(干货)浇注式沥青混凝土桥面铺装体系未来的研究方向探讨

从多多罗大桥到苏通大桥，从杭州湾跨海大桥到西堠门大桥，正交异性钢桥面板随着钢箱梁的广泛应用逐渐为人所熟知。正交异性钢桥面板由面层钢板、钢板底部的纵向加劲肋及横隔板共同组成，这样的梁板结构自身有着良好的力学性能，但却对其上的桥面铺装体系(一般由防锈层、防水粘结层、沥青混合料铺装层构成)的受力有着不利的影响。理论研究成果和实体工程实践均表明，纵、横向加劲部件顶部位置的铺装体系表面存在较大的拉应力(或拉应变)[1-4]，导致该处铺装体系易出现纵、横向疲劳开裂(纵、横向加劲交汇处表现为网裂)，从而诱发其他病害。正因如此，正交异性钢桥面铺装体系受力特性完全不同于常规路面铺装层，加之工程所处的环境不同，表现出特有的使用特点、有着更加严格的使用要求[5,6]：

(1)铺装体系直接铺筑在正交异性钢桥面板上，无路基与基层结构，正交异性钢桥面板本身的变形、振动(交通荷载、风荷载)等力学特性使得铺装体系的受力更加复杂。因此，要求铺装体系具有足够的强度、合理的厚度以及优良的变形随从性和层间联接。

(2)钢材导热系数大、钢箱梁散热效果差，高温季节桥面板温度更高、持续时间更长；低温季节温度散失快，桥面板温度通常又略低于最低气温。正交异性钢桥面板铺装体系工作温度区间更加宽泛，工作环境更加残酷。因此，要求铺装体系具有优良的高温稳定性和低温抗裂性。

(3)大跨径钢桥多建设于跨江、跨河或跨海峡大型工程中，其所处环境的空气湿度大，而钢材遇水极易生锈。因此，要求铺装体系具有良好的防水、防渗透性。

(4)大跨径钢桥一般都是重要的交通枢纽工程，对区域内路网的通行能力有显著影响。桥面铺装体系不但要病害少，而且要服务品质高。因此，要求铺装体系具有较好的耐久性，即较好的抗老化性、水稳定和抗疲劳特性；同时，还要求铺装体系具有优良的平整性、抗滑性及耐磨性。

浇注式沥青混凝土铺装体系是近年来应用较多的正交异性钢桥面铺装体系。按施工工艺的不同，浇注式沥青混凝土分为英国浇注式沥青混凝土(Masticasphalt，简称MA)和德国浇注式沥青混凝土(Gussasphalt，简称GA)。MA主要应用于我国香港地区，青马大桥在全港第一次采用MA铺装体系，至今已近17年，使用状况良好。江阴长江大桥是大陆地区唯一采用MA铺装体系的钢桥，在1999年铺装完成后仅1年就出现崩溃性破坏，此后MA体系在我国再未使用。2003年山东胜利黄河大桥采用GA铺装体系开始，GA体系已应用于近70座大型桥梁的铺装。经过十多年的实践、总结和技术提升，以GA为代表的浇注式沥青混凝土铺装体系表现出了优异的路用性能，有望成为解决钢桥面铺装技术难题的主要铺装体系之一。但在山东胜利黄河大桥、汕头礐石大桥和福建鼓山大桥出现的一些问题也表明，浇注式沥青混凝土铺装体系仍然存在不完备之处。

跨江、跨海等特大型桥梁枢纽工程频繁出现因疲劳损伤导致的铺装层病害，封闭交通对其维修不仅会严重限制交通网络整体的通行能力，同时还会产生严重的不良社会影响。

桥面铺装结构体系内部水力场、温度场及荷载应力场的耦合效应是客观存在的，其耦合效应将直接影响铺装结构体系应力场的分布规律和变形规律。水、热状况的动态变化同时也影响着铺装结构体系的稳定。半个世纪以来，桥面铺装结构很少因强度不足而影响使用，但是由耐久性差而导致的结构失效、结构物服役期缩短的工程案例不断增多。虽然沥青混凝土铺装耐久性的研究已有数十年的历史，但这些基本上都是考虑单一车辆荷载因素的室内损伤劣化试验，并以此为基础建立了多种单一因素作用下沥青混凝土疲劳寿命预测模型，但使用结果表明，这些模型预测的寿命与实际情况偏离太大。工程技术人员越来越清楚的认识到[7]：要准确、可靠、科学的评价沥青混凝土和沥青混凝土铺装层结构的耐久性和服役期限，应该是多重破坏因素，至少是双重破坏因素的作用结果。材料内部损伤劣化程度也绝不是各破坏因素单独作用引起损伤的简单加和，而是诸因素相互影响、交互叠加，进而加剧破坏作用效果和劣化程度，即多重破坏因素作用下材料的损伤劣化程度大于各破坏因素单独作用引起损伤的总和，产生1+1>2、1+2>3的损伤叠加规律和超叠加效应。

因此，进行复杂条件下(水力—温度—应力耦合作用)铺装结构体系的力学行为、损伤演化过程的实验研究及理论分析，对全面了解铺装体系破坏机理，提高铺装体系的服务质量、延长铺装体系的服役寿命具有重要意义。

与其他沥青混合料相同，浇注式沥青混凝土也是由沥青或改性沥青与集料组成的混合料密实后形成的混凝土：成型之初即富有微细观缺陷，缺陷在荷载作用下出现微细观裂纹，并随着荷载的周期性、重复性作用而逐渐扩展，最终导致混合料的损伤破坏。沥青混合料的疲劳损伤开裂已成为影响桥面铺装体系使用性能的突出病害。目前，关于铺装结构开裂的研究领域主要集中在疲劳断裂力学的研究与应用。铺装结构疲劳特性的研究的方法可以分为现象学法和力学法。应用传统的现象学法进行疲劳试验方法有很多，归纳起来可以分为四类[8-11]：第一类是实际铺装结构在真实汽车荷载作用下的疲劳破坏试验，如美国历时3年完成的AASHTO试验；第二类是足尺路面结构在模拟行车荷载作用的试验研究，如南非的重型车辆模拟系统(HVS)、澳大利亚的加速加载试验设备(ALF)、美国华盛顿大学的室外大型环道和我国东南大学的室内大型环道疲劳试验装置；第三类是缩尺模型试验法；第四类是室内小型试件的疲劳试验法。

传统的疲劳强度理论认为材料由于荷载循环作用会造成损伤累积，但是针对连续完整的结构体而言，该理论并没有考虑材料、结构内部先天存在的缺陷或因在使用期逐渐出现缺陷，这使得运用传统疲劳强度理论与方法对沥青铺装结构进行计算和分析结果与实际情况存在偏差，尽管引入了不同的修正系数和安全系数，但仍带有较大程度的不确定性[12-14]。随着断裂力学及损伤力学的兴起，研究人员普遍认识到结构的破坏正是由于其内部存在的缺陷而引起的应力集中与内部损伤，当这种应力集中与损伤积累超过材料与结构抵抗破坏的容许值时，就造成了内部缺陷发展并导致结构的破坏。

铺装结构的疲劳破坏可以分为两个阶段，无缺陷的疲劳开裂阶段和其后考虑裂纹扩展的疲劳断裂阶段。国外在这方面开展较多的研究并得到应用。对于前者，已经做了大量的疲劳破坏试验与结构分析，积累了相当多的经验，其所得结果至今仍在沥青路面结构设计方法中沿用[15-19]；对于后者，主要围绕疲劳断裂规律展开研究，其中涉及到材料疲劳断裂规律的数学模型的建立及其描述，模型参数的测试与确定以及各类影响因素及其对模型与计算方法的影响修正等，且普遍采用基于应力强度因子经验性总结的Paris公式[20]。Pell.P.S曾对路面性能和疲劳裂缝间的关系做过全面调查，结果表明沥青路面的疲劳裂缝对路面结构性能的连续性有显著损害[21]；Melcalf等人基于足尺路面加速加载试验结果分析得出，沥青铺装结构疲劳裂缝并不总是从层底出现，也会由表面产生[21]。国内对于裂缝扩展规律也做了一定的研究。郑健龙等[22]将基层中含有贯穿裂缝的路面体系简化为二维问题，以应力强度因子做表征参量，探讨了车辆荷载对称作用和非对称作用下基层和面层之间加入柔性层对反射裂缝的防治效果，得出柔性层可以防止基层中的裂缝向上反射的结论；吴国雄等[23]应用断裂力学、损伤力学的路面疲劳破坏的基本原理，重点对水泥混凝土路面的开裂过程进行分析，提出了混凝土路面开裂破坏的3个阶段及其之间的关系，并阐述各个阶段裂纹形成和板体断裂破坏的原因及机理；陈仕周等[24]对路面与桥面铺装温度差异做了深入分析，建立了热流密度关系模型，为桥面铺装结构的温度场分析提供了理论基础；敬淼淼[25]运用有限元方法计算了应力强度因子，得到各参数对裂纹扩展影响的敏感性，结果表明裂纹的扩展形式与速率受到铺装层开裂长度和深度影响，且受沥青铺装层厚度和模量的影响较大。陈团结[26]对环氧沥青混凝土复合结构疲劳扩展曲线的形式进行了探讨，将疲劳裂缝的扩展分为起裂、稳定扩展和失稳扩展三个阶段，并提出了当量裂缝长度的概念。徐勋倩、黄卫等[27-30]运用损伤力学原理及方法从动力学角度分析了重复荷载作用下钢桥面铺装体系沥青混合料疲劳损伤特性，采用粘弹性损伤模型对铺装体系应力场、应变场及损伤场的分布状况和演变规律进行了研究，后又考虑环境温度与交通荷载共同作用，进一步分析了热-力耦合作用下铺装体系的力学行为和疲劳寿命，认为仅考虑交通荷载作用对钢桥面铺装体系进行疲劳损伤分析过于简单，应对环境温度变化导致的铺装体系疲劳寿命变化给予足够的重视。

目前，正交异性钢桥面铺装体系的设计理论仍是工程领域的重大难题之一，该领域的研究存在以下几方面的问题[31-33]：

(1)到目前为止，尚没有关于桥面铺装设计的成套方法可循。

(2)国内外对铺装体系的研究多以静载分析为主，通常选取局部梁段的正交异性板体系建立端部约束模型，此种方法不能反映桥体跨径和变形的影响。

(3)对于桥面铺装体系的动载研究正处于起步阶段，且在目前的动力分析模型中均未将钢箱梁梁体纳入索-梁体系，同时模型中一般未计入车-桥体系的相互作用。

(4)已有的车-桥耦合振动研究并未考虑桥面铺装体系，通常只是将铺装层简化为恒载。

(5)对桥梁所处的气候、气象、水温条件及其变化未加考虑或仅做简单考虑，未能将水温等环境变化产生的荷载与车辆荷载的耦合作用综合考虑，导致理论分析结果与实际情况出入较大。