基于使用性能的钢桥面铺装环氧沥青混合料设计研究与疲劳寿命预测
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摘要
钢桥面铺装技术是大跨径桥梁建设的关键技术之一，一直受到国内外学术界与工程界的高度重视与关注。现阶段，国内外钢桥面铺装方案主要有双层SMA类、浇注式类、环氧类和ERS类，其中尤以环氧类铺装在国内外钢桥面铺装中所占比例最大。就环氧沥青混合料本身而言是一种性能优良的铺装材料，但调查表明部分环氧沥青混合料铺装层在使用过程中出现抗滑性能较差、易疲劳开裂、坑槽等病害。究其原因主要是现阶段设计的环氧沥青混合料构造深度和摩擦系数较小；设计时未把疲劳性能纳入混合料配合比设计当中，而只是作为一项路用性能验证指标，且对环氧沥青混合料疲劳破坏机理及寿命预测研究有待进一步深入研究；针对环氧沥青混合料粘弹性行为及韧脆转变温度研究较少。要解决这些问题不可能一蹴而就，需要从材料性能评价、力学分析机理、混合料设计等多角度系统性进行研究。基于上述背景，本文按照“针对性、实用性”的研究准则，通过现状调研、理论分析、数值模拟和试验验证的手段尝试解决环氧沥青混凝土铺装中存在的一些关键技术问题，完善环氧沥青混合料设计方法和水平，为钢桥面铺装建设作出贡献。
本文首先针对国内外钢桥面铺装环氧沥青混合料使用状况开展调研工作，总结分析现阶段混合料铺装层病害特点及存在不足之处；其次，针对环氧沥青混合料铺装层使用现状，提出基于抗滑、抗疲劳开裂的设计方法和评价指标，并对环氧沥青混合料的韧脆转变温度及转变区间进行研究；随后对设计的环氧沥青混合料开展粘弹性行为研究工作，为铺装层力学行为分析提供基础数据参数；采用有限元分析方法对铺装层不利状态的力学行为进行研究，并基于室内试验的基础上，开展混合料疲劳性能及耐久极限研究工作；最后，基于实桥荷载谱和环境谱的基础上，融合前文研究结果，完成铺装层环氧沥青混合料的疲劳寿命预测。本文开展主要研究工作如下：
1、为了提高环氧沥青混合料的抗滑性能和抗疲劳性能，对原有级配和设计方法进行改进和完善，将“粗骨料空隙填充法（CAVF）”和“冲击韧性”引入到配合比设计当中，建立起J积分与冲击韧性之间联系，并通过试验验证冲击韧性与疲劳性能之间关系；并对设计的沥青混合料开展抗滑性能、防水性能和疲劳性能等路用性能研究工作，提出以“空隙率、构造深度、冲击韧性”作为环氧沥青混合料配合比设计的评价指标，并基于冲击韧性的基础上，揭示了环氧沥青混合料的韧脆转变温度和转变区间。
2、采用DMA试验方法研究环氧沥青及混合料宽温宽频范围内粘弹性行为，并对试验原理、试验仪器和试验参数等进行阐述。通过DMA试验获得不同温度、频率下环氧沥青及混合料的粘弹参数，综合分析总结加载温度和频率对环氧沥青及混合料粘弹性行为影响，并基于时温等效原理和非线性最小二乘法的基础上，确定环氧沥青混合料宽频范围内动态模量主曲线方程和移位因子，为铺装层力学行为分析提供基础数据参数。
3、基于动态模量参数基础上，运用有限元软件建立梁板三维实体混合有限元模型，以港珠澳大桥工程为背景，结合桥梁分析软件Midas Civil采用两层次分析法对不利位置处铺装层力学状态进行分析，首先建立全桥梁单元模型，考虑整体变温、梯度变温及车道荷载作用下的结构整体变形；其次，针对变形不利位置，运用“板-壳”模型理论进行局部分析，并采用多车道整体布载方式确定最不利荷载作用下的铺装层力学状态，进而明确钢桥面铺装层各项应力状态的最大值，最后分析了车载与温度耦合作用下铺装层的力学状态。研究结果为疲劳试验应变水平的选择和铺装层材料疲劳性能设计提供理论依据。
4、探寻不同加载水平对环氧沥青混合料疲劳性能影响，基于外延法基础上确定环氧沥青混合料疲劳耐久极限，并综合分析了环氧沥青种类和用量、混合料级配类型、平均沥青膜厚度和长期老化等因素对疲劳耐久极限的影响。研究成果揭示了环氧沥青混合料铺装层疲劳破坏机理及其影响因素，为钢桥面铺装领域疲劳寿命预测设计提供理论支持。
5、开展钢桥面铺装层混合料疲劳损伤研究与寿命预测工作，以外界大气温度和太阳辐射量为自变量，采用多元线性回归分析方法获得钢桥面铺装层温度场预估公式，提出基于温度和荷载耦合作用下铺装层疲劳累积损伤叠加原理和计算公式，推导出钢桥面铺装层疲劳寿命预测具体方法和步骤。并以港珠澳大桥桥面铺装工程为案例，基于实桥荷载谱、环境谱的基础上进行疲劳寿命预测分析。
6、以肇庆马房大桥钢桥面铺装工程为实体应用，将本文研究成果用于工程实践中，从目前使用情况来看，效果较理想，未发生任何形式的破坏，该研究成果具有较大的推广价值。
Steel deck pavement technology is one of the key technologies of the long span bridgeconstruction, has been attented and concerned greatly by academia and engineering sector ofdomestic and abroad. At the present stage, the pavement program of domestic and abroadsteel bridge deck are main double-SMA type, Gussasphalt type, Epoxy asphalt type and ERStype, especially the epoxy pavement type has the largest proportion in the domestic andabroad steel deck pavement. Epoxy asphalt is a mixture of epoxy resin, a curing agent and amatrix asphalt by the complexity of the chemical modification, the cured epoxy asphaltmixture is good material which has high strength and mechanical properties. As far as epoxyasphalt which is an excellent paving materials, but the survey showes that part epoxypavements appear poor skid resistance, prone to fatigue cracking and some pits diseases inthe course of using, The reasons are main that structure depth and friction coefficient ofdesigned epoxy asphalt mixture are slow; fatigue properties are not included in the Mixdesigns, just as a verification indicator of road performance, and the research for fatiguefailure mechanism and life prediction of epoxy asphalt mixture are not deep enough; theresearch for viscoelastic behavior and the ductile-brittle transition temperature of the epoxyasphalt mixture are less. Solving these problems can not be done overnight, need multi-angleresearch from material performance evaluation, mechanical analysis mechanism, mixturedesign method. Based on the above background, this article is in accordance with the“targeted,practicality”research guideline, try to resolve some of the key technical issues of epoxyasphalt concrete pavement by the status survey, the theoretical analysis, numerical simulationand experimental verification means, fill epoxy asphalt mixture design method and level,contribute for the construction of steel bridge deck pavement.
First of all, this article carries out survey and research work for the using condition ofdomestic and abroad epoxy asphalt mixture of steel bridge deck pavement, summary andanalysis disease characteristics and existing inadequate aspects of the mixture pavement atthis stage; Secondly, proposed design methods and evaluation of sliding and anti-fatiguecracking, and study epoxy asphalt mixture ductile-brittle transition temperature and transitioninterval; then carry out viscoelastic behavior research for the designd epoxy asphalt mixture,provide basic data parameters for mechanical behavior analysis of the pavement; using finiteelement analysis method to study the mechanical behavior of pavement, carring out thefatigue endurance limit research for mixture performance based on the basis of laboratory test;at last, complete fatigue life prediction of the epoxy asphalt mixture pavement based on the real bridge load spectrum and environmental spectrum. The main research work of this articleare as follows:
1、In order to improve the skid resistance and fatigue resistance of epoxy asphalt mixture,improve the original gradation and design methods, introduce Course Aggregate Void Fillingmethod (CAVF) and impact toughness to the mix design, establish the relation between Jintegral and impact toughness; according to designed asphalt mixtures, carry out skidresistance performance,waterproofing performance and fatigue performance research works,proposed “porosity, structure depth, impact toughness” to be design evaluation index of epoxyasphalt concrete mixture design. Based on the basis of the impact toughness, reveals theductile-brittle transition temperature and transition range of epoxy asphalt mixture.
2、Using DMA test methods to research wide temperature broadband viscoelasticbehavior for epoxy asphalt and mixture, and elaborate test principle, test equipment and testparameters. Get different temperature and different frequency viscoelastic parameters ofepoxy asphalt and mixture by DMA tests, analysis and summarize the load temperature andfrequency impact on epoxy asphalt and mixture viscoelastic behavior comprehensively, andbase on the time-temperature equivalence principle and the nonlinear least-squares method toidentify a wide frequency range of epoxy asphalt mixture dynamic modulus master curveequation and the shift factor, provide basic data parameters for the proposed model mechanicsanalysis, provide basic data parameters for mechanical behavior analysis of the pavement
3、Based dynamic modulus parameters,using finite element software to create the beamand slab three-dimensional entities mixed finite element model, in the back ground of HongKong-Zhuhai-Macao bridge project, Combine bridge analysis software Midas Civil and usetwo-level analysis method to analyze mechanical state unfavorable position. At first, establishfull-bridge beam unit model, consider the structure overall deformation by the overall variabletemperature, the gradient variable temperature and lane loads; Secondly, according todeformation unfavorable position, use the theory of plate-shell model to carry out localanalysis,and determine pavement mechanical state under the most unfavorable load usingmulti-lane overall layout load way, moreover, clear the maximum value of steel bridge deckpavement stress state; and analysis mechanical state of the pavement because of moduluschange, provide the basis for the design of material performance.
4、Explore the impact of different load level of epoxy asphalt mixture on fatigueperformance, determine the epoxy asphalt mixture fatigue endurance limit based on epitaxyand dissipated energy ratio, analyze the fatigue endurance limit impact factors comprehensively because of epoxy asphalt types and dosage, mixture gradation type, theaverage asphalt film thickness and long-term aging, provide a reliable basis for late pavementmixture fatigue life prediction.
5、Carry out asphalt mixture fatigue damage degree research, put outside air temperatureand solar radiation as the independent variable,using multiple linear regression analysismethod to estimate steel bridge deck pavement temperature field formula, proposed fatiguecumulative damage superposition principle and formula based on the temperature and loadcoupling, deduced steel bridge deck pavement fatigue life prediction methods and procedures.As a case of the Hong Kong-Zhuhai-Macao bridge deck pavement engineering, carry outfatigue life prediction based on the actual bridge load spectrum and environmental spectrum.
6、 Put Zhaoqing MaFang bridge steel deck pavement engineering as the entityengineering application, analyze the disease main influencing factors of Zhaoqing MaFangsteel deck pavement, according to ChemCo epoxy asphalt mixture and TAF epoxy asphaltmixture,carry out pavement performance, construction temperature and curing time comparedresearch. Finally, apply the results of this paper study into engineering practice, from thecurrent situation, use of the effect is very ideal with great promotional value.
本文首先针对国内外钢桥面铺装环氧沥青混合料使用状况开展调研工作，总结分析现阶段混合料铺装层病害特点及存在不足之处；其次，针对环氧沥青混合料铺装层使用现状，提出基于抗滑、抗疲劳开裂的设计方法和评价指标，并对环氧沥青混合料的韧脆转变温度及转变区间进行研究；随后对设计的环氧沥青混合料开展粘弹性行为研究工作，为铺装层力学行为分析提供基础数据参数；采用有限元分析方法对铺装层不利状态的力学行为进行研究，并基于室内试验的基础上，开展混合料疲劳性能及耐久极限研究工作；最后，基于实桥荷载谱和环境谱的基础上，融合前文研究结果，完成铺装层环氧沥青混合料的疲劳寿命预测。本文开展主要研究工作如下：
1、为了提高环氧沥青混合料的抗滑性能和抗疲劳性能，对原有级配和设计方法进行改进和完善，将“粗骨料空隙填充法（CAVF）”和“冲击韧性”引入到配合比设计当中，建立起J积分与冲击韧性之间联系，并通过试验验证冲击韧性与疲劳性能之间关系；并对设计的沥青混合料开展抗滑性能、防水性能和疲劳性能等路用性能研究工作，提出以“空隙率、构造深度、冲击韧性”作为环氧沥青混合料配合比设计的评价指标，并基于冲击韧性的基础上，揭示了环氧沥青混合料的韧脆转变温度和转变区间。
2、采用DMA试验方法研究环氧沥青及混合料宽温宽频范围内粘弹性行为，并对试验原理、试验仪器和试验参数等进行阐述。通过DMA试验获得不同温度、频率下环氧沥青及混合料的粘弹参数，综合分析总结加载温度和频率对环氧沥青及混合料粘弹性行为影响，并基于时温等效原理和非线性最小二乘法的基础上，确定环氧沥青混合料宽频范围内动态模量主曲线方程和移位因子，为铺装层力学行为分析提供基础数据参数。
3、基于动态模量参数基础上，运用有限元软件建立梁板三维实体混合有限元模型，以港珠澳大桥工程为背景，结合桥梁分析软件Midas Civil采用两层次分析法对不利位置处铺装层力学状态进行分析，首先建立全桥梁单元模型，考虑整体变温、梯度变温及车道荷载作用下的结构整体变形；其次，针对变形不利位置，运用“板-壳”模型理论进行局部分析，并采用多车道整体布载方式确定最不利荷载作用下的铺装层力学状态，进而明确钢桥面铺装层各项应力状态的最大值，最后分析了车载与温度耦合作用下铺装层的力学状态。研究结果为疲劳试验应变水平的选择和铺装层材料疲劳性能设计提供理论依据。
4、探寻不同加载水平对环氧沥青混合料疲劳性能影响，基于外延法基础上确定环氧沥青混合料疲劳耐久极限，并综合分析了环氧沥青种类和用量、混合料级配类型、平均沥青膜厚度和长期老化等因素对疲劳耐久极限的影响。研究成果揭示了环氧沥青混合料铺装层疲劳破坏机理及其影响因素，为钢桥面铺装领域疲劳寿命预测设计提供理论支持。
5、开展钢桥面铺装层混合料疲劳损伤研究与寿命预测工作，以外界大气温度和太阳辐射量为自变量，采用多元线性回归分析方法获得钢桥面铺装层温度场预估公式，提出基于温度和荷载耦合作用下铺装层疲劳累积损伤叠加原理和计算公式，推导出钢桥面铺装层疲劳寿命预测具体方法和步骤。并以港珠澳大桥桥面铺装工程为案例，基于实桥荷载谱、环境谱的基础上进行疲劳寿命预测分析。
6、以肇庆马房大桥钢桥面铺装工程为实体应用，将本文研究成果用于工程实践中，从目前使用情况来看，效果较理想，未发生任何形式的破坏，该研究成果具有较大的推广价值。
Steel deck pavement technology is one of the key technologies of the long span bridgeconstruction, has been attented and concerned greatly by academia and engineering sector ofdomestic and abroad. At the present stage, the pavement program of domestic and abroadsteel bridge deck are main double-SMA type, Gussasphalt type, Epoxy asphalt type and ERStype, especially the epoxy pavement type has the largest proportion in the domestic andabroad steel deck pavement. Epoxy asphalt is a mixture of epoxy resin, a curing agent and amatrix asphalt by the complexity of the chemical modification, the cured epoxy asphaltmixture is good material which has high strength and mechanical properties. As far as epoxyasphalt which is an excellent paving materials, but the survey showes that part epoxypavements appear poor skid resistance, prone to fatigue cracking and some pits diseases inthe course of using, The reasons are main that structure depth and friction coefficient ofdesigned epoxy asphalt mixture are slow; fatigue properties are not included in the Mixdesigns, just as a verification indicator of road performance, and the research for fatiguefailure mechanism and life prediction of epoxy asphalt mixture are not deep enough; theresearch for viscoelastic behavior and the ductile-brittle transition temperature of the epoxyasphalt mixture are less. Solving these problems can not be done overnight, need multi-angleresearch from material performance evaluation, mechanical analysis mechanism, mixturedesign method. Based on the above background, this article is in accordance with the“targeted,practicality”research guideline, try to resolve some of the key technical issues of epoxyasphalt concrete pavement by the status survey, the theoretical analysis, numerical simulationand experimental verification means, fill epoxy asphalt mixture design method and level,contribute for the construction of steel bridge deck pavement.
First of all, this article carries out survey and research work for the using condition ofdomestic and abroad epoxy asphalt mixture of steel bridge deck pavement, summary andanalysis disease characteristics and existing inadequate aspects of the mixture pavement atthis stage; Secondly, proposed design methods and evaluation of sliding and anti-fatiguecracking, and study epoxy asphalt mixture ductile-brittle transition temperature and transitioninterval; then carry out viscoelastic behavior research for the designd epoxy asphalt mixture,provide basic data parameters for mechanical behavior analysis of the pavement; using finiteelement analysis method to study the mechanical behavior of pavement, carring out thefatigue endurance limit research for mixture performance based on the basis of laboratory test;at last, complete fatigue life prediction of the epoxy asphalt mixture pavement based on the real bridge load spectrum and environmental spectrum. The main research work of this articleare as follows:
1、In order to improve the skid resistance and fatigue resistance of epoxy asphalt mixture,improve the original gradation and design methods, introduce Course Aggregate Void Fillingmethod (CAVF) and impact toughness to the mix design, establish the relation between Jintegral and impact toughness; according to designed asphalt mixtures, carry out skidresistance performance,waterproofing performance and fatigue performance research works,proposed “porosity, structure depth, impact toughness” to be design evaluation index of epoxyasphalt concrete mixture design. Based on the basis of the impact toughness, reveals theductile-brittle transition temperature and transition range of epoxy asphalt mixture.
2、Using DMA test methods to research wide temperature broadband viscoelasticbehavior for epoxy asphalt and mixture, and elaborate test principle, test equipment and testparameters. Get different temperature and different frequency viscoelastic parameters ofepoxy asphalt and mixture by DMA tests, analysis and summarize the load temperature andfrequency impact on epoxy asphalt and mixture viscoelastic behavior comprehensively, andbase on the time-temperature equivalence principle and the nonlinear least-squares method toidentify a wide frequency range of epoxy asphalt mixture dynamic modulus master curveequation and the shift factor, provide basic data parameters for the proposed model mechanicsanalysis, provide basic data parameters for mechanical behavior analysis of the pavement
3、Based dynamic modulus parameters,using finite element software to create the beamand slab three-dimensional entities mixed finite element model, in the back ground of HongKong-Zhuhai-Macao bridge project, Combine bridge analysis software Midas Civil and usetwo-level analysis method to analyze mechanical state unfavorable position. At first, establishfull-bridge beam unit model, consider the structure overall deformation by the overall variabletemperature, the gradient variable temperature and lane loads; Secondly, according todeformation unfavorable position, use the theory of plate-shell model to carry out localanalysis,and determine pavement mechanical state under the most unfavorable load usingmulti-lane overall layout load way, moreover, clear the maximum value of steel bridge deckpavement stress state; and analysis mechanical state of the pavement because of moduluschange, provide the basis for the design of material performance.
4、Explore the impact of different load level of epoxy asphalt mixture on fatigueperformance, determine the epoxy asphalt mixture fatigue endurance limit based on epitaxyand dissipated energy ratio, analyze the fatigue endurance limit impact factors comprehensively because of epoxy asphalt types and dosage, mixture gradation type, theaverage asphalt film thickness and long-term aging, provide a reliable basis for late pavementmixture fatigue life prediction.
5、Carry out asphalt mixture fatigue damage degree research, put outside air temperatureand solar radiation as the independent variable,using multiple linear regression analysismethod to estimate steel bridge deck pavement temperature field formula, proposed fatiguecumulative damage superposition principle and formula based on the temperature and loadcoupling, deduced steel bridge deck pavement fatigue life prediction methods and procedures.As a case of the Hong Kong-Zhuhai-Macao bridge deck pavement engineering, carry outfatigue life prediction based on the actual bridge load spectrum and environmental spectrum.
6、 Put Zhaoqing MaFang bridge steel deck pavement engineering as the entityengineering application, analyze the disease main influencing factors of Zhaoqing MaFangsteel deck pavement, according to ChemCo epoxy asphalt mixture and TAF epoxy asphaltmixture,carry out pavement performance, construction temperature and curing time comparedresearch. Finally, apply the results of this paper study into engineering practice, from thecurrent situation, use of the effect is very ideal with great promotional value.
引文
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