材料粘弹性对沥青混凝土钢桥面铺装结构疲劳寿命预估的影响.pdf

公路交通技术2 0 1 5年 1 0月 第 5期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t O c t 2 0 1 5 N o 5 D O I ： 1 0 1 3 6 0 7 j c n k i g l j t 2 0 1 5 0 5 0 1 9 材料粘弹性对沥青混凝土钢桥面铺装结构 疲劳寿命预估 的影响 任开亮 ，黄天贵 ， 赵国云 ( 1 中交第一公路工程局有限公司，北京1 0 0 0 2 4 ； 2 重庆鹏方路面工程技术研究院有限公司，重庆4 0 0 0 2 5 ) 摘要： 为研究材料粘弹性对钢桥面浇注式沥青混凝土铺装结构疲劳寿命预估结果的影响， 建立粘弹性有限元模 型， 分析不同荷载作用次数下铺装结构表面拉应变的变化规律， 并基于应变控制的铺装面层混凝土疲劳方程预估铺 装的使用寿命。结果表明： 由于受材料粘弹性特性影响， 随着荷载作用次数增加， 钢桥面铺装表面拉应变也随之增 大， 铺装疲劳寿命降低； 荷载作用2 0 0 0 0次前变化更为明显， 其后则趋于平缓。 关键词： 桥梁工程； 钢桥面铺装； 理论分析； 粘弹性； 浇注式沥青混凝土铺装； 疲劳寿命 文章编号 ： 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 0 8 0 0 4 中图分类号： U 4 4 3 3 3 文献标识码： A I n f l u e n c e s o f Vis c o e l a s t ic it y o f Ma t e r ia l s o n Es t ima t e o f F a t i g u e L if e o f P a v e me n t St r u c t u r e o f As p h a lt Co n c r e t e St e e l De c k REN Ka i l i a n g ，HUANG Ti a n g ui ，ZHAO Gu o y u n Abs t r a c t ：I n o r d e r t o r e s e a r c h i n flu e n e e s o f v i s c o e l a s t i c i t y o f ma t e ria l s o n e s t i ma t e o f f a t i g ue l i f e o f p a v e me n t s t r u c t u r e o f a s p h a l t c o n c r e t e s t e e l d e c k，t h i s p a pe r e s t a b l i s h e s a v i s c o e l a s t i c i t y fin i t e e l e me nt mo d e l a n d a n a l y z e s c ha n g e r u l e s o f t e n s i l e s t r a i n o n t h e s u r f a c e o f p a v e me n t s t r u c t u r e a t d i f f e r e n t a c t i o n t i me s o f l o a d，a n d e s t i ma t e s t h e s e r v i c e l i f e o f p a v e me n t b a s e d o n s t r a i n c o n t r o l l e d f a t i gu e e q u a t i o n o f s u r f a c e c o n c r e t e o f p a v e me n t Th e r e s u l t s s h o w t ha t t h e t e n s i l e s t r a i n o n t h e s u r f a c e o f s t e e l d e c k p a v e me n t i n c r e a s e s wi t h mo r e a c t i o n t i me s o f l o a d d u e t o i n flu e n c e o f v i s c o u s a n d e l a s t i c p r o p e rti e s，a n d f a t i gu e l i f e o f p a v e me n t d e c r e a s e s ；t h e c ha n g e b e f o r e 2 0 0 0 0 a c t i o n t i me s o f l o a d i s mo r e s i g n i fi c a n t ，a n d t h e n be c o me s f l a t Ke y w o r d s ：b r i d g e p r o j e c t ；s t e e l d e c k p a v e m e n t ；t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ；v i s c o e l a s t i c i t y ；p o u ti n g t y p e a s ph a l t c o n c r e t e p a v e me n t ；f a t i g u e l i f e 疲劳寿命预估是钢桥面铺装研究和设计 的重要 内容之一。常用方法是进行室 内疲劳试验 ， 并建立 基于应变控制的铺装混凝土疲劳方程 ； 然后根据钢 桥面铺装结构计算铺装表面最不利横 向拉应 变 ， 并 结合铺装混凝土疲劳方程求出疲劳寿命 J ， 以模 拟钢桥面铺装纵 向裂缝出现时的荷载作用次数 。 但上述预估过程的准确性受室内外使用环境差 异和材料特性的影响较大， 其 中材料粘弹性对受力的 影响是重要 因素。本文基于实测铺装材料粘弹性力 学参数进行铺装结构粘弹性力学分析 ， 并结合铺装材 料疲劳方程来研究粘弹性对疲劳寿命预估的影响。 1 铺装结构与材料参数 1 1 铺装结构几何参数 本文采用 的分析对象 为 S MA+浇 注式沥青混 凝土钢桥面铺装结构 ， 见图 1 。结构上层采用 4 c m 厚 S MA沥青混凝 土以提高铺装层的高温抗 车辙 能 力 ， 下层采用 3 3 c m厚浇注式沥青混凝土以形成更 为有效的防水体 系。桥 面系主要几何 尺寸 为： 纵 向 u型加劲肋上 口宽 3 0 0 m m， 下 口宽 1 7 0 m m， 高 2 8 0 mm； 钢板 厚 8 mm， 间距 6 0 0 mm； 桥 面顶 板 厚 1 6 为便于计算分析 ， 图 1中未列出防水粘结层类 基金项 目： 国家科技 支撑计划项 目( 2 0 1 1 B A J 0 9 B 0 4) ； 重庆市交通科技计划项 目( K J X M2 0 1 2 0 3 8 9 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 7 2 3 作者简介： 任 开亮 ( 1 9 8 6一) ， 男 ， 湖南省益阳 市人 ， 硕士 ， 工程 师 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 5生 2 2 计算结果 随着加载时间( 或加载次数) 的延长 ， 铺装结构表面 应变计算结果见表 2 。由表 2数据可 以看 出， 最不利拉应变逐渐增加。 表 2 应 变计算 结果 3 钢桥面铺装疲劳寿命预估 3 1 铺装面层混凝土疲劳方程 文献 7 对钢桥面铺装 S M A沥青混凝土进行了 疲劳试验 ， S MA胶结料分别采用 了 S B S改性沥青和 S B R改性沥青 ， 并给出了可靠度为 9 5 的基于应变 控制的疲劳方程 ， 见式 ( 3 ) 和式( 4 ) 。 = 2 0 2 0 21 0 9 9 ( 3 ) ， s =4 5 0 7 41 0 s 。 ( 4 ) 式中： ， 为作用次数 ； s为加载应变 ， s 。 3 2 疲劳寿命预估 根据表 2中表面最大拉应变和 S M A沥青混凝 土的疲劳方程 ， 可预估浇注式沥青混凝土铺装结 构 的疲劳寿命 ， 见表 3 。 表 3 疲劳 寿命预估 结果 注 ： 荷载年作用次数根据文献 8 近似取值。 4 粘弹性对铺装结构寿命预估的影响 由前述计算和分析可知 ， 由于受铺 装材料粘 弹 性特性的影响， 在车辆荷载多次作用下钢桥面铺装 表面拉应变会逐步增大。其 中， 在荷载作用 2万 3 万次之前表面拉应变增幅较大 ， 之后趋于平缓 ， 见图 3 。由此导致铺装结构寿命预估结果具有相 同规律 ， 见 图4 。2万 3万次荷载作用相 当于实桥 2 0 d的 交通量 ， 但预估寿命却减少 了 1年左右。 荷 载作用 次数 图 3 铺 装表面拉应变 ( 下转第 8 8页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 5丘 2 )桥梁出现病害时 ， 必须进行细致检查 ， 弄清 J J _ 公路交通科技， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 6 ) ： 8 1 8 4 桥梁病害的性质及分布 ， 并将其计入对桥 梁承载能 3 唐光武 基于影响线的桥梁结构评定理论研究进展 力的影 响。 J - 公路交通科技， 2 o 0 8 , 2 5 ( 6 ) ： 3 9 - 4 3 3 要 塞 ： 正 方 法 初 步 研 重 度 时 ， 可 通 过 验 证 性 荷 载 试 验 来 得 到 桥 梁 的 广 义 影 5 ： 红 伟 ， 等 公 路 旧 桥 承 载 力 评 定 方 响线 ， 并将其与理论值进行对 比， 以不断修正理论模 法及工程实例 M 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 9 型 ， 并使模型与实际尽量相符 ， 从而较为准确地评估 6 赖广胜 ，朱晓文， 刘朵 贵州某悬索桥静载试验研究 其桥梁承载能力。 与结构性能评价 J 现代交通技术， 2 0 1 4 ( 5 ) ： 3 0 3 3 参 考 文 献 J 西部交通科技， 2 0 0 9 ( 1 0 ) ： 1 0 1 1 0 5 1 廖敬波 实测准静态广义影响线在桥梁结构静载试验 8 谌润水 ， 胡钊芳 公路桥梁荷载试验 M 北京： 人民 中的应用研究 J 公路交通技术， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 6 5 6 8 交通出版社， 2 0 0 3 廿 船 椭 椒 荷 载 作 用 次 数 图4 S B S改性沥青 S MA铺装疲劳寿命预估结果 因此 ， 铺装材料初期粘弹性变形会对基于应变 控制的疲劳寿命 预估结果产生较大影 响， 但后期影 响较小 。实际应用中， 可采用荷载作用 2 0 0 0 0次时 的变形进行铺装寿命预估 ， 以降低误差。 5结语 本文根据实测铺装材料粘 弹性力学参数 ， 建立 粘弹性力学分析模型并计算钢桥面浇注式沥青混凝 土铺装在不同荷载作用次数下表面最不利拉应变 ， 并结合铺装上层基于应变控制的 S MA沥青 混凝 土 疲劳方程 ， 对不 同荷载作用次数 时铺装结构疲劳寿 命进行预估 ， 得到以下结论。 1 )随着荷载作用次数增加 ， 钢桥面铺装表面拉 应变也随之增大 ， 在荷载作用 2 0 0 0 0次之前变化更 为明显 ， 其后则趋于平缓。 2 )荷载作用 次数导致铺装表面拉应变产生变 化 ， 也会对铺装结构寿命预估结果产生相应影响 ， 在 荷载作用 2 0 0 0 0次之前 ， 铺装结构疲 劳寿命随荷载 作用次数的增加而迅速降低 ， 其后则趋于平缓。 3 )材料粘弹性对应变和寿命 的影 响主要在荷 载作用 2 0 0 0 0次之内， 相当于实桥 2 0 d交通量。采 用初始应变预估铺装疲 劳寿命会有较大误差 ， 故实 际应用时应采用充分消除粘性影响的静力弹性参数 或采用荷载作用 2 0 0 0 0次之后粘 弹性 力学计算 结 果中的应变值进行疲劳寿命预估 。 参 考 文 献 赵国云， 闫东波， 磨炼同 基于黏弹性力学分析和线性 累积疲劳损伤理论的钢桥面铺装疲劳寿命预估 J 公路 ， 2 0 1 3 ( 3 ) ： 1 01 5 刘振清 大跨径钢桥桥面铺装设计关键技术研究 D 南京 ： 东南大学交通学院， 2 0 0 4 徐伟， 张肖宁 钢桥面铺装材料粘弹性及疲劳损伤 特征 的试验研究 J 中南公路工程， 2 0 0 6， 3 1 ( 4) ： 14 赵国云， 余国星， 磨炼同 钢桥面铺装粘弹性力学分析 J 公路交通技术 ， 2 0 1 3 ( 3 ) ： 6 9 7 3 马涛 ， 黄晓明 ， 居浩 桥 面防水 粘结材 料性能研 究 J 公路交通科技 ， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 1 ) ： 4 3 4 6 刘发 ， 江 臣 新型 桥面 防水 粘结 层 界面 强度评 价 方法研究 J 现代交通技术， 2 0 1 3 ( 1 ) ： 1 31 5 陈仕周， 韩道均 桥面铺装材料与技术研究 R 重庆： 重庆交通科研设计院， 2 0 0 5 李洪涛， 潘友强， 张志祥 泰州大桥钢桥面铺装轮载谱 研究 J 中国工程科学， 2 0 1 2 ， 1 4 ( 5 ) ： 8 5 8 8 j J j JJ I二 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m