多角度下钢桥面沥青铺装层裂缝研究
白明举 周智海 詹程阳
【摘?要】为深入剖析钢桥面沥青铺装层的裂缝病害，对国内外研究进行了综述。首先，探讨了不同钢桥面沥青铺装层裂缝类型及其成因;其次，分析了钢桥面沥青铺装层裂缝产生的机理;最后，研究了基于断裂、损伤力学的钢桥面沥青铺装层裂缝开展行为。研究结果表明：钢桥面沥青铺装中的疲劳裂缝是其主要病害，主要可分为Top-Down型和Down-Top型。钢桥面沥青铺装层裂缝的行为可以采用疲劳、损伤、断裂力学的理论方法，并通过应力强度因子、J积分、尖端张开位移等参数，在温度、初始缝高比、初始缝深等因素下的变化进行判断，并最终可以对铺装层的疲劳寿命进行预测。
【关键词】钢桥面沥青铺装层;裂缝;疲劳断裂;研究进展
Research on cracks in steel pavement asphalt pavement under multiple angles
Bai Ming-ju1，Zhou Zhi-hai2，Zhan Cheng-yang3
（1.Guizhou Duyun Highway Administration?Duyun?Guizhou?558000 ;
2.China Merchants Chongqing Communication Research & Design Institute Co.，Ltd?Chongqing?400067;
3.Chongqing Jiaotong University?Chongqing?400074）
【Abstract】In order to deeply analyze the cracks in the asphalt pavement of large-span steel bridge decks， the research at home and abroad is reviewed. Firstly， the crack types and their causes of different steel bridge deck asphalt pavements are discussed. Secondly， the mechanism of cracks in steel pavement asphalt pavement is analyzed. Finally， the steel bridge deck asphalt pavement based on fracture and damage mechanics is studied. Layer behavior. The results show that the fatigue cracks in steel pavement asphalt pavement are the main diseases. The fatigue cracks can be divided into two categories： Top-Down type and Down-Top type. The behavior of steel bridge deck asphalt pavement cracks can be adopted. The theoretical methods of fatigue， damage and fracture mechanics are judged by the factors such as temperature， initial joint height ratio and initial seam depth by parameters such as stress intensity factor， J integral and crack tip opening displacement， and finally paved. The fatigue life of the layer is predicted.
【Key words】Steel deck asphalt pavement;Crack fatigue and fracture;Research progress
1. 引言
（1）自上世纪30年代以来，世界各国桥梁的发展十分迅速，我国自90年代开始进入桥梁建设高峰期 [1]。以往的桥梁多属于跨海跨江类大桥，且结构较为单一。随着经济的发展和交通的需要，许多省干线公路也通过桥梁架构进行路网间布局，并取得了显著的社会效益，是未来的主流发展趋势。其中钢箱梁由于强度大、自重轻、优良的韧塑性、受风阻力小以及便于施工等优点，成为广大道路桥梁设计者的首要选择。
（2）钢箱梁平衡了跨径与自重之间的矛盾，但也對其上的沥青层提出了更高的挑战。受限于设计规范的局限性和对钢桥面沥青铺装层认识的不深入，我国早期的众多省干线钢桥沥青铺装层仅被当作普通市政道路进行修建，导致桥面通车后短期内便产生了许多病害，如裂缝、车辙、坑槽、推移拥包及黏结层破坏等。其中又以疲劳裂缝最为严重和普遍[2]。裂缝的产生不仅使得桥面铺装的维修与养护消耗了额外的人力、物力，更是对钢箱梁桥在省干线中的使用造成了制约。沥青铺装层的疲劳开裂问题已成为了世界各国桥面铺装的“顽疾”[3]。近年来，经过各国学者的不懈努力，钢桥面沥青铺装裂缝研究已获得初步进展。鉴于此，本文对国内外的研究进行归纳与总结，以期提高钢桥面铺装设计和建设的科学性与合理性。
2. 钢桥面铺装层裂缝类型及成因
2.1?主要裂缝类型。
（1）由于钢桥面沥青铺装和路面存在显著差异，如图1所示，同时在荷载的循环往复作用下，便会产生多种裂缝（路面和钢桥面结构见图1）。
（2）铺装层的裂缝主要可以分为两大类：Top-Down型和Down-Top型，两类裂缝在钢桥面沥青铺装层裂缝总量中达到了90%以上，其中又以第一类裂缝最为常见，部分统计数据见表1。Top-Down型裂缝主要在肋顶和横隔板顶端间出现，多呈自上而下的延伸状态，此类裂缝为钢桥面沥青铺装层的特有裂缝[4]，如图2所示（Top-Down型裂缝见图2） 。
（3）第二类是类似于普通沥青路裂缝自下向上扩展的Down-Top型裂缝，多出现在一个纵肋的侧肋之间和两个纵肋的腹板之间，如图3所示[5]。有关学者在对国内多座钢桥沥青铺装层进行跟踪调研时发现，大多数桥面铺装都不同度的含有以上两种裂缝[6]（Down-Top型裂缝见图3）。
2.2?不同裂缝成因。
（1）Top-Down型裂缝和Down-Top型裂缝其各自的成因有所不同。Top-Down型裂缝的产生与正交异性板的构造关联性较高。正交异形板通常由纵向加劲肋、横隔板、钢面板等组成。目前认为，板之间的多物理因素耦合是导致裂缝产生的主要原因。而Down-Top型裂缝更多的是由于沥青铺装层与钢面板之间不完全连续的层间接触条件，以及层间防水粘结层的滑移失效引起的[6]。
（2）裂缝开展时期方面，Top-Down型裂缝一般先于Down-Top型出现，通常处于桥梁使用的初期阶段，且不易被检测发现。而Down-Top型裂缝则出现较晚，一般发生于桥面铺装设计年限中期或中后期。因此，当Down-Top型裂缝大面积出现在钢桥面铺装时，说明其使用耐久性已经达到了临界点，应及时对其进行矫正性维修或养护。而对于裂缝开展路径方面，目前仍有部分争议。主流观点认为，由于纵肋内的沥青铺装层底的横向拉应力远比铺装层表面的横向拉应力大，因此Down-Top型裂缝先由层底进行开裂，然后传至层顶，这也与众多工程破坏实例是相一致[7]。但有关学者通过能量耗散原理对日本钢桥面沥青铺装层进行研究时发现，Down-Top型裂缝在层间完全接触条件下，其出现位置是在车轮荷载的最外侧。然而这与较多的实际观测结果相反，仅符合少数工程实例，有待进一步研究。
2.3?其他裂缝。
除了主流的Top-Down型和Down-Top型裂缝外，桥面铺装还存在少量其他类型的裂缝，如：放射环状裂缝、无规律短头发丝状的裂缝、U型裂缝[8]。放射环状裂缝是由于铺装层中鼓包导致的。无规律短头发丝状的裂缝主要是由施工过程中质量控制环节的差异性引起的。U型裂缝则多是因为防水粘结层粘结力和抗剪切力较低，以及铺装层沥青混合料的高温稳定性不足造成的。
3. 铺装层裂缝产生的机理
由于汽车荷载和外界温度等因素的反复变化，导致钢桥面铺装层受到其内部扰动应力的反复作用，当局部区域受到过高的内部应力和应变时，便会产生对应的疲劳裂纹。根据疲劳和断裂力学原理，疲劳开裂是一个发展的过程，包括疲劳裂纹萌生、稳定扩展及失稳扩展。
3.1?支撑条件。
沥青铺装层与普通沥青路面的支撑条件不同。普通沥青路面是沿水平方向，在充分压实后达到良好刚度和强度的路基板上铺助的。而钢桥面沥青铺装层是铺设在由纵向加劲肋、与纵向加劲肋正交的横隔板、钢面板组成的正交异性板上的[9～10]，一般为3至8cm的薄层，其简化模型如图4所示 [11]。这种正交异性板作为支撑条件时柔性较大，当行车荷载和温度应力反复作用其上时，纵向加劲肋顶部、纵隔板以及横隔板顶部更易受到影响，产生较大的横向拉应力和横向拉应变。当应力和应变超出震幅范围时，便会产生一种自上而下的疲劳裂纹，即为Top-Down型裂纹，这种裂缝行为与普通沥青路面在行车荷载作用下的受力模式是全然不同的。
3.2?温度。
首先，由于钢箱梁封闭或半封闭的纵向加劲肋引起的箱室效应，导致正交异性板温度异常的高，通常可达70～80℃[12]。同时，钢桥一般位于交通狀况极为复杂的咽喉地段，其温度条件较普通沥青路面更为恶劣，最终导致铺装层产生一系列的疲劳裂缝，对耐久性造成了严重损害。其次，沥青具有感温性，沥青铺装层疲劳断裂受温度的影响很大。有研究表明，5℃为沥青铺装层发生线弹性和弹塑性开裂的临界温度[13]。当温度低于5℃时，铺装层发生脆性断裂。值得注意的是，当水份侵入裂缝内产生水压力时，温度对铺装层开裂的影响又有所不同。当温度在5～30℃范围内逐渐升高时，铺装层弹塑性断裂下的裂尖J积分值不断增大，导致裂缝扩展的趋势进一步增加[14]。
3.3?荷载条件。
（1）无论是对沥青路面还是沥青铺装层来说，重载、超载带来的破坏都是毁灭性的，可以使疲劳等效下的当量轴次成百上千倍增加。我国车辆超载现象仍然十分严重。有关研究表明：过载30%时，钢桥面铺装层引起的疲劳损伤是BZZ-190标准轴载的6倍;过载50%和100%时则分别是标准轴载的32倍及93倍[14]。
（2）综上所述，钢桥面板特殊的支撑条件、温度条件、交通条件，促使了沥青铺装层在行车荷载和温度的反复作用下疲劳裂缝的产生。此外，光照、湿度、风荷载等一系列耦合因素更进一步对钢桥面铺装的耐久性提出了挑战。由于钢桥面建设史在我国时期不长，同时其上的沥青铺装层投入运营也多在20～30年间。因此，在后续的研究中探寻钢桥面沥青铺装层裂缝产生与发展更为详细的机理，依旧拥有较高的平台和广阔的前景。
4. 基于力学的铺装层裂缝行为研究
4.1?基于断裂力学。
断裂力学源于20世纪50年代。其假定前提是构件中已存在裂缝，而后对该构件在不同行车荷载、温度和湿度的循环作用下，进行裂缝平衡、稳定扩展、失稳断裂规律研究[15]。断裂力学主要针对各种含裂纹构件的研究，钢桥面沥青铺装层包含其中。国内学者对此进行了大量的研究。Salam等应用粘弹性损伤模型的能量转换方法对沥青铺装层的损伤场、应力应变场进行了分析[16]。以裂缝产生的机理和铺装层与正交异性板组合而成的复合体系的损伤场、应力应变场在荷载作用下的动态变化规律为基础，最终得出了车辆轴载换算公式和沥青铺装层疲劳性能方程，如图5所示。研究结果成功应用于南京长江二桥实际工程中。
