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原文传递基于实桥使用条件的钢桥面铺装层力学性能研究

论文题名：	基于实桥使用条件的钢桥面铺装层力学性能研究
关键词：	钢桥面铺装层;力学性能;荷载谱;永久变形;疲劳开裂
摘要：	钢桥面铺装层的使用条件要求铺装材料应具有良好的协同变形性能，同时应能够抵抗永久变形和疲劳开裂的发生。量化钢桥面铺装材料协同变形性能，建立适用于钢桥面铺装材料的永久变形和疲劳开裂评价方法，对钢桥面铺装层的材料、结构优选和使用寿命提升具有重要意义。现阶段对协同变形性能的研究仍处于初级阶段，对永久变形和疲劳开裂也未基于桥梁实际使用条件进行评价。本文根据实桥的预测交通量、荷载条件等，建立了钢桥面铺装层荷载谱，作为协同变形、永久变形和抗开裂性能研究的基础条件。基于重复蠕变逐级加载恢复试验提出恢复模量指标，量化钢桥面铺装材料的协同变形性能；基于复合贯入式试验，在考虑侧向约束和层间黏结作用的条件下，对永久变形发展规律进行试验研究；基于改进的OT试验，对钢桥面铺装材料裂缝发展规律进行了模拟，提出了抗裂性能评价指标。得出的主要结论如下：　　（1）基于蠕变逐级加载试验，设计了一种适用于测定钢桥面铺装材料内应力的试验：重复蠕变逐级加载恢复试验。重复蠕变逐级加载恢复试验，通过重复试验，减少了在恢复阶段逐级加载的次数，可以有效测定钢桥面铺装材料的内应力。内应力的大小与施加的蠕变荷载的大小直接相关，受加载时荷载大小的影响，不是钢桥面铺装材料的固有属性，不能直接作为描述材料恢复阶段特性的指标。提出了恢复模量的概念，即内应力大小与残余应变的比值，通过重复蠕变逐级加载恢复试验的试验结果可以计算出恢复模量。　　通过理论推导，求解出恢复模量在恢复阶段任意时间处的理论表达，证明在无损阶段钢桥面铺装材料的恢复模量大小与蠕变荷载无关，是材料的固有属性，恢复模量越小，相同条件下材料的内应力越小，协同变形性能越理想。通过无损蠕变-恢复试验测试材料的蠕变柔量，采用二阶Prony级数拟合蠕变柔量，级数的参数作为恢复模量理论求解的参数，通过内应力的反算，证明了恢复模量理论求解模型的准确性。在低温环境下恢复模量的大小排序为EA-10＞SMA-10＞GA-10，说明GA的协同变形特性更优，适用作为钢桥面铺装层的下面层。　　（2）通过对不同的钢桥面铺装结构进行永久变形的有限元和试验研究，建立了适用于评价钢桥面铺装材料永久变形的试验方法。对浇注式沥青混合料、高弹SMA改性沥青混合料、环氧沥青混合料进行了动稳定度试验、蠕变试验、流数试验。试验结果说明传统的永久变形试验无法准确评价钢桥面铺装材料。通过Comsol有限元软件进行模拟计算，确定了侧向约束和层间黏结对钢桥面铺装材料抵抗永久变形的影响。根据试验结果和分析，设计了适用于评价钢桥面铺装材料抵抗永久变形能力的试验方法为复合贯入式试验，该试验综合考虑了侧向约束、层间黏结对永久变形发展过程的影响。　　对有层间黏结-有侧向约束、无层间黏结-有侧向约束、有层间黏结-无侧向约束、无层间黏结-无侧向约束这四种条件下的不同铺装结构进行永久变形试验，以第8000次加载下的累计永久变形量DN8000对抵抗永久变形的能力进行评价。试验结果表明，侧向约束和层间黏结的共同作用对不同铺装结构的影响程度不同，在进行永久变形试验研究时应同时考虑侧向约束和层间黏结的作用。对比不同铺装结构永久变形的发展规律可以得出，抵抗永久变形能力的排序为双层EA＞双层SMA＞下面层GA+上面层EA＞下面层GA+上面层SMA＞双层GA。　　（3）根据荷载谱的计算结果设定了加载方式，基于OT试验提出了一种适用于钢桥面铺装材料的抗裂性能试验方法，该方法具有可靠性和重复性。通过无损试验和损伤试验对钢桥面铺装材料进行了抗裂性能的试验研究，量化了三种材料在不同温度下的抗裂性能。　　通过无损的OT试验，获取了加载过程中的时间-荷载关系，通过拟合计算出不同材料、不同温度下的无损试验参数E1、m，用于计算抗裂性能参数。通过损伤OT试验，获取了每个加载周期的峰值荷载。推导出不同铺装材料在不同温度下的抗裂性能参数A、n的表达式，并根据周期-裂缝长度之间的关系计算出相应的A、n的值。根据试验结果可知在相同的温度下抗裂性能的排序为EA-10≈GA-10＞SMA-10。　　（4）结合协同变形性能、抵抗永久变形性能、抗裂性能和经济性的综合分析，最终推荐的铺装结构方案为下面层GA-10+上面层SMA-10，该方案已被业主采纳并在沌口长江公路大桥钢桥面铺装层项目中得到成功应用。
作者：	樊向阳
专业：	交通运输工程
导师：	罗蓉
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022