余春霖 陳家海 容洪流 張肖寧

摘要：為建立科學合理的加速加載試驗模型以供港珠澳大橋正交異性鋼箱梁橋面板進行鋪裝材料比選試驗，文章以橫向拉應變?yōu)榭刂浦笜?，通過有限元軟件建立試驗模型，并以瀝青表面層和鋼板底面層的應變幅值試驗值和理論值的對比來驗證模型的準確性。結果表明：在關鍵點位上兩個幅值較為接近，同時應變幅趨勢也基本一致。研究認為所設計的疲勞模型能滿足實橋橋面鋪裝層試驗的要求。研究過程可為鋼橋面鋪裝模型設計工程提供理論借鑒。

關鍵詞：鋼箱梁橋;橋面鋪裝;加速加載模型;疲勞;剛度;應變場

0 引言

港珠澳大橋是中國興建的一個超級跨海通道，其橋面鋪裝面積非常巨大，路面鋪裝的好壞直接影響橋面竣工后的行車舒適性[1]。為了在較短的時間內完成鋪裝試驗以確定鋪裝材料的性質，指導鋪裝方案選用，必須加快試驗的速度。加速加載試驗能在較短的幾個月時間對長達數年后的橋面運行效果進行模擬，已經得到了公路研究者的認可[2]。如何建立加速加載試驗模型進行試驗是其中關鍵的一環(huán)，由于港珠澳大橋工程特殊的社會影響力，對于這樣一座首創(chuàng)設計的大橋，為了獲得更多的一手數據，指導進一步的工作，減弱由于尺寸效應導致受力性能不一致的情況，考慮采用足尺模型對其受力性能進行模擬。國內外對足尺實驗模型的研究較少，長沙理工大學張起森[3]采用直道鋼橋足尺模型對廈門海滄大橋的鋪裝層高溫和疲勞性能進行研究，其模型只考慮了截取原始橋面的結構尺寸作為足尺模型的參數設計，沒有進一步考慮到橋面鋪裝節(jié)點的應變狀態(tài)問題，這樣得出的評價效果不能準確反映橋面鋪裝的性能。為了使港珠澳大橋加速加載模型試驗的結果更貼近實橋鋪筑效果，需要在設計模型尺寸時，選取能夠反映鋪裝層破壞的指標并對其進行控制，建立更貼合實際狀況的模型進行鋪裝層試驗，從而比較出更適合用在實橋的鋪裝材料以指導工程選用。

1 模型設計思路

瀝青橋面鋪裝破壞開裂的主要原因還是層間出現過大的拉應力使其對應的拉應變大于材料粘結拉應變[4]。查閱大量的參考文獻和橋面鋪裝力學性能研究成果發(fā)現：鋪裝層的開裂主要是面層橫向拉應力過大導致的縱向裂縫。因此可以考慮以控制橫向拉應變入手，控制橫向拉應力來控制裂縫的產生。通過使實物模型在同樣加載方式下達到與設計時相同的應變狀況，來調整實物模型的結構狀況，使得后續(xù)在模型上進行鋪裝材料的疲勞試驗更接近港珠澳大橋上的使用狀況。張順先[5]通過ANSYS軟件逐步分析瀝青材料橋面鋪裝應力應變分布狀況，得出鋪裝層橫向最大拉應變?yōu)?88 με，出現在梯形加勁肋和邊腹板頂的鋪裝層表面附近，同時認為第二跨跨中的瀝青鋪裝層應力分布可以較為全面地反映全橋應力分布情況。因此此設計考慮將388 με拉應變大小作為控制指標進行模型設計。

2 模型建模過程

2.1 模型初選分析

考慮到橋梁第二跨跨中的瀝青鋪裝層應力分布可以較為全面地反映全橋應力分布情況，初步截取實橋跨中部分作為初始模型，試驗構件長度取8 m，橫隔板設置間距為2.5 m，厚度取橋梁設計時的最小值，分別為頂板板厚18 mm，橫隔板厚16 mm ，U肋高300 mm、寬300 mm、厚8 mm。由ANSYS軟件分析可知汽車荷載作用最不利位置在跨中，荷載作用中心位于腹板外側260 mm處，作用范圍為60 cm×20 cm。布置位置如圖1、圖2所示。使用單軸單輪1.5倍軸載52.5 kN作用下局部變形圖和Mises應力云圖如圖3、圖4所示，此時鋪裝層的橫向應變分布如圖5所示。

從圖5可以看出此模型在荷載作用下的橫向拉應變只達到了122.9 με左右，約為控制應變的1/3，不滿足模型設計要求?？梢娊厝崢蚬?jié)段進行試驗并不能很好地還原實橋應變狀況，得出的對比結果不能準確地反映鋪裝層性能。

2.2 疲勞試驗模型修改

由于實橋截取段在荷載作用下最大拉應變達不到控制值，需要通過弱化結構剛度來達到要求。首先考慮到模型運輸問題將模型寬度縮減為3 300 mm，同時也滿足了力學模型≥3 000 mm的要求，再考慮調整模型的頂板厚度進行剛度折減，經過不斷試算對比，當頂板厚度降到12 mm時，滿足要求，此時的模型斷面圖如圖6所示。在設計的汽車荷載作用下變形云圖和Mises應力云圖如圖7、圖8所示。

根據ANSYS軟件對橋面鋪裝分析結果可知，橋梁頂部每米最大位移差為0.15 mm，但只改變頂板厚度后的結構沒有達到這個要求。為滿足要求，需要在加速加載設備外260 mm的橋面板處施加均布荷載。同時還要調整模型其他尺寸來減小布載大小，避免布載過大難以實現。經過使用ABAQUS軟件試算，需施加范圍為8 000 mm×2 085 mm的均布荷載0.05 MPa，總重834 kN，布載如圖9白色區(qū)域所示。模型結構調整后如圖10所示，尺寸參數列于表1，此時模型在設計的汽車荷載作用下局部變形圖如圖11所示。此時試驗模型的橫向拉應變?yōu)?84 με，比實橋模型設計荷載目標的388 με僅小1%。

3 疲勞試驗模型實物構件驗證

3.1 模型制作與驗證依據

根據模型試算得出的參數加工制作實體試驗模型，成品實拍如圖12所示。

采用關鍵點的應變大小作為控制鋪裝層疲勞破壞的指標，就要監(jiān)測對應點的應變大小，但在加速加載車運行的過程中，靜荷載作用得到的應變是難以監(jiān)測的?？紤]在設計荷載作用下監(jiān)測關鍵點位的應變振幅，當加速加載車在試驗模型上運行得到的應變幅值與實橋模型在設計荷載作用下得到的應變幅值接近時，可以認為它們對橋面鋪裝層產生的疲勞損傷是一致的。

采取兩種工況的差值作為應變幅的理論值，工況一是加載車兩個輪分別位于監(jiān)測點的兩側，工況二是加載車單側車輪作用于監(jiān)測點。模型計算鋼材彈性模量取206 000 MPa。橋面鋪裝厚度為7 cm，下層MA層為3 cm，抗壓彈性模量取7 000 MPa;上層SMA層為4 cm，抗壓彈性模量取3 000 MPa?？紤]到鋪裝層表面和鋼板底面的應變情況是關鍵部位，使用這兩處驗證模型的準確性和可靠性較高。實體試驗模型應變片布設如圖13所示。

試驗采用對鋪裝層疲勞性能加速加載200萬次的方式進行，每天分兩次加載，共加載10萬次一天，測試時使用華東測試的DH3820動態(tài)應變記錄儀進行采集。同時按照每分鐘取一個波峰和波谷的方式對原數據進行處理。其中18號點位的統(tǒng)計圖如圖14所示。

3.2 瀝青表面層與鋼板底面層應變對比驗證

將瀝青鋪裝層表面應變檢測值與理論振幅值繪制成趨勢圖進行比較，其中實測應變幅取應變單點圖上應變幅的平均值。結果如圖15所示。

從圖15中可以看出，跨中橫向18號應變點應變水平較高，理論值與實測值均在160～200 με之間。其他點位振幅結果與理論值也基本一致，應變幅的趨勢也基本相同。

將鋼板底面層應變檢測值與理論振幅值繪制成趨勢圖進行比較，其中實測應變幅取應變單點圖上應變幅的平均值。結果如圖16所示。

由圖16可以看出，兩次振幅實測值與振幅理論值相比，第一次的振幅值相差較大，考慮其原因是兩次鋪裝的不同材料導致的。第一次試驗采用的傳統(tǒng)MA材料相較于第二次采用的GMA材料彈性模量要低一些。觀察第二次鋪裝振幅結果，在11、13、15、17等幾個關鍵點位上，振幅實測值與理論值較為接近，可認為模型的剛度達到設計要求。將此設計模型用于鋪裝層材料特性的比較而得出的結果將更加可靠。

4 結語

加速加載模型設計有助于試驗模擬實橋狀況，對橋面鋪裝性能進行對比研究。本文研究發(fā)現改變模型頂板厚度可以有效地減小模型剛度，但為滿足模型位移條件，還需優(yōu)化其他構件尺寸，避免堆載過大難以實現的問題;在足尺模型設計上，采用控制鋪裝層橫向最大拉應變來控制模型剛度，避免了直接截取原橋段進行試驗導致的剛度不匹配，試驗破壞現象無法產生的情況;考慮鋪裝層表面和鋼板底面應變幅狀況，使用與之對應的振幅實測值與振幅理論值進行比較，驗證了足尺模型的可靠和合理性。

參考文獻：

[1]高星林，張鳴功，方明山，等.港珠澳大橋工程創(chuàng)新管理實踐[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2016，35（S1）：12-26.

[2]田澤峰. MLS足尺瀝青路面加速加載試驗[M].北京：人民交通出版社， 2015.

[3]張起森，李宇峙，邵臘根，等.廈門海滄大橋橋面瀝青鋪裝層直道疲勞試驗研究[J].中國公路學報，2001（1）：62-67，74.

[4]錢振東，黃 衛(wèi)，駱俊偉，等.正交異性鋼橋面鋪裝層的力學特性分析[J].交通運輸工程學報，2002（3）：47-51.

[5]鐘 科，陳 飛，魏小皓，等.基于加速加載試驗的鋼橋面鋪裝性能研究[J].公路交通科技，2017，34（11）：50-56.

[6]張順先.基于使用性能的鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混合料設計研究與疲勞壽命預測[D].廣州：華南理工大學，2013.

收稿日期：2020-06-02