钢结构桥梁铺装层组合结构疲劳性能试验研究

谯理格 赵明宇 丁庆军 赵日煦

(中建商品混凝土有限公司1) 武汉 430074) (沈阳建筑大学材料科学与工程学院2) 沈阳 110168) (武汉工大学硅酸盐建筑材料国家重点试验室3) 武汉 430070)

0 引 言

钢结构桥梁以其构件质量轻、运输与架设方便、施工周期短等特点，在大跨度桥梁中得到广泛应用[1-2].研究与应用结果表明，随着国内外钢桥面板桥梁工程的不断增多，采用钢桥面板的钢结构桥梁铺装层在使用年限内发生破坏的报道屡见不鲜[3-5],因此，目前大跨径桥梁在设计上开始逐渐采用钢架-混凝土板组合桥面结构，以解决钢桥面铺装这个世界性技术难题[6-7].

武汉鹦鹉洲长江大桥桥面铺装采用预制混凝土桥面板+高黏高弹防水黏结应力吸收层+高黏高弹SMA-16面层的结构形式.混凝土桥面板取代钢桥面板的铺装工艺，有效解决了钢桥面板与沥青铺装层间黏结力不足的问题，降低了桥面铺装出现推移、拥包、开裂等病害的风险[8].然而，由于鹦鹉洲长江大桥采用预制混凝土桥面板间浇筑湿接缝混凝土的桥面形式，在行车荷载及悬索桥较大变形的服役条件下，接缝位置的裂缝反射问题及铺装层材料的疲劳寿命是决定鹦鹉洲长江大桥使用耐久性的关键问题.本文以该为背景，模拟不同位置铺装组合构件，研究其在动态力学条件下行为特征，以评价铺装层的使用寿命.

1 试 验

1.1 原材料

1.1.1混凝土

依据文献[9]中对桥面铺装层混凝土性能的要求，进行混凝土配合比设计，见表1.

表1 桥面铺装层混凝土配合比 kg/m3

注：粗集料为16～26.5 mm连续级配卵石破碎型碎石，细集料为5～16 mm连续级配卵石破碎型碎石

1.1.2防水黏结应力吸收层

防水黏结应力吸收层采用粒径为9.5～13.2 mm的玄武岩集料，撒铺量为14～16 kg/m2；采用的沥青分别为SBS改性沥青、橡胶沥青、高黏高弹改性沥青，沥青洒布量为1.7～2.0 kg/m2,形成的沥青膜厚度约为2 mm，三种沥青的性能指标见表2.

1.1.3高黏高弹SMA

SMA面层所用粗集料为粒径5～10 mm与10～20 mm的玄武岩集料，压碎值9.6%；细集料为石灰岩机制砂，2.36 mm筛孔通过率85.2%；矿粉为石灰石磨细矿粉，0.075 mm筛孔通过的质量分数为88.6%；沥青采用高黏高弹改性沥青.配合比设计依据文献[10]中的要求进行，确定的级配组成见表3，各项体积指标见表4.

表2 沥青的性能指标

表3 高粘高弹SMA矿料合成级配

表4 高黏高弹SMA马歇尔试验结果

1.2 试验方法

本研究结合罗桑等[11]针对环氧沥青混凝土疲劳试验的相关研究方法，设计组合结构疲劳性能及结构阻止裂缝扩展性能两组试验，以对动荷载条件下钢结构桥梁铺装层关键位置的耐久性进行研究评价.在试件上表面跨中处黏贴BX120-100AA(100 mm×3 mm)型号混凝土应变片，利用TEST3827E应变测试系统对应变数据进行采集并导入MTS测试系统，以试件表面沥青层跨中处产生的应变为700×10-6时作为试件疲劳破坏的判定依据.

1.2.1试件制作

本文提出的基于防水黏结应力吸收桥面铺装方案的结构由下层混凝土桥面板、中层防水黏结应力吸收层、SMA面层沥青混合料组成，试件尺寸为550 mm×150 mm×92 mm.本文研究的两种铺装层组合结构示意见图1.图1a)为组合结构疲劳性能试块的结构形式，模拟铺装层在循环行车荷载作用的条件下的疲劳性能，试验选取六种不同结构类型，编号A1～A6，见表5；图1b)为阻止裂缝扩展性能试块的结构形式，模拟铺装层下预制混凝土桥面板接缝位置在循环行车荷载作用条件下阻止裂缝反射的性能，结构下层混凝土桥面板成型时在试块中部预留5 mm的切缝，试验共选取五种不同结构类型，编号B1～B5.试件的成型过程见图2.

图1 钢桥面铺装结构示意图

试验方案桥面铺装结构试验类型(由下至上)A15 cm混凝土+3 cm普通改性SMA-16A25 cm混凝土+5 cm普通改性SMA-16A35 cm混凝土+3 cm高黏高弹改性SMA-16A45 cm混凝土+5 cm高黏高弹改性SMA-16A5 5 cm混凝土+1 cm高黏高弹防水黏结应力吸收层+3 cm高黏高弹SMA-16A6 5 cm混凝土+1 cm高黏高弹防水黏结应力吸收层+5 cm高黏高弹SMA-16B1 5 cm混凝土+1 cmSBS改性沥青黏结层+5 cm高黏高弹SMA-16B2 5 cm混凝土+1 cm橡胶沥青应力吸收层+5 cm高黏高弹SMA-16B3 5 cm混凝土+1 cm高黏高弹防水黏结应力吸收层-A+5 cm高黏高弹SMA-16B4 5 cm混凝土+1 cm高黏高弹防水黏结应力吸收层-B+5 cm高黏高弹SMA-16B5 5 cm混凝土+1 cm高黏高弹防水黏结应力吸收层-C+5 cm高黏高弹SMA-16

注：表中B3～B5组高黏高弹防水黏结应力吸收层的沥青洒布量分别为：1.4～1.7 kg/m2(A)，1.7～2.0 kg/m2(B)，2.0～2.3 kg/m2(C).

图2 试验试件制作

1.2.2MTS加载

本文采用某公司制造的MTS505.90型电液伺服式疲劳试验机进行组合铺装结构疲劳性能测试.加载方式均采用三分四点弯加载方式，见图3.组合结构疲劳性能试验采用正弦波方式加载，应力水平0.7，循环应力比取0.2，加载频率4 Hz，记录试件表面应变达到700×10-6时的循环加载次数，最大加载至1 000万次时停止.结构阻止裂缝扩展性能试验采用正弦波加载方式，应力水平取0.7，循环应力比取0.5，加载频率4 Hz，分别记录初裂、裂缝扩展至1，2，3，4 cm及终裂时的循环加载次数，最大加载至200万次时停止.

图3 试验加载方式(单位：mm)

2 结果与讨论

2.1 组合结构疲劳性能试验

针对不同沥青材料组成、不同厚度的面层SMA-16以及铺设高黏高弹应力吸收层的试块进行弯拉疲劳性能测试，每组试块成型2块，通过MTS疲劳试验机控制加载，测得试块跨中处应变达到700×106时的循环加载次数见表6和图4.

表6 组合结构弯拉疲劳试验结果 万次

图4 组合结构弯拉疲劳试验结果

表6与图4中A1，A2与A3，A4分别为采用普通SMA-16作为面层的试块与采用高黏高弹SMA-16作为面层的试块达到700 με时的循环加载次数，由对比可知，由于高黏高弹改性沥青优异的黏韧性能，采用其作为面层的试块加载次数增加，提升了结构的疲劳性能.A1，A3，A5与A2，A4，A6分别为面层铺装层厚度为3和5 cm的试块达到目标应变值时的循环加载次数，由对比可知，增加面层铺装层厚度可明显增加结构的疲劳性能，对于高黏高弹SMA-16路面的提升效果更加明显.A3，A4与A5，A6分别为未铺设防水黏结应力吸收层与铺设防水黏结应力吸收层的试块达到初裂时的循环加载次数，通过对比可知，由于高黏高弹防水黏结应力吸收层可分散组合结构的内部应用及较好的界面黏结性能，铺设防水黏结应力吸收层的试块加载次数增加，整体的铺装结构疲劳性能得到了显著的提升.

2.2 阻止裂纹反射性能试验

针对不同沥青材料组成的防水黏结应力吸收层以及不同沥青撒铺量的高黏高弹防水黏结应力吸收层结构的试块进行弯拉疲劳性能测试，每组试块成型2块，通过MTS疲劳试验机控制加载，分别测得试块跨中处SMA面层初裂、裂纹扩展扩展至1，2，3，4 cm，以及终裂时的循环加载次数，各组数据取平均值后结果见表7.

表7 组合结构弯拉疲劳试验结果

表7中B1，B2，B3～B5分别为使用SBS改性沥青、橡胶沥青、高黏高弹改性沥青作为防水黏结应力吸收层沥青材料的试块在裂纹反射到不同程度时的循环加载次数，由对比可知，铺设SBS改性沥青防水黏结应力吸收层试块在加载至890次时面层SMA即出现裂纹，加载至1万次试块即完全破坏，其阻止裂纹反射性能较差，铺设橡胶沥青防水黏结应力吸收层与高黏高弹防水黏结应力吸收层的试块加载次数分别为其2倍与4倍，因此由试验可知，使用高黏高弹防水黏结应力吸收层的结构阻止裂纹反射性能最优.B3～B5分别为不同应力吸收层沥青洒铺量下的试块在裂纹反射至不同程度时的循环加载次数，通过对比可知，沥青洒铺量为1.7～2.0 kg/m2的试块较洒铺量为1.4～1.7 kg/m2的试块加载次数增加了30%以上，对结构阻止裂纹反射性能的提升有较明显效果，而沥青洒铺量为2.0～2.3 kg/m2的试块较洒铺量为1.7～2.0 kg/m2的试块增加的加载次数少于5%，对结构阻止裂纹反射性能的提升效果不明显，因此，采用2.0 kg/m2作为防水黏结应力吸收层的洒铺量.

3 结 论

1) 防水黏结应力吸收层作为桥面铺装体系中的重要组成部分，由于其优异的界面黏结性能，提升了桥面铺装组合结构的疲劳性能和阻止裂缝反射性能，在不同沥青材料组成的防水黏接应力吸收层中，高黏高弹防水黏结应力吸收层对组合结构的性能提升效果最好，由试验可知，高黏高弹防水黏结应力吸收层的沥青洒铺量为2.0 kg/m2时最佳.

2) 由组合结构疲劳性能试验可以看出，面层SMA材料的选择对组合结构的疲劳性能有较大影响，使用高黏高弹SMA可以较大提升结构的疲劳性能，提高桥面铺装层耐久性，延长桥梁使用寿命，具有广阔的推广应用前景.