钢桥面环氧沥青混凝土铺装层_型裂缝的断裂判据_钱振东

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钢桥面环氧沥青铺装养护工程施工工法

钢桥面环氧沥青铺装养护工程施工工法钢桥面环氧沥青铺装养护工程施工工法一、前言钢桥面环氧沥青铺装养护工程施工工法是一种专门应用于钢桥面的道路铺装和保养工程的施工方法。

它以提高钢桥面的防水、防腐和耐久性为目标，具有较高的工程实用性和经济性。

二、工法特点1.钢桥面环氧沥青铺装养护工程工法以环氧沥青为主要材料，具有良好的附着性、耐候性和抗腐蚀性。

2.该工法采用特殊的施工方法，保证了钢桥面铺装层的平整度和光滑度，能够提供更好的行车平稳性和安全性。

3.施工过程简便快捷，适用于各种桥梁类型和结构形式，不仅适用于新安装的钢桥面，也适用于老化和损坏的钢桥面的修复和保养。

4.该工法施工周期短，施工成本低，且具有较长的使用寿命，为工程运行和维护带来了便利。

三、适应范围钢桥面环氧沥青铺装养护工程适用于各种类型的钢桥面，不论是新安装的还是老化和损坏的钢桥面。

它可以广泛应用于市政道路、高速公路、铁路和机场等各种交通设施的钢桥面建设和保养。

四、工艺原理钢桥面环氧沥青铺装养护工程采用环氧沥青作为主要施工材料，通过特殊的施工方法，将环氧沥青涂装在钢桥面上，形成一层防水、防腐和耐久的铺装层。

工法的理论依据是环氧沥青具有良好的附着性和抗腐蚀性能，能够有效保护钢桥面免受水分和化学腐蚀的损害，并延长钢桥面的使用寿命。

五、施工工艺1.准备工作：清理钢桥面，修复老化和损坏部分，进行防腐处理。

2.铺装环氧沥青：采用喷涂或刷涂的方式将环氧沥青均匀涂布在钢桥面上，保证铺装层的平整度和光滑性。

3.养护处理：使用适当的加热设备对环氧沥青进行养护，以保证铺装层的固化和硬化。

4.附属工程：进行边缘修整和标线绘制，完善钢桥面的使用功能。

六、劳动组织钢桥面环氧沥青铺装养护工程的劳动组织需要有专业的技术人员进行施工监督和指导，同时需要合理安排工人的分工和协作，确保施工过程的顺利进行。

七、机具设备施工工法需要的机具设备包括清理设备、修复设备、喷涂设备、加热设备和边缘修整设备等。

桥面铺装层裂缝产生原因及修补措施

桥面铺装层裂缝产生原因及修补措施摘要：桥面铺装层破损、开裂、错台、麻面和磨光是水泥混凝土路面最为常见病害，其中桥面板破损是损坏面积最大而且危害最为严重一种形式，并且桥面铺装层的修补也最为困难。

由于裂缝是引起材料破坏、断裂的根源，只有弄清裂缝产生原因的基础上才能对症下药，预防裂缝的产生，进行科学的修补，提高高速公路的运营能力及防止事故的发生。

关键词：桥面铺装层；裂缝；修补桥面铺装混凝土的施工，一般为8～10cm厚C30钢筋混凝土加5～7cm沥青混凝土面层。

桥面铺装层按其受力和作用来看，直接承受行车荷载、粱体变形和环境因素的作用，其变形和应力特征与主梁及桥面板结构型式密切相关，一方面可分散荷载并参与桥面板的受力；另一方面起联结各主粱共同受力的作用，既是桥面保护层又是桥面结构的共同受力层，所以桥面铺装是一个受力复杂的动力体系，要求具有足够的强度和良好的整体性，并具有足够的抗裂、抗冲击、耐磨性能。

实际施工中，因桥面铺装混凝土工程造价低、工程量小、费工且占用机械多等原因，往往没引起足够的重视。

一、桥面铺装层裂缝产生的原因刚性路面是根据弹性半无限地基上的小挠度薄板理论进行设计的。

桥面铺装层设计与普通混凝土路面设计基本一样，但由于其是刚性预制板上浇筑的混凝土，受力情况发生了很大的变化，使得桥面铺装层的裂缝原因较为复杂。

根据裂缝产生原因分为干缩裂缝、温度裂缝和疲劳裂缝。

1．干缩裂缝在砼中，水在水泥石中以化学结合水、层间水、物理吸附水和毛细水等状态存在，当这些水在混凝土硬化过程状态变动时，水泥浆体就会收缩，如果自由收缩，一般不会导致裂缝产生，唯有收缩受到限制产生收缩应力时，才会产生裂缝。

面铺装层产生收缩应力主要是由于受到两方面的限制：水泥浆干缩的内部限制及铺装层干缩的外部限制，主要是预制板和侧面路面的约束。

2．温度裂缝砼具有热胀冷缩的性能，桥面铺装层的热胀冷缩是在相邻的部分成整体性限制条件下发生的，砼材料的抗折强度较抗压强度小，因而当铺装层中产生拉伸变形时，很容易引起开裂。

整桥-温度-重载耦合作用下钢桥面黏结层力学分析

Ｍｅｈｎｃｌａａｙｉｆｗａｅｐｏｆｂｎｄｎａｅｎｓｅｌｂｉｇｅｋｃａｉａｎｌｓｓｏｔｒｒｏｏｉｇｌｙｒｏｔｅｒｄｅｄｃ
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钢桥面沥青铺装病害处理初探

钢桥面沥青铺装病害处理初探当前，正交异性钢桥面板应用于中大跨径桥梁结构的工程越来越多，钢桥面沥青铺装的技术在世界上也十分注目，上海卢浦大桥层作为专题研究，在技术上取得了很大进步。

中山路三号桥钢桥面沥青铺装工程一九九二年施工,至今已运行十多年。

对内环高架路中山西路三号桥钢桥面沥青混凝土铺装层病害维修及养护进行研究和分析，是钢桥面沥青铺装技术研究的一项重要内容。

对于上海钢桥面沥青铺装技术进步具有很重要意义。

一、内环线跨苏州河桥面铺装概况内环高架路跨苏州河的中山西路三号桥桥钢桥面长41米，宽18米，结构型式为在钢桥面板上焊接间距为20厘米φ8防滑钢筋网，厚度为5cm的沥青混凝土作为面层直接铺筑其上。

经过5年的使用，在一九九九年桥面沥青铺装层开始产生松散、推移、车辙和坑洞等损坏，且局部有防滑钢筋露出。

二、钢桥面铺装病害原因分析（一）机械因素钢桥面沥青铺装有其特有的受力状态和特点，钢梁桥面铺装直接承受交通荷载的反复作用，它不具有水泥砼桥面铺装的刚性底板支撑，也不像道路那样有坚强的路基支撑，而且钢箱梁本身的变形、挠度、振动都直接影响桥面铺装层的工作状态。

当初为防止沥青层与桥面钢板之间的滑移，而在桥面钢板上焊接的防滑钢筋网，使得所铺装的沥青混凝土层在断面上不是一个等高体，在桥面板和防滑钢筋处的沥青层高是不同的。

在车轮长期动荷载的作用下，沥青混凝土面层在防滑钢筋网格处会产生应力集中，易发生剪切破坏，在路表上常常表现为网格化龟裂。

（二）温度因素上海地区夏季钢桥面的沥青铺装层的温度可达60～70oc，除铺装层本身受气温变化的影响外，由于钢材的热胀系数比沥青混凝土大得多，钢桥面结构的季节性变化严重地影响了沥青铺装层的变形。

（三）水作用因素沥青混凝土材料是一种透水性材料，而钢材没有吸收水的作用，水在钢材表面在没有良好排水系统设置的情况下只能通过蒸发排出，这些状况导致了钢桥表面常有一水层存在。

在上海夏季60～70oc高温和冬季结冰的气候条件下，水蒸气高温下的体积膨胀和水的低温冰劈作用都会导致沥青混凝土材料的松散，扩大沥青的空隙，从而导致裂缝的出现。

钢桥面铺装用环氧沥青混合料低温断裂性能

ＭＩＺｈａｏｈｕＫ０ＮＧｎｌｉ。Ｎ — ｉ。Ｄｏｇ— ｅ
ＨＵＡＮＧｅＷｉ
（ｎｔｕｅｏｎｅｌｅｔＴｒｎｐｒａｉｎ，ＳｕｈａｔＵｎｖｒｉＩｓｉｔｆＩｔｌｉｎａｓｏｔｔｔｇ０ｏｔｅｓｉｅｓｔｙ，Ｎａｊｇ２０９，Ｃｈｎ）ｎｉ１０６ｎｉａ
ｇｙｏｆｆｒｄｆｅｅｒｓｌｎｅｒｅｅｏｘｅｉｓｈａｔｍｉｅｏｒｌｔｔｙｎｍｉｏｌｓｏｆｂｎｄｒｏｕｉｆｒｎｔｃｏｓｉｋｄｇｅｐｙｒｓｎａｐｌｘｓｃｒｅａｅｗｉｈｄａｃｍｄｕｕｉｅ，ｏｒｓｉｅｒｅａｅｒｃｏｓｌｎｋｄｇｅｎｄｔｍｐｅａｕｒ．Ｒｅａｉｎｓｉｒｏｕｔｅｒｃｕｒａａｔｒｆｍｉｅｓａ－ｒｔｅｌｔｏｈｐｓａｅｆｎｄｂｅｗｅｎｆａｔｅｐｒｍｅｅｓｏｘｎｄｄｙ
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ｔｅｅｏｙｒｓｓｈｌｍｉｅｔｒｓｌｋｄｇｅｓｏ８４，６．，７．％ａｄ７．ｉｒｄｃｄｈｐｘｅｉａｐａｔｘｓｗｉｃｏｓｉｅｒｅｆ５．ｎｈｎ７３１４ｎ５３ｓｅｕｅ

公路大桥钢桥面环氧沥青混凝土铺装技术

3 铺装方案与技术标准
集料
矿质填料
闵浦大桥环氧沥青混凝土材料技术标准
技术指标
技术要求
试验方法
颗粒形状
均匀，接近立方体，100% 破碎面，针片状含量≤5%
目视,
压碎值, %
≤18
T0316-2005
洛杉矶磨耗值, %
≤12
T0317-2005
磨光值, BPN
≥48
T0321-2005
砂当量, %
≥65
30mm环氧沥青混凝土
桥面钢板, 喷砂除锈至Sa2.5,Rz40-80,60-80μm, 环氧富锌漆
0.45L/m2环氧沥青粘结剂 0.68L/m2环氧沥青粘结剂
闵浦大桥钢桥面经喷砂除锈至Sa2.5级后采用 60-80μm环氧富锌漆重防腐涂装体系，行车道钢桥面铺装采用总厚度55mm的双层环氧沥青混
4.5 环氧沥青混凝土的摊铺
2.摊铺过程中需注意的问题
摊铺机与料车若有打滑现象，可沿轮迹带撒一层热拌混合料。
要设专人负责翻动螺旋布料器两端和中间部分的 “死料”，有专人检查摊铺之后的“死料”并且去除后要及时补上好料。摊铺机料斗两翼收拢后，人工协助将进料全部推至送料刮板上，不得有“死料”。
装的BENNINGHOVEN J-2000间歇式拌和楼生产，间歇式拌和楼设有接料滑车，以方便工作人员及时检测料温。
4.3 环氧沥青混凝土的拌和
3. 混合料出厂温度控制
沥青温度的控制 A、B组分的加热保温罐的温度应该分别设定为87℃、 130℃，不得随意改变。
骨料温度的控制为保证环氧沥青混凝土拌和温度控制在110℃~115℃ 范围内，在生产配合比设计阶段除进行冷料仓进料速度调试、热料仓比例调试外还认真调试了矿料加热温度。根据大气温度高低、冷料仓进料量、风油门开度与骨料温度的关系，制定温控曲线。

环氧沥青在钢桥面铺装中应用的设计

环氧沥青在钢桥面铺装中应用的设计
环氧沥青在钢桥面铺装中应用的设计
以西南地区一座跨长江的特大型桥梁的桥面铺装为例,简要介绍了环氧沥青混凝土设计的相关内容,从桥区的自然气候情况和环氧沥青混凝土铺装前对钢桥面板的除锈、涂装、防水粘结层要求进行了筒述,并对不同用处中环氧沥青结合料及沥青混合料组成设计及要求进行了介绍,从而为类似工程积累经验.
作者：应国强刘厚平 YING Guo-qiang LIU Hou-ping 作者单位：应国强,YING Guo-qiang(浙江衢州交通设计有限公司,浙江衢州,324002)
刘厚平,LIU Hou-ping(湖州市交通规划设计院,浙江湖州,313000) 刊名：山西建筑英文刊名：SHANXI ARCHITECTURE 年，卷(期)：2010 36(3) 分类号：U443.33 关键词：桥面铺装环氧沥青环氧沥青配合料应用设计。

钢桥面环氧沥青铺装技术说明1

钢桥面环氧沥青铺装技术说明东南大学南京朝科路桥工程技术有限公司目录1.桥面沥青铺装设计要求 (1)2.钢桥面铺装及材料 (1)2.1钢桥面铺装结构设计 (1)2.2钢桥面防排水设计 (2)2.3铺装材料、混合料组成及性能要求 (2)2.3.1环氧富锌底漆 (2)2.3.2环氧沥青防水粘结层 (3)2.3.3环氧沥青混凝土铺装层 (3)3.钢桥面铺装施工实施要求 (7)3.1抛丸除锈 (7)3.2环氧富锌桥面油漆涂装检测指标 (8)3.3多组分环氧沥青防水粘结层施工 (8)3.4多组分环氧沥青混凝土施工与施工质量的控制 (8)3.4.1施工工艺流程 (9)3.4.2混合料设计 (9)3.4.3施工质量控制要点 (10)3.4.4质量检测 (12)4.施工质量检测及验收标准 (12)1.桥面沥青铺装设计要求（1）沥青铺装层要求具有良好的抗车辙性能沥青铺装在夏季高温条件和车辆荷载综合作用下，容易产生车辙病害，因此，良好的高温稳定性是沥青铺装的一般要求。

（2）沥青铺装层要求具有良好的抗疲劳开裂性能交通荷载作用下，桥面铺装层要随同钢板变形而产生反复的挠曲变形，特别是在钢板U 形加劲肋顶部对应的铺装表面将产生反复弯曲应力（应变）而开裂。

因此，铺装设计要重点考虑沥青铺装层的抗疲劳开裂性能。

（3）沥青铺装层与钢板之间应具有良好的层间结合能力交通荷载作用下，桥面铺装层与钢板要同步变形；气候环境作用下，沥青铺装结构层以及钢板要产生不同的温缩变形，这使得各结构层（包括钢板）之间产生较大的弯拉应力和剪切应力，并导致层间脱离，引起铺装层破坏。

因此，要求沥青铺装层与钢板之间必须具有良好的层间结合力。

（4）沥青铺装层对桥面板等钢结构应具有良好的保护作用桥位所在区域雨量充沛，气候潮湿，水分易导致钢板锈蚀，降低铺装结构层的耐久性和桥梁钢结构的使用寿命。

因此，在铺装设计中，还要重点考虑铺装结构体系对钢板的保护作用和防腐作用。

（5）沥青铺装具有良好的抗滑性能桥位所在区域常年雨量充沛，在这种气候条件下，桥面湿滑，面层抗滑性能降低，存在很大的交通隐患，钢桥面铺装设计应考虑其良好的抗滑性能，以确保交通安全。

沥青混凝土路面出现裂缝的原因及防护措施

沥青混凝土路面出现裂缝的原因及防护措施摘要：近年来，沥青混凝土路线裂缝问题已经愈演愈烈，文章主要针对对沥青混凝土路面的裂缝产生原因进行分析以及防治和处理进行相关探讨，希望能够引起广大同仁的关注。

关键词：裂缝措施危害防治处理1、沥青混凝土路面裂缝类型一般来说，沥青混凝土路面裂缝大体分为两种类型，一种是早期裂缝，即主要由于碾压前沥青混凝土摊铺时间过长、混凝土过细、等施工工艺不当或用了不合格的材料产生的裂缝。

碾压过程当中产生细小裂缝，产生横向裂纹；另一种是沉陷性、疲劳性裂缝，因路基局部下沉将路面掰裂，即主要由于行车荷载作用下产生的裂缝。

在车辆荷载作用下，半刚性基层底部产生拉应力，如果拉应力大于基层材料的抗拉强度，则基层底部很快开裂，直至影响到沥青面。

两种类型的裂缝分别通过横向裂缝、纵向裂缝、网裂和反射裂缝等形式表现出来。

2 面层的非沉陷型早期裂缝2.1现象(1)碾压过程当中产生细小裂缝。

(2)由于基层的影响产生的较规律横向裂纹。

2.2危害(1)雨雪水会沿道路裂缝渗入路面基层和土基，降低路基路面的稳定性和强度造成局部变形，逐渐扩展为网状开裂。

(2)碾压中产生的微裂纹，虽初期不影响行车，但在水份浸蚀及阳光照射下，成为促使面层沥青混凝土疲劳开裂的催化剂，会大大缩短沥青路面的使用寿命。

2.3原因分析(1)碾压前沥青混凝土摊铺时间过长，其表面变冷，形成僵皮，而其内部较热，可塑性好，形成压路机串皮碾压；过早使用重碾，造成沥青混凝土在压路机碾轮前出现波浪；底层与面层粘结不好（如下层表面脏污，或没有喷洒沥青结合料）；以及过碾产生推移等这些原因都可产生细小裂纹。

(2)压路机加速或减速太猛，尤其是转向时过猛产生路面横纹。

(3)沥青混凝土过细，其结合料太少（即油石比过低）；上碾过早，沥青混凝土温度过高；沥青混凝土中集料级配太差，石料偏少；由于刮风下雨或喷水防粘时碾轮喷水过量等，造成沥青混凝土温度过低，产生的横向微裂纹。

(4)整平找补料层过薄；或在坡道上摊铺沥青混凝土料过厚；对薄沥青混凝土层过量碾压等产生的横向微裂纹。

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第21卷第5期2008年9月中国公路学报ChinaJournalofHighwayandTransportVol.21 No.5Sept.2008

文章编号:1001-7372(2008)05-0033-06

收稿日期:2008-01-18基金项目:国家自然科学基金项目(50578038)作者简介:钱振东(1969-),女,江苏南通人,教授,博士研究生导师,工学博士,博士后,E-mail:qianzd@seu.edu.cn。

钢桥面环氧沥青混凝土铺装层Ñ型裂缝的断裂判据钱振东,李智,陈春红(东南大学智能运输系统研究中心,江苏南京 210096)

摘要:基于桥面铺装的裂缝特点及断裂力学理论,引入应力强度因子K和J积分对环氧沥青混凝土三点弯曲梁试验进行分析,研究了温度和初始缝高比对其断裂特性的影响。根据不同断裂特性,计算得到了环氧沥青混凝土断裂韧性KIC和J积分临界值JIC;并研究了初始缝高比对断裂参数的影响,建立了环氧沥青混凝土K-J双参数联合断裂判据。结果表明:环氧沥青混凝土在-15e~5e时发生脆性断裂;在5e~25e时发生弹塑性断裂;所建立的断裂判据可为桥面铺装的抗裂设计提供依据,并为铺装结构的裂缝修补时机研究提供参考。关键词:桥梁工程;环氧沥青混凝土铺装层;三点弯曲梁试验;断裂判据;Ñ型裂缝中图分类号:U443.33 文献标志码:A

FractureCriterionforModeÑCrackofEpoxyAsphaltConcretePavingCourseofSteelDeckBridgePavement

QIANZhen-dong,LIZhi,CHENChun-hong(IntelligentTransportationSystemResearchCenter,SoutheastUniversity,Nanjing210096,Jiangsu,China)

Abstract:Basedonthecrackcharacteristicsofsteeldeckbridgepavementandtheoryoffracturemechanics,thestressintensityfactorKandJintegralwasintroducedtoanalyzethree-pointbendingbeamtestoftheepoxyasphaltconcrete.Itsfracturepropertieswerestudiedatdifferenttemperaturesanddifferentratiosofinitialcrackdepthtobeamheight.Thetestresultsindicatethatepoxyasphaltconcretepresentselastic-plasticfracturepropertyat5eto25eandpresentsbrittlefracturepropertyat-15eto5e.Accordingtodifferentfractureproperties,thefracturetoughnessKICandthecriticalJintegralJICwereobtained.Inaddition,theeffectofinitialcrackdepthonthetwoparameterswasstudied,andadouble-parameterK-Jfracturecriterionwasfoundedfortheepoxyasphaltconcrete.Theresearchisusefulforant-icrackingdesignandprovidesreferenceforcrackrepairtimestudyofasphaltconcretepavement.Keywords:bridgeengineering;epoxyasphaltconcretepavingcourse;three-pointbendingbeamtest;fracturecriterion;modeÑcrack

0引言大跨径钢桥桥面铺装层的使用条件十分苛刻,对铺装材料要求非常高。环氧沥青混凝土具有很高的强度、良好的耐疲劳和耐腐蚀性能、优异的高温稳定性和水稳定性,并且在低温条件下的收缩系数与钢板相近,使得其温度应力大幅度降低,因此环氧沥青混凝土是一种优良的大跨度钢桥桥面铺装材料。随着环氧沥青混凝土在南京长江二桥上的成功应用,南京长江三桥、润扬大桥、舟山桃夭门大桥和刚建成不久的苏通长江大桥、武汉阳逻长江大桥、杭州湾大桥等具有当今世界先进水平的大跨径钢桥都采用环氧沥青混凝土作为桥面铺装材料。环氧沥青混凝土已经成为大跨径钢桥桥面铺装的首选材料,在中国有很大的推广应用前景。环氧沥青混凝土是非均质的、温度敏感的多相材料,其内部含有许多天然微孔隙和微裂纹,这些原始缺陷在荷载重复作用下不断演化发展,最终形成宏观裂缝,而裂缝持续扩展将导致铺装破坏。根据实桥调查发现,裂缝是钢桥面铺装的主要病害形式,裂缝的扩展是铺装层失效的原因之一。目前从断裂力学角度对环氧沥青混凝土铺装裂缝的研究较少,对铺装的断裂失效判据认识不深。不少研究人员根据路面设计理论研究钢桥面铺装的失效判据,把铺装层表面最大拉应力或拉应变作为铺装的疲劳失效判据,所得结论与实际路面情况不符。断裂力学可用于描述微裂纹的萌生与发展过程,研究宏观裂缝的稳定与失稳扩展规律,本文中基于断裂力学理论研究大跨径钢桥桥面铺装的疲劳失效判据准则。环氧沥青混凝土与金属、水泥混凝土的断裂特性不同,温度对其断裂特性有明显的影响。当温度较低时,环氧沥青混凝土主要表现出线弹性,发生脆性断裂;当温度升高到一定程度后,裂缝尖端开始出现塑性区,环氧沥青混凝土发生弹塑性断裂。钢桥面铺装层的厚度很薄,一般为50mm,一旦出现裂缝,在荷载和环境作用下裂缝将不断扩展直至贯穿,对铺装的使用寿命有很大的影响,因此必须对铺装层的起裂及时做出判断并进行修复。本文中采用三点弯曲梁试验测定环氧沥青混凝土在不同温度下的断裂参数,分析了各参数的适用性,同时研究不同缝高比对断裂参数的影响,得出了适用于环氧沥青混凝土的断裂判据,为铺装的抗裂设计和裂缝修补研究提供依据。

1钢桥面铺装层裂缝的类型正交异性钢桥面铺装结构与一般公路沥青混凝土路面结构不同,两者的受力模式完全不同。图1为路面结构与钢桥面铺装结构的对比。从图1可以看出:典型路面的沥青混合料面层位于刚度较均匀

图1典型的路面结构和钢桥面铺装结构断面对比Fig.1ComparisonofSectionBetweenTypicalRoadSurfaceStructureandSteelDeckBridgePavementStructure的基层上,而钢桥面铺装层则位于刚度不均匀的钢桥面板上。对于一般的沥青混凝土路面,沥青混凝土面层的最大拉应力或拉应变均出现在面层底面,疲劳裂缝从面层的底面向顶面扩展,通常认为在交通荷载作用下沥青路面最危险的开裂方式为Ò型剪切开裂方式。而对于钢桥面沥青混合料铺装,由于正交异性钢桥面板柔度大,在车辆荷载与外界环境的共同影响下,钢桥面板局部变形。由于加劲肋的支撑作用,在车辆荷载作用下,加劲肋、横肋或横隔板、纵隔板顶部的铺装层表面出现明显的应力集中现象,从而使该处产生裂缝,并且裂缝从铺装层表面向底面扩展,裂缝的扩展形式以Ñ型张开开裂为主,Ñ型裂缝已经成为铺装最危险的开裂方式[1-2]。因

此本文中主要研究钢桥面铺装的Ñ型裂缝。

2断裂力学参数及断裂判据因为裂缝尖端应力具有奇异性,经典的强度理论不能解决这类问题,而应力强度因子K可以有效描述这类问题,它反映了线弹性材料裂缝尖端弹性应力场的场强。Ñ型裂缝应力强度因子KÑ的临界值KIC表征了材料阻止裂缝扩展的能力,是材料抵抗断裂的韧性指标,称为断裂韧性。当构件的K值达到其临界值KIC时,构件就会失稳断裂。脆性断裂的应力强度因子判据可以表示为:K=KIC,KIC为材料常数,可通过试验测定。对于切口三点弯曲梁试件,断裂韧性KIC由式(1)计算[3-4]

KIC=PQSBW3/2f(a0W)(1)式中:PQ为临界荷载;B为试件宽度;W为试件高度;a0为初始裂缝深度;S为弯曲梁支点之间的距离。临界荷载PQ和初始裂缝深度a0的确定方法见GB4161)84。f(a0/W)为系数,按照式(2)计算

f(a0W)=2.9(a0W)1/2-4.6(a0W)3/2+

21.8(a0W)5/2-37.6(a0W)7/2+38.7(a0

W)9/2(2)

34中国公路学报 2008年当裂缝尖端出现较大的塑性变形时,线弹性裂纹解不能描述问题的真实状态,这时可以引入弹塑性断裂参数J积分来描述这类问题。它反映了裂缝尖端弹塑性应力场的场强,且由于积分路径无关性,J积分绕开了裂缝尖端的塑性区,避免分析塑性区复杂的力学性状。大量试验表明,J积分可以作为裂缝起裂判据,其数据较稳定,并与试件尺寸无关。在弹塑性情况下,J积分的值由线弹性J值和塑性J值2个部分组成。图2中Ñ区为弹性形变能Ue,Ò区为弹塑性形变能Up。三点弯曲梁J积分的表达式为

J=Je+Jp=(1-L2)K2ÑE+2UpB(W-a0)(3)式中:E为弹性模量,可以根据荷载-加载点位移(P-V)曲线采用初始柔度法计算得出;L为泊松比,取为0.3;Up可根据P-V曲线采用Matlab软件编程计算得出。测定材料的JIC值,可采用深裂纹单试样[5-6],由临界点所对应的位移值Vc和载荷值PQ

按式(4)进行计算。当裂纹尖端的J积分达到临界

值JIC(J=JIC)时,裂缝开始扩展。若P-V曲线上升段呈线性,则Up的值很小,可以忽略。这时断裂韧性KIC和JIC可以通过式(4)转换

JIC=(1-L2)K2ICE(4)

图2单试样P-V曲线Fig.2PandVCurveofSingleSample

3试验研究切口三点弯曲梁试验是研究材料断裂参数最常用的试验方法,该试验所用梁的受力特点和裂缝扩展形式与钢桥面铺装的实际情况相似,所以本文中采用切口三点弯曲梁试验研究环氧沥青混凝土的断裂参数。试验时梁处在弯曲状态下,加载设备需要实时自动记录载荷P及试件加载点的位移V,同时记录裂缝口的张开位移D,得到P-V曲线和P-D曲线,试验装置如图3所示。裂缝口张开位移的实时量取是试验数据采集的重要组成部分,本文中采用数码摄像的方式,由拍摄的录像根据需要的采样频图3三点弯曲梁试验装置(单位:mm)Fig.3ExperimentalEquipmentofThree-pointBendingBeam(Unit:mm)率从视频上截取照片,然后在照片上采用量距软件量出裂缝口张开位移。本文中加载设备采用MTS810试验机,该试验机能够实时自动根据设定的时间间隔采集荷载和加载点位移,摄像机可自动记录时间,保证加载与拍摄同步则可以将不同时刻测得的D与荷载和位移对应起来,得出P-D曲线。关于切口三点弯曲梁试件的几何参数,大量的试验结果表明[7-9]:材料的断裂参数与试样的高度W、裂纹长度a0、韧带尺寸W-a0均有关;只有当试样尺寸满足平面应变小范围屈服的力学条件时,才能获得稳定的断裂参数值,从而与试样的尺寸无关。只有足够厚的试样才能在厚度方向上产生足够的约束,从而使厚度方向的应力分量为0,得到平面应变状态。标准试样的裂纹是属于穿透裂纹,于是在2个表面层的裂纹尖端总是处于平面应力状态,只有在厚度方向上的中间部分才处于平面应变状态。所以,当试样的厚度足够大时,在厚度方向上的平面应力层所占的比例很小,裂纹前缘的广大区域处于平面应变状态,这时裂纹的扩展基本上是在平面应变状态下进行的。对于环氧沥青混凝土桥面铺装,厚度一般为5cm,因此本文中试件高度和厚度均采用5cm,不需要变化试件的尺寸。试件的跨度一般是试件高度的4倍,所以试件跨度取为20cm,试件尺寸见图3。集料级配采用南京长江三桥钢桥面铺装试验研究所确定的级配[10],油石比为6.5%。试件采用轮碾法成型,成型后在120e环境下固化4h,然后脱模并切割成图3所示的小梁试件,并根据缝高比要求用钢锯加工试件的初始裂缝。沥青混合料的断裂特性和温度密切相关,因此设计了不同的试验温度进行断裂试验[11-12]。由于开裂一般是沥青混合料在低温或常温出现的病害形式,因此设定的试验温度为-15e、-5e、5e、15e、25e。试验之前对试件恒温保温4h,然后在环境温控箱内进行加载试验。MTS810试验机的温度控制箱自动控制试件环境温度,并用水银温度计校正。加载方式为控