;Research progress

1. 引言

（1）自上世紀30年代以來，世界各國橋梁的發展十分迅速，我國自90年代開始進入橋梁建設高峰期 [1]。以往的橋梁多屬于跨海跨江類大橋，且結構較為單一。隨著經濟的發展和交通的需要，許多省干線公路也通過橋梁架構進行路網間布局，并取得了顯著的社會效益，是未來的主流發展趨勢。其中鋼箱梁由于強度大、自重輕、優良的韌塑性、受風阻力小以及便于施工等優點，成為廣大道路橋梁設計者的首要選擇。

（2）鋼箱梁平衡了跨徑與自重之間的矛盾，但也對其上的瀝青層提出了更高的挑戰。受限于設計規范的局限性和對鋼橋面瀝青鋪裝層認識的不深入，我國早期的眾多省干線鋼橋瀝青鋪裝層僅被當作普通市政道路進行修建，導致橋面通車后短期內便產生了許多病害，如裂縫、車轍、坑槽、推移擁包及黏結層破壞等。其中又以疲勞裂縫最為嚴重和普遍[2]。裂縫的產生不僅使得橋面鋪裝的維修與養護消耗了額外的人力、物力，更是對鋼箱梁橋在省干線中的使用造成了制約。瀝青鋪裝層的疲勞開裂問題已成為了世界各國橋面鋪裝的“頑疾”[3]。近年來，經過各國學者的不懈努力，鋼橋面瀝青鋪裝裂縫研究已獲得初步進展。鑒于此，本文對國內外的研究進行歸納與總結，以期提高鋼橋面鋪裝設計和建設的科學性與合理性。

2. 鋼橋面鋪裝層裂縫類型及成因

2.1?主要裂縫類型。

（1）由于鋼橋面瀝青鋪裝和路面存在顯著差異，如圖1所示，同時在荷載的循環往復作用下，便會產生多種裂縫（路面和鋼橋面結構見圖1）。

（2）鋪裝層的裂縫主要可以分為兩大類：Top-Down型和Down-Top型，兩類裂縫在鋼橋面瀝青鋪裝層裂縫總量中達到了90%以上，其中又以第一類裂縫最為常見，部分統計數據見表1。Top-Down型裂縫主要在肋頂和橫隔板頂端間出現，多呈自上而下的延伸狀態，此類裂縫為鋼橋面瀝青鋪裝層的特有裂縫[4]，如圖2所示（Top-Down型裂縫見圖2） 。

（3）第二類是類似于普通瀝青路裂縫自下向上擴展的Down-Top型裂縫，多出現在一個縱肋的側肋之間和兩個縱肋的腹板之間，如圖3所示[5]。有關學者在對國內多座鋼橋瀝青鋪裝層進行跟蹤調研時發現，大多數橋面鋪裝都不同度的含有以上兩種裂縫[6]（Down-Top型裂縫見圖3）。

2.2?不同裂縫成因。

（1）Top-Down型裂縫和Down-Top型裂縫其各自的成因有所不同。Top-Down型裂縫的產生與正交異性板的構造關聯性較高。正交異形板通常由縱向加勁肋、橫隔板、鋼面板等組成。目前認為，板之間的多物理因素耦合是導致裂縫產生的主要原因。而Down-Top型裂縫更多的是由于瀝青鋪裝層與鋼面板之間不完全連續的層間接觸條件，以及層間防水粘結層的滑移失效引起的[6]。

（2）裂縫開展時期方面，Top-Down型裂縫一般先于Down-Top型出現，通常處于橋梁使用的初期階段，且不易被檢測發現。而Down-Top型裂縫則出現較晚，一般發生于橋面鋪裝設計年限中期或中后期。因此，當Down-Top型裂縫大面積出現在鋼橋面鋪裝時，說明其使用耐久性已經達到了臨界點，應及時對其進行矯正性維修或養護。而對于裂縫開展路徑方面，目前仍有部分爭議。主流觀點認為，由于縱肋內的瀝青鋪裝層底的橫向拉應力遠比鋪裝層表面的橫向拉應力大，因此Down-Top型裂縫先由層底進行開裂，然后傳至層頂，這也與眾多工程破壞實例是相一致[7]。但有關學者通過能量耗散原理對日本鋼橋面瀝青鋪裝層進行研究時發現，Down-Top型裂縫在層間完全接觸條件下，其出現位置是在車輪荷載的最外側。然而這與較多的實際觀測結果相反，僅符合少數工程實例，有待進一步研究。

2.3?其他裂縫。

除了主流的Top-Down型和Down-Top型裂縫外，橋面鋪裝還存在少量其他類型的裂縫，如：放射環狀裂縫、無規律短頭發絲狀的裂縫、U型裂縫[8]。放射環狀裂縫是由于鋪裝層中鼓包導致的。無規律短頭發絲狀的裂縫主要是由施工過程中質量控制環節的差異性引起的。U型裂縫則多是因為防水粘結層粘結力和抗剪切力較低，以及鋪裝層瀝青混合料的高溫穩定性不足造成的。

3. 鋪裝層裂縫產生的機理

由于汽車荷載和外界溫度等因素的反復變化，導致鋼橋面鋪裝層受到其內部擾動應力的反復作用，當局部區域受到過高的內部應力和應變時，便會產生對應的疲勞裂紋。根據疲勞和斷裂力學原理，疲勞開裂是一個發展的過程，包括疲勞裂紋萌生、穩定擴展及失穩擴展。

3.1?支撐條件。

瀝青鋪裝層與普通瀝青路面的支撐條件不同。普通瀝青路面是沿水平方向，在充分壓實后達到良好剛度和強度的路基板上鋪助的。而鋼橋面瀝青鋪裝層是鋪設在由縱向加勁肋、與縱向加勁肋正交的橫隔板、鋼面板組成的正交異性板上的[9～10]，一般為3至8cm的薄層，其簡化模型如圖4所示 [11]。這種正交異性板作為支撐條件時柔性較大，當行車荷載和溫度應力反復作用其上時，縱向加勁肋頂部、縱隔板以及橫隔板頂部更易受到影響，產生較大的橫向拉應力和橫向拉應變。當應力和應變超出震幅范圍時，便會產生一種自上而下的疲勞裂紋，即為Top-Down型裂紋，這種裂縫行為與普通瀝青路面在行車荷載作用下的受力模式是全然不同的。

3.2?溫度。

首先，由于鋼箱梁封閉或半封閉的縱向加勁肋引起的箱室效應，導致正交異性板溫度異常的高，通常可達70～80℃[12]。同時，鋼橋一般位于交通狀況極為復雜的咽喉地段，其溫度條件較普通瀝青路面更為惡劣，最終導致鋪裝層產生一系列的疲勞裂縫，對耐久性造成了嚴重損害。其次，瀝青具有感溫性，瀝青鋪裝層疲勞斷裂受溫度的影響很大。有研究表明，5℃為瀝青鋪裝層發生線彈性和彈塑性開裂的臨界溫度[13]。當溫度低于5℃時，鋪裝層發生脆性斷裂。值得注意的是，當水份侵入裂縫內產生水壓力時，溫度對鋪裝層開裂的影響又有所不同。當溫度在5～30℃范圍內逐漸升高時，鋪裝層彈塑性斷裂下的裂尖J積分值不斷增大，導致裂縫擴展的趨勢進一步增加[14]。

3.3?荷載條件。

（1）無論是對瀝青路面還是瀝青鋪裝層來說，重載、超載帶來的破壞都是毀滅性的，可以使疲勞等效下的當量軸次成百上千倍增加。我國車輛超載現象仍然十分嚴重。有關研究表明：過載30%時，鋼橋面鋪裝層引起的疲勞損傷是BZZ-190標準軸載的6倍;過載50%和100%時則分別是標準軸載的32倍及93倍[14]。

（2）綜上所述，鋼橋面板特殊的支撐條件、溫度條件、交通條件，促使了瀝青鋪裝層在行車荷載和溫度的反復作用下疲勞裂縫的產生。此外，光照、濕度、風荷載等一系列耦合因素更進一步對鋼橋面鋪裝的耐久性提出了挑戰。由于鋼橋面建設史在我國時期不長，同時其上的瀝青鋪裝層投入運營也多在20～30年間。因此，在后續的研究中探尋鋼橋面瀝青鋪裝層裂縫產生與發展更為詳細的機理，依舊擁有較高的平臺和廣闊的前景。

4. 基于力學的鋪裝層裂縫行為研究

4.1?基于斷裂力學。

斷裂力學源于20世紀50年代。其假定前提是構件中已存在裂縫，而后對該構件在不同行車荷載、溫度和濕度的循環作用下，進行裂縫平衡、穩定擴展、失穩斷裂規律研究[15]。斷裂力學主要針對各種含裂紋構件的研究，鋼橋面瀝青鋪裝層包含其中。國內學者對此進行了大量的研究。Salam等應用粘彈性損傷模型的能量轉換方法對瀝青鋪裝層的損傷場、應力應變場進行了分析[16]。以裂縫產生的機理和鋪裝層與正交異性板組合而成的復合體系的損傷場、應力應變場在荷載作用下的動態變化規律為基礎，最終得出了車輛軸載換算公式和瀝青鋪裝層疲勞性能方程，如圖5所示。研究結果成功應用于南京長江二橋實際工程中。