DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.050

GA+EA钢桥面铺装复合结构的高温性能与力学特性

胡靖，钱振东，杨宇明

(东南大学 智能运输系统研究中心，江苏 南京，210096)

摘要：研究钢桥面浇注式沥青混凝土与环氧沥青混凝土(GA+EA)复合铺装结构在荷载和温度耦合下的高温性能及力学特性。分析GA层的高温流变参数，采用多尺度与子模型有限元技术建立分析最不利温度下复合铺装层结构的压应力、剪应力分布状态，并预估连续变温条件下复合结构的车辙深度及蠕变应变随时间变化情况。研究结果表明：EA层扩散了荷载中心GA层压应力，但其底受剪应力较大。双轮中央处GA层由于荷载叠加作用处于不利状态，其层底压应力达0.85 MPa。最不利连续变温条件下，EA层变形量较小，GA层占铺装结构永久变形90%以上，但总体车辙深度仅为0.32 mm。铺装结构永久变形主要产生于夏季10:00-16:00高温时段。GA+EA结构较好地利用了各自材料的优点，具有良好的高温抗永久变形性能。

关键词：复合结构；高温性能；力学特征；温度作用；多尺度子模型

中图分类号：U443.33；U416.2           文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)05-1946-07

High temperature properties of composite structure of gussasphalt+epoxy asphalt at bridge deck pavement

HU Jing, QIAN Zhendong, YANG Yuming

(Intelligent Transportation System Research Center, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Abstract: The high temperature performance and mechanical properties of composite structure constructed by gussasphalt and epoxy asphalt (GA+EA) considering coupling effect of load and temperature were studied, the rheological parameters of GA were established, and the compressive stress and shear stress of paving structure under worst temperature were analyzed by multi-scale and sub-model finite element technology. Finally, the changes of rutting depth and creep strain at the situation of continuous temperature changing were predicted. The results show that the local vertical compress stress at the center of load of GA is diffused by EA, but the shear stress on bottom of GA is large. The vertical compress stress of GA bottom under the center of double load is 0.85 MPa because of the additive effect of load. Under worse temperature changing condition, the deformation of GA accounts for above 90% of that of paving structure; however, the total rutting depth is only 0.32 mm. The permanent deformation of paving structure mainly appears at 10:00-16:00. The composite paving structure of GA+EA can utilize the advantages of GA and EA, and it has excellent performance of anti-deformation.

Key words: composite structure; high temperature performance; mechanical characteristics; temperature action; multi-scale sub-model

钢桥面沥青混凝土铺装是铺筑在正交异性钢桥面板上的薄层构造，直接承受荷载、环境及结构变形等综合作用，受力条件十分不利。现阶段我国钢桥面铺装大多采用双层环氧沥青混凝土以避免车辙等病害，但双层环氧沥青混凝土铺装在使用过程中会因抗疲劳性能不足而产生裂缝^[1]。为防止环氧沥青混凝土铺装层开裂，并考虑桥道系对铺装层变形追从性的要求，“上层环氧沥青混凝土(EA)+下层浇注式沥青混凝土(GA)”复合结构从理论上将同样具备优良的使用性能。单纯从铺装材料性能的角度分析，GA在高温及荷载作用下容易产生车辙变形，因此有必要重点研究复合结构在车载及温度耦合作用下的力学响应及高温性能。国内外已经提出了一系列的本构模型用以模拟沥青混凝土的黏弹性特性，并以此为基础对沥青路面的高温性能开展了大量研究。沥青混凝土的高温永久变形主要是由黏塑性变形引起，时间硬化蠕变模型能较好的拟合沥青混凝土材料的变形特性^[2]。利用Maxwell模型及有限元法对车辙深度进行预估，结果与加速加载试验结果也基本吻合^[3]。Mostafa等^[4]采用Prony级数将沥青混凝土的松弛模量转化为蠕变柔量，采用广义Maxwell模型拟合得到材料参数。Burgers黏弹性模型用于车辙预估时，与试验值也具有较好相关性^[5-6]。鉴于EA已有相关试验研究^[7]，本文作者对GA的黏弹性本构进行试验研究。

1  复合结构材料参数

1.1  浇注式沥青混合料动态模量试验

GA采用SBS改性沥青为基质沥青，按特立尼达湖沥青(TLA)和SBS改性沥青质量比为3:7配制的混合沥青为沥青结合料。级配选用德国0/8级配，油石比为9.2%。采用简单性能试验仪(SPT)对GA的动态模量进行研究。试件为100 mm×150 mm(直径×高度)的圆柱体试件。试验温度为20，40和60 ℃。利用加载频率为0.1，0.2，0.5，1，2，5，10，20和25 Hz正矢波进行轴向加载，测定相应的应力和轴向应变，计算相应频率下的动态模量。围压为138 kPa，该围压能较好地模拟路面的受力状态，适合于三轴试验^[8]。按照AASHTO TP62试验规程进行试验，采用控制应变方式加载，试验结果如图1所示。

1.2  浇注式沥青混合料流变性能

作为典型的黏弹性材料，沥青混合料的流变性能对温度和时间具有很强的依赖性。采用SPT进行三轴重复荷载永久变形试验获取GA高温下流变参数。试件直径×高度为100 mm×150 mm。试验温度分别为20，40和60 ℃，偏应力水平为0.7 MPa，试验结果如图2所示。

图1  GA动态模量试验结果

Fig. 1  Dynamic modulus of GA

图2  GA永久变形发展曲线

Fig. 2  Permanent deformation curves of GA

1.3  有限元模型数值参数

1.3.1  浇注式沥青混合料流变学参数回归

沥青混合料的永久变形通常可以表示为温度T、应力q和时间t的函数，即

               (1)

当采用Bailey-Norton规律分析沥青混合料的变形时，时间硬化蠕变模型的表达式为

              (2)

式中：q为应力；C₁，C₂和C₃为依赖于温度的模型    参数。

假定q不随时间t变化，有

       (3)

令

                (4)

则有

               (5)

式中：为应变速率；A，m，n为蠕变参数，依赖于温度及应力水平。在进行蠕变参数回归时，对永久变形试验结果进行多元线性回归，得到GA的非线性蠕变参数，如表1所示。由于温度较低时，沥青路面基本不产生高温病害，因此仅考虑大于40 ℃时的高温情况^[9]。铺装层的弹性模量仅用于铺装结构弹性变形的计算，对铺装层的永久变形发展没有影响；而环氧沥青混合料的高温性能优异，在荷载作用下几乎不会产生车辙，取其60 ℃条件下的蠕变参数，并不随环境温度而改变。

1.3.2  浇注式沥青混合料流变学参数有效性验证

为验证回归得到的流变参数的有效性，利用ABAQUS建立三轴永久变形仿真模型，根据GA的蠕变参数计算圆柱试件的轴向应变。单元类型为线性缩减积分单元C3D8R，限制模型底部的竖向位移，而仅在圆柱底部中心点处限制其侧向位移。数值结果如图3所示。

由图3可知：时间硬化蠕变模型对三轴重复荷载永久变形试验结果具有较好的拟合度，因而采用该蠕变参数进行钢桥面铺装的高温性能研究是可行的。

2  复合结构有限元模型

通过分析复合结构在高温条件下的温度应力，并以此为初始应力场导入钢桥面铺装力学分析模型，研究铺装层在温度场与应力场耦合作用下的力学响应。

本文采用多尺度建模技术，数值模型的基本参数如表2所示。根据某大桥铺装形式，GA和EA厚度分别为35 mm和25 mm。按《公路桥涵设计通用规范》，取公路-Ⅰ级车辆荷载作用于钢箱梁段，并采用“子模型”技术截取局部梁段模型，以获取精确边界条件。对于局部梁段模型，采用双轮矩形均布荷载，单轮接地长×宽为20 cm×25 cm，两轮中心矩为30 cm，接地压力为0.7 MPa。最不利荷载中心位于2个U型加劲肋之间的中点，纵向位于相邻两横隔板跨中^[10]，如图4所示。

图3  数值结果与试验结果对比

Fig. 3  Comparison between numerical results and experimental results

铺装结构温度场选取夏季高温季节的最不利时段，假设铺装层表面温度为69 ℃，桥面钢板温度为58 ℃作为温度场计算铺装结构力学响应。车辙预估时，则采用最不利季节(夏季)24 h温度变化作为温度场，铺装层热力学参数采用相关文献结果^[11]，如表3所示。

车辙预估采用荷载作用时间累加的方法，将动载简化为静载作用^[12]。通过施加持续恒载来模拟荷载的重复作用，按式(6)将荷载作用次数转化为荷载累计作用时间。

表1  沥青混合料的材料参数

Table 1  Material parameters of asphalt mixture

表2  计算模型的基本参数

Table 2  Calculation parameters of model

图4  多尺度钢桥面铺装有限元模型

Fig. 4  Multi-scale model of steel deck pavement

表3  热力学参数^[11]

Table 3  Thermodynamic parameters^[11]

                 (6)

式中：t_a为轮载累积作用时间；N为作用次数；P为轴重；n_w为轴的轮数；p为接地压力；B为轮胎接地宽度；v为行车速度。根据式(6)，可得轴载一次作用的时间为15 ms，计算得到荷载在车速60 km/h下轴载作用50万次的累计荷载作用时间为7 500 s。根据某大桥交通流日分布规律，将荷载累计作用时间按时段进行分布，结果如图5所示。

3  高温条件下复合结构力学响应与车辙预估

3.1  复合结构力学响应

铺装结构由于荷载作用产生蠕变和横向剪切变形而形成车辙病害。分析最不利温度(铺装表面温度为69 ℃，桥面钢板温度为58 ℃)条件GA+EA复合结构在荷载作用下，轮载作用中心与双轮中央处的竖向压应力和横向剪切应力进行计算研究，最不利高温条件下铺装层压应力和横向剪应力随深度变化如图6所示。

图5  各时段温度及荷载作用时间

Fig. 5  Temperature situation and load time

由图6(a)可以看出：左轮与右轮作用中心处的竖向压应力随深度的变化趋势几乎相同，但双轮中央处的压应力变化情况则完全相反。轮载作用处的EA层承受较大竖向压应力，但由于EA层对荷载的扩散作用，GA层所承受的竖向压应力出现了较大幅度的下降，由800 kPa下降到450 kPa，这表明该种复合结构能较好的发挥材料各自的性能。但处于双轮中央处的铺装层次，GA层承受了较大应力，这主要是由于双轮作用下应力叠加所致。

图6  最不利高温条件下铺装层压应力及横向剪应力随深度变化

Fig. 6  Situation of vertical compress stress and shear stress under worse temperature condition

由图6(b)可知：轮载中心及双轮中央处的横向剪应力存在较大不同，但都随着铺装深度的增加而增大，表明铺装层底部是最易出现剪切变形的区域。双轮中心所受横向剪应力方向相反且数值相差较大，左轮最大剪应力为80 kPa，而右轮仅为25 kPa。轮载中央处剪应力较右轮中心更为不利，这是正交异性钢桥板复杂受力情况导致铺装结构受力的不规律性造成的。

荷载作用下横断面上的应力状态分布情况也是研究复合结构高温性能的关键点，不同铺装深度轮载中心横断面竖向压应力和横向剪应力的平面分布情况如图7所示，图中横轴代表双轮荷载相对位置(双轮荷载分别作用于0.1~0.3 m及0.4~0.5 m范围内)。

由图7(a)可知，各铺装层竖向压应力发展规律相似，均出现“双峰”形态。荷载中心处压应力随着铺装深度逐渐变小，EA层的存在极大的分散了作用于GA层的压应力。同时，双轮中央的压应力随深度增加的速率更快，在GA层底部已经达到850 kPa，而轮载中心处在GA底部的压应力仅为450 kPa，表明双轮中央处GA层更容易出现高温病害。图7(b)表明：轮载作用下，铺装层断面上横向剪应力变化趋势类似，铺装深度越大，则横向剪应力越大，层底最大接近840 kPa。此外，GA层承受较为不利的横向剪应力状态，会造成较大的横向剪切变形，但相邻区域横向剪应力方向相反，对横向剪切变形有一定的抵消作用。

图7  压应力和横向剪应力不同深度横向分布

Fig. 7  Transverse distribution of vertical compress stress and shear stress

3.2  复合铺装结构永久变形预估

连续变温条件下的抗变形能力是铺装结构高温性能的重要表现，为了分析复合结构在抗变形能力中的影响程度，计算最不利季节(夏季)24 h温度变化下荷载作用50万次后各结构层的变形情况，轨迹处永久变形情况如图8所示。

由图8可知：EA层几乎没有产生车辙，铺装层的永久变形主要产生在GA层，其隆起变形近乎与总变形相等，而下陷变形则占总变形90%以上。由于GA的高温性能相对较弱，在荷载的长期重复作用下，荷载作用处的铺装层产生了明显的车辙变形，且最大蠕变应变出现在铺装下层底部，位于U型加劲肋侧肋与钢桥面板相交处；由于EA层具有良好的整体性及应力扩散能力，两轮轮迹间也没有产生明显的凸起现象。此外，在荷载作用50万次后，铺装结构在高温条件下产生的总车辙量为0.32 mm，表明EA+GA复合结构具有良好的高温抗永久变形性能。

图8  轮迹处永久变形情况

Fig. 8  Permanent deformation of load area

由于EA良好的整体性以及应力扩散能力，使得铺装层在荷载作用下的蠕变变形及轮载中心处的隆起变形均较小，且增长趋势十分缓慢，GA+EA铺装层连续变温下蠕变应变-时间关系曲线如图9所示。

图9  GA+EA铺装层连续变温下蠕变应变-时间关系曲线

Fig. 9  Creep strain curve of GA+EA under temperature changing

在荷载作用3 100 s至5 500 s期间(按交通量日分布计算为10:00~16:00)，不论是隆起还是下陷变形，铺装层的蠕变应变在该时段增长速率都较快，分别占总形变的74%和51%，铺装层的永久变形有36%也集中产生在此高温时段内，随后进入蠕变稳定阶段。这是由于仿真初期铺装层温度相对稳定，铺装层混合料的蠕变参数取值较为一致。在加载时间为3 100 s至  5 500 s时，铺装层受环境气温影响而快速升温，铺装层的蠕变变形呈现出较快的增长趋势。在5 500 s之后，由于铺装层温度回落，蠕变应变增长十分微小。

4  结论

1) 双轮荷载作用下剪应力分布较压应力复杂。荷载中心处GA层所受压应力较小但横向剪应力较大。此外，由于双轮荷载的应力叠加作用，轮载中央处压应力较大。

2) EA层扩散了GA层的压应力，但双轮中央GA层底压应力达0.85 MPa，处于较不利状况。GA层承受剪应力较大，层底更达到0.84 MPa，虽相邻区域剪应力方向相反存在抵消作用，但仍需保证与钢桥面板的黏结力。

3) 铺装层的永久变形90%以上发生于GA层，而EA层几乎不产生车辙，但总车辙量仅为0.32 mm表明EA+GA复合结构具有良好的高温抗永久变形性能。

4) 铺装结构的36%的永久变形产生于夏季10:00~16:00之间的高温时段，在此时段应对铺装层进行必要的降温处理，以确保复合结构良好的高温性能。

5) EA+GA复合结构较好地利用了各自材料的优点，EA层保证了路面的平整性，而GA层确保了铺装系与桥面系的协调变形。由于GA与EA高温下蠕变应变相差较大，因此有必要对高温与重载耦合作用下GA层与EA层的层间黏结状态及协调变形机理做进一步的研究，寻求最优化铺装结构形式。

参考文献：

[1] 钱振东, 李智, 陈春红. 钢桥面环氧沥青混凝土铺装层Ⅰ型裂缝的断裂判据[J]. 中国公路学报, 2008, 21(5): 33-38.

QIAN Zhendong, LI Zhi, CHEN Chunhong. Fracture criterion for mode Ⅰ crack of epoxy asphalt concrete paving course of steel deck bridge pavement[J]. China Journal of Highway and Transport, 2008, 21(5): 33-38.

[2] Fwa T F, Tan S A, Zhu L Y. Rutting prediction of asphalt pavement layer using C-φ model[J]. Journal of Transportation Engineering, 2004, 130(5): 675-683.

[3] Blab R, Harvey J T. Viscoelastic rutting model with improved loading assumptions[C]// Proc 9th Int Conf on Asphalt Pavements, International Society for Asphalt Pavements. White Bear Lake, Minn, 2002: 293-303.

[4] Mostafa A E, Imad A Q, Yoo P J. Viscoelastic Modeling and field validation of flexible pavements[J]. Journal of Engineering Mechanics, 2006, 132(2): 172-178.

[5] 何兆益, 雷婷, 王国清, 等. 基于动力问题的高等级公路沥青路面车辙预估方法[J]. 土木工程学报, 2007, 40(3): 104-109.

HE Zhaoyi, LEI Ting, WANG Guoqing, et al. Calculation method for prediction of highway asphalt pavement rutting under dynamic loading[J]. China Civil Engineering Journal, 2007, 43(3): 104-109.

[6] 杨军, 丛菱, 朱浩然, 等. 钢桥面沥青混合料铺装车辙有限元分析[J]. 工程力学, 2009, 26(5): 110-115.

YANG Jun, CONG Ling, ZHU Haoran, et al. Analysis on rutting potential of asphalt pavement on the steel deck by finite element method[J]. Engineering Mechanics, 2009, 26(5): 110-115.

[7] 陈磊磊. 环氧沥青混合料动态参数试验研究[D]. 南京: 东南大学交通学院, 2009: 12-40.

CHEN Leilei. Research on dynamic parameters of epoxy asphalt mixture[D]. Nanjing: Southeast University. School of Transportation, 2009: 12-40.

[8] Brown S F, Cooper K E. The Mechanical properties of bituminous materials for road bases and base courses[J]. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, 1984, 53(4): 10-15.

[9] 沈金安. 高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004: 31-46.

SHEN Jinan. Analysis and preventive techniques of premature damage of asphalt pavement in expressway[M]. Beijing: China Communication Press, 2004: 31-46.

[10] 黄卫. 大跨径桥梁钢桥面铺装设计理论与方法[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2006: 51-79.

HUANG Wei. Theory and method of deck paving design for long-span bridge[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2006: 51-79.

[11] 钱振东, 刘龑. 整桥-温度-重载耦合作用下钢桥面黏结层力学分析[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2012, 42(4): 729-733.

QIAN Zhendong, LIU Yan. Mechanical analysis of waterproof bonding layer on steel bridge deck under bridge-temperature- load coupling effect[J]. Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2012, 42(4): 729-733.

[12] 付凯敏. 沥青路面结构车辙模拟及抗车辙性能研究[D]. 南京: 东南大学交通学院, 2008: 25-50.

FU Kai-min. Research on the rutting simulation and resistance characters of asphalt pavement structures[D]. Nanjing: Southeast University. School of Transportation, 2008: 25-50.

(编辑  赵俊)

收稿日期：2014-03-10；修回日期：2014-06-16

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51178114)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(CXLX12_0117)；东南大学优秀博士学位论文基金资助项目(YBJJ1318) (Project(51178114) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (CXLX12_0117) supported by the Fundamental Research Funds for the Central University; Project(YBJJ1318) supported by the Foundation for the Author of Excellent Doctoral Dissertation of Southeast University)

通信作者：钱振东，教授，从事道路结构与材料研究；E-mail: qianzd@seu.edu.cn