基于澆注式瀝青混合料的鋼橋面鋪裝層疲勞行為方程探究

呂建鋒 莫正華 王民,2 胡德勇

（1.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 400067；2.重慶交通大學，重慶 400074）

責任編輯/曹晶磊 美術編輯/王德本

鋼橋面鋪裝時鋪筑在正交異性鋼橋面板上的一層薄層構筑物，在運營過程中受到車輛荷載、環境溫度，以及支撐結構等的影響，會在U型肋、橫隔板（或橫向加勁肋）、縱隔板等加勁部位出現較大的負彎矩，進而導致頂面部位的瀝青鋪裝層出現較大的拉應變（拉應力）。

由于負彎矩的產生，鋼橋面鋪裝在車輛荷載的反復作用下，會由上往下產生裂縫。這種裂縫先從位于上面層的瀝青混合料頂面出現，然后再逐漸向下發展，直至達到鋼橋面板頂部。

本文以鋼橋面澆注式瀝青混合料+高彈改性瀝青SMA10鋪裝結構為研究對象，結合大跨徑鋼橋橋面鋪裝的受力特點，采用室內五點加載復合梁試驗，以及瀝青混合料四點彎曲試驗，對澆注式瀝青混合料鋪裝體系的疲勞特性進行研究。

一、試驗方案

（一）材料

澆注式瀝青混合料采用GA10級配和聚合物復合改性瀝青，性能指標如表1所示；改性瀝青SMA10采用高彈改性瀝青，性能指標如表2所示。

表1 澆注式瀝青混合料性能指標

表1 澆注式瀝青混合料性能指標

表2 高彈改性瀝青SMA10性能指標

表2 高彈改性瀝青SMA10性能指標

（二）試驗設備

試驗設備為澳大利亞產的伺服氣動四點彎曲疲勞試驗儀（試驗力≤4.5kN，最大控制應變不超過1200με，加載頻率為0.1Hz～10Hz）。

（三）試驗條件

在四點彎曲試驗過程中，試驗溫度和應變控制條件是瀝青混合料疲勞開裂的主要影響因素。因此試驗控制條件設置主要是試驗溫度和應變條件，試驗終止條件為勁度模量下降到初始勁度模量50%。

1.試驗溫度

在現行瀝青路面設計規范中，以15℃為測定瀝青混合料疲勞性能的試驗溫度，所以將試驗溫度設定為5℃、15℃和25℃。根據研究成果，該溫度區間可以涵蓋我國長江流域地區的疲勞當量溫度。

2.應變條件

應變條件主要是基于橋面系結構的有限元力學分析結果來確定。本文以某長江大橋為研究對象，選取橋梁結構節段為橫橋向取6個U型加勁肋和縱橋向取3跨，橋面系結構參數如表3所示。

在有限元分析過程中，采用綜合彎拉模量來完成力學驗算，鋪裝材料的模量如表4所示。

力學分析過程中瀝青混合料的泊松比采用內插法確定，泊松比取值如表5所示。

以相鄰兩橫隔板中間部位的U型加勁肋頂部最不利荷位，完成不同溫度和軸載條件下的力學驗算，推算出鋪裝層表面的最大橫向彎拉應變。最大彎拉應變與溫度和荷載的變化關系結果如圖1所示。

通過上述計算結果可知，鋼橋面鋪裝在不同溫度和軸載作用下，其表面彎拉應變在600με～800με之間，同時考慮到實際試驗需要，瀝青混合料四點彎曲疲勞試驗過程中應變條件取值如表6所示。

表3 正交異性板的幾何參數（mm）

表3 正交異性板的幾何參數（mm）

表4 材料模量參數（MPa）

表4 材料模量參數（MPa）

表5 材料泊松比取值

表5 材料泊松比取值

表6 試驗過程中采用的應變條件

表6 試驗過程中采用的應變條件

表7 疲勞次數與應變水平對應方程

表7 疲勞次數與應變水平對應方程

圖1 不同溫度和軸載作用下的橫向彎拉應變變化趨勢

三、疲勞開裂方程分析

瀝青混合料疲勞試驗是指采用四點彎曲疲勞試驗，在設定的試驗溫度下重復加載設定應變，以實測彎曲勁度模量達到初始彎曲勁度模量的50%對應的加載循環次數作為疲勞壽命次數。這表明，瀝青混合料在特定溫度下的疲勞壽命次數取決于加載應變水平的大小，兩者之間的關系可以采用下式進行表達：

Nf=A×ε-n

式中：Nf-疲勞次數/萬次；ε-應變水平/με；A、n-回歸參數。

基于3種試驗溫度下四點彎曲疲勞試驗結果，對疲勞次數與應變水平進行冪函數擬合回歸分析，如表7所示，其相關性系數R2達到0.8以上。

由于瀝青混合料的疲勞性能受溫度影響顯著，雖疲勞次數和應變水平都符合冪函數關系，但仍有一定差異，主要體現在參數A值的不同。因此，設定溫度T，對參數A和溫度T進行回歸分析，如圖2所示。

圖2 溫度T與參數A的函數回歸

通過回歸分析發現，參數A和溫度T之間符合e的指數函數關系，相關性系數R2=0.8425。

考慮到室內疲勞試驗結果和路面實際疲勞情況的差異性，例如，車輛荷載行駛同一區域或位置的間隔時間對瀝青路面恢復的影響，路面裂縫發展對路面結構性能的影響等，需要引入間歇時間和裂縫擴展修正系數。根據參考文獻和結合鋼橋面鋪裝受力狀況，間歇時間修正系數取5，裂縫擴展修正系數取1.5。

因此，鋼橋面澆注式瀝青鋪裝疲勞行為方程可以按照下式表征：

N=2.004e0.2761TE+16×ε-5.915

式中：N-疲勞開裂次數/萬次；ε-鋼橋面鋪裝層的彎拉應變/με。

四、結語

通過對鋼橋面澆注式瀝青+高彈瀝青SMA10鋪裝的有限元驗算，提取最不利荷位處的鋪裝表面最大應變，以此為基礎對瀝青混合料在選定的溫度和應變水平下的疲勞耐久性進行研究，推算出該鋪裝組合結構下的疲勞行為方程。從方程可以看出，疲勞次數與溫度呈e的指數函數關系，疲勞次數與應變條件呈現負指冪函數關系，低溫高應變下鋼橋面鋪裝極易出現開裂。