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【摘要】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.%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。

【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】7页(P1946-1952)【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【作者】胡靖;钱振东;杨宇明【作者单位】东南大学智能运输系统研究中心，江苏南京，210096;东南大学智能运输系统研究中心，江苏南京，210096;东南大学智能运输系统研究中心，江苏南京，210096【正文语种】中文【中图分类】U443.33;U416.2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×150mm(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。

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，有令则有式中：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。

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。

式中：ta为轮载累积作用时间；N为作用次数；P为轴重；nw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。

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。