钢桥面铺装在行车荷载与环境温度共同作用下疲劳损伤分析

用损伤力学原理及方法,从力学近似法角度分析了环境温度和循环车辆荷载共同作用下钢桥面沥青混合料铺装的疲劳损伤特性,推导出疲劳试验复合梁的损伤场、应力和应变场。以长江一大桥钢桥面环氧沥青混凝土铺装体系复合梁疲劳试验为例,进一步推导出复合梁的疲劳寿命预测公式。实例分析表明,考虑环境温度和车辆荷载共同作用下钢桥面铺装体系的疲劳寿命要小于单一考虑行车荷载的计算结果,二者相差最大可达44%。研究认为温度变化会导致铺装层的劲度不断发生变化,从而直接影响钢桥面沥青混合料铺装的力学行为和疲劳寿命,因此仅考虑交通荷载的作用进行钢桥面沥青混合料铺装体系疲劳损伤的分析是过于简化的,应予以重视。此外,指出了环氧沥青混凝土铺装具有很好的抗疲劳性能。     

增韧型环氧树脂含量对沥青混合料性能的影响

针对环氧沥青材料在钢桥面铺装中的应用,制备了增韧型环氧沥青混合料。测试了树脂用量对沥青混合料马歇尔稳定度和施工可操作时间的影响,并评价了不同树脂用量下增韧型环氧沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性能及抗疲劳性能。结果表明:增韧型环氧树脂用量对沥青混合料的性能有显著影响,当其用量为40%时,增韧型环氧沥青混合料具有优异的路用性能,且施工可操作时间较长。增韧型环氧沥青混合料能够满足钢桥面铺装对材料性能的要求。     

复合浇筑式钢桥面铺装车辙评估模型研究

根据南京长江第四大桥钢桥面铺装试验研究成果,对复合浇筑式沥青混合料性能进行了分析研究,通过系统分析动稳定度与温度、汽车轮载、车速及行车道间的关系,结合南京地区汽车超载情况的研究,提出并建立了复合浇筑式钢桥面铺装的车辙评估模型。     

环氧沥青混凝土桥面铺装材料研究与应用进展

随着桥梁设计理念、结构分析、施工技术等不断更新发展与完善,目前桥梁正逐渐朝着大跨度、高强度、长寿命、高耐久等方向发展,同时,未来桥梁也将面临更复杂的建设环境、更多的功能需求,因此必须加强研发与新型桥梁设计体系相匹配的特种桥面铺装材料。环氧沥青混凝土桥面铺装材料以高强度、耐高温、抗疲劳、抗老化等优异路用性能脱颖而出,逐渐受到关注。然而,环氧沥青混凝土制备工艺复杂、施工条件严苛、耐久性不足等问题日益凸显,这些缺点使得其在桥面铺装领域的推广受到一定阻碍。为此,研究者们针对如何提升环氧沥青混凝土使用品质及耐久性进行了深入研究并取得了一定成果。这一系列成果先后在大量桥面铺装实体工程中得以应用,良好的使用效果也为环氧沥青混凝土的进一步推广奠定了基础。环氧沥青混凝土在桥面铺装领域的研究成果可以概括为三个方面:铺装结构组合优化、制备工艺优化、混凝土原材料优化。其中铺装结构组合从早期的单质单层结构逐渐过渡到单质双层、异质双层结构,趋于合理的铺装结构组合使环氧沥青混凝土材料的性能得以充分发挥。制备工艺从热拌法发展到温拌甚至冷拌,在保证环氧沥青混凝土使用性能的同时减少了对环境的污染,并且在一定程度上降低了施工难度。而在原材料应用方面,研究者们不断对双组分环氧沥青与三组分环氧沥青的性能进行对比分析;同时,环氧沥青的改性方式趋于多样化,从单独使用改性沥青发展到同步使用改性环氧树脂,改性剂从纤维发展到高分子聚合物、超支化聚合物等。这些措施不仅改善了沥青与环氧树脂的相容性,也增强了环氧沥青混凝土的相关性能。此外,为使环氧沥青混凝土具有更好的稳定性,在级配优化方面也进行了深入研究。然而目前环氧沥青混凝土的一系列研究成果较为散乱,缺乏对其系统的总结与梳理,且环氧沥青混凝土的性能评价指标及要求仍需深入研究与完善。为进一步确定环氧沥青混凝土桥面铺装材料科学合理的性能评价指标及要求,本文全面梳理了国内外环氧沥青混凝土相关规范,系统调查了大量实体工程及研究动态,对比分析了不同主要原材料的环氧沥青混凝土对其路用性能的影响,最终推荐了环氧沥青混凝土桥面铺装结构组合、原材料类型、级配范围和性能评价指标及要求,为环氧沥青混凝土桥面铺装材料规范完善与质量控制奠定了基础。     

钢桥面铺装损伤病害的调查及分析

钢桥面铺装病害产生的原因包括外部因素和铺装自身因素,外部因素主要是铺装温度、交通荷载、桥面板刚度;铺装内部自身因素主要包括混合料的胶结料性能、混合料级配类型、混合料配合比、施工控制质量等因素。本文针对我国典型的钢桥面铺装:双层SMA、浇注式、环氧沥青铺装进行病害调查,分析引起病害的原因,为制定病害处治方案提供依据。     

浇筑式沥青混凝土性能影响因素研究

浇筑式沥青混凝土具有较高的变形随从性而在钢桥面铺装上得到了很多的应用,为研究浇筑式沥青混凝土的性能影响因素,采用4种合成级配、3种沥青用量,系统评价了各因素对浇筑式沥青混凝土性能的影响。通过流动度试验和贯入度试验确定最佳含油量,由高温车辙试验和低温弯曲试验进行路用性能检验。研究表明,级配形式和沥青含油量变化对混合料的性能指标的影响较大,因此,实际施工时应严格控制混合料的级配和沥青用量。     

大跨径钢箱梁桥面锌系防腐蚀涂层研究

钢桥面防腐蚀涂层介于钢箱梁桥面板与桥面沥青铺装层2种完全不同的材料之间,既是钢桥面的防腐蚀涂层、防水涂层,又是二者的连接层.因此,对该防腐蚀涂层的腐蚀失效问题及其对钢桥面沥青混凝土铺装层弱化的影响规律进行研究具有实际意义.通过电化学腐蚀试验、涂层结合力试验、XRD分析等方法,研究了在环氧沥青和改性沥青混凝土2种钢桥面铺装层下的无机富锌、环氧富锌和电弧喷锌涂层的腐蚀性能以及涂层与钢桥面板间结合性能,考察了涂层腐蚀对桥面铺装层抗剪切性能的影响.结果表明:喷锌防腐蚀涂层与桥面板之间的结合力受制于钢板除锈预处理方式,喷砂处理的涂层结合力优于抛丸处理;铺装层的抗剪切能力受防腐蚀涂层腐蚀产物影响,锌系涂层的可溶性腐蚀产物破坏了钢桥面铺装体系界面的连续性,锌系涂层腐蚀使铺装层抗剪切强度下降1倍左右,喷锌涂层腐蚀对铺装层结合性能的影响大于富锌涂料涂层.     

基于冲击韧性的钢桥面铺装环氧沥青混凝土疲劳性能设计研究

针对钢桥面铺装环氧沥青混凝土出现的疲劳开裂问题,分析现有设计理论和方法的不足之处。基于断裂力学和能量法原理基础上,提出以冲击韧性作为环氧沥青混凝土配合比设计的评价指标,通过试验验证了该指标的可行性;采用剩余劲度模量比来反映环氧沥青混凝土的疲劳性能,并建立起冲击韧性和剩余劲度模量比之间的关系。研究结果表明,冲击韧性和疲劳性能之间有良好的线性相关性,采用冲击韧性指标能够有效地评价环氧沥青混凝土的配合比设计和疲劳性能,该方法操作简单、快捷、准确,为环氧沥青混凝土的设计理论和方法提供一种新的思路。     

SBS改性沥青超热老化机理及疲劳特性

为了揭示不同超热温度对SBS改性沥青的微观机理及疲劳特性的影响,采用傅里叶变换红外光谱法和凝胶渗透色谱法(GPC)实时追踪扫描了细观尺度下SBS改性沥青在不同超热温度的分子基团的变化规律。通过红外光谱定量分析发现,SBS改性沥青在250℃的老化温度下,与163℃老化相比羰基峰高提高了17倍,峰面积提高了7倍;GPC分析结果表明,随着超热老化温度升高,SBS改性沥青的重均相对分子质量明显降低,GPC峰的扩展值逐渐增大,证明老化程度在增加,因此不同超热温度对SBS改性沥青老化影响显著;通过研究SBS改性沥青混合料组合结构疲劳特性发现,随着超热老化温度的升高,SBS改性沥青混合料的复合梁疲劳寿命逐渐减小,SBS改性沥青超热老化趋势明显,沥青胶结料明显硬化。因此,采取措施降低SBS改性沥青混合料的超热拌和温度,或开发新型抗氧能力强的改性剂替代传统SBS改性沥青的SBS改性剂,对提高SBS改性沥青混合料在钢桥面铺装中的使用寿命具有重要意义。     

复合多聚磷酸改性沥青混合料疲劳性能

采用四点小梁弯曲疲劳试验方法,考虑不同试验温度和不同应变水平等因素的影响,研究多聚磷酸（PPA）-苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）复合改性沥青混合料疲劳性能的变化规律,并与SBS改性沥青混合料进行对比。结果表明：相同条件下,PPA-SBS改性沥青混合料比SBS改性沥青混合料残留劲度模量比大,损伤因子小,稳定阶段耗散能变化率的平均值小,疲劳损伤演变小,抗疲劳性能好;同一温度下,应变水平越大,残留劲度模量比越小,损伤因子越大,耗散能变化率维持稳定阶段的平均值越大,疲劳损伤演变越剧烈,抗疲劳性能越差;同一应变水平下,15℃时沥青混合料试件的抗疲劳性能优于10℃时。     

以疲劳评估为目标的大跨钢箱梁桥车桥耦合动力分析方法

以润扬长江公路大桥北汊斜拉桥为工程背景,基于有限元软件ANSYS和数值计算软件MATLAB研究了以疲劳评估为目标的大跨钢箱梁桥车桥耦合动力分析方法中的一系列技术问题,包括以疲劳分析为目标的车桥耦合振动模型的建模方法和动应力分析方法、基于车桥耦合动应力的桥梁疲劳状态评估方法、不同桥梁应力分析方法的比较,以及路面不平度对桥梁疲劳状态的影响。研究结果表明,以疲劳评估为目标的桥梁车桥耦合动力分析方法能够有效地应用于大跨钢箱梁桥的疲劳状态评估,满足结构局部疲劳损伤累积仿真计算的需要。通过分别对不同应力计算方法下以及不同路面不平度下的桥梁动应力响应的对比分析,表明车辆载荷对桥梁作用的影响是局部的,对局部的桥梁疲劳累积有显著影响,在桥梁疲劳状态评估中采用车桥耦合动力分析方法能得到更为准确的结果。     

考虑啮入冲击激励的跨座式单轨牵引齿轮箱振动噪声预估与试验研究

以跨座式单轨牵引齿轮箱为研究对象,综合考虑驱动电机扭矩波动引起的外部动态激励和啮入冲击激励、刚度激励、误差激励等内部动态激励,建立跨座式单轨牵引齿轮箱动力学有限元分析模型,基于模态叠加法求解齿轮箱振动模态与振动响应,并提取箱体外表面振动位移作为噪声预估边界条件;进而,建立单轨牵引齿轮箱声学边界元分析模型,借助直接边界元法对齿轮箱辐射噪声进行预估,得到箱体表面声压与场点声压值;而后,搭建跨座式单轨牵引齿轮箱振动噪声测试试验台,开展振动响应与辐射噪声测试。研究结果表明,箱体动态响应频域曲线的峰值及箱体表面声压最大值均出现在齿轮副的啮合频率及其倍频处;仿真所得的箱体振动加速度、外声场点辐射噪声与齿轮箱振动噪声试验台实测结果吻合良好,验证振动噪声预估方法的合理性。     

特大跨缆索桥钢箱梁疲劳应力特性对比性研究

疲劳应力监测是特大跨缆索桥结构健康监测和安全评估的关键环节。研究发现,对于结构健康监测系统采集的海量应变数据,局部时段不能反映出应变的整体特性,且交通载荷和环境载荷在不同类型的大跨缆索桥如斜拉桥和悬索桥结构中产生的响应是不同的。为了对桥梁的实际运营状态和应力水平有总体而全面的认识,需要对采集数据进行统计分析。本文以润扬悬索桥和斜拉桥钢箱梁应变时程数据为基础,分析了半年内两桥疲劳应力谱的特征;拟合了各自的疲劳损伤增量的概率密度函数。研究表明：对半年样本容量的参数估计显示,润扬悬索桥和斜拉桥的相对累积损伤均不拒绝对数正态分布,且前者均值均高于后者。在相同的环境和车辆载荷下,由车辆和变温载荷所引起的总疲劳损伤增量,悬索桥高于斜拉桥,且前者为后者的两倍以上。考虑了噪声影响的应变时程比去除噪声后的应变时程所造成的损伤增量高出一倍。而耦合了引起材料热胀冷缩的温度变形的影响,其应变时程造成的累积损伤增量比不考虑其影响所造成的损伤增量高出30%。因此,需要严格控制随机干扰和温度变形的影响,将真实的动态应变信息加以提取后才能进行大跨缆索桥的疲劳状态评估。     

考虑车桥耦合效应的大跨悬索桥钢-混组合梁疲劳损伤评估

为了研究不同疲劳车辆荷载作用下大跨度悬索桥钢-混组合梁的疲劳寿命,以及在考虑车桥耦合效应变化时运营期内钢-混组合梁疲劳损伤累积变化规律,以某主跨720 m的悬索桥为例进行了分析。基于局部梁段有限元模型静力分析确定了疲劳细节关注点,得出相应的应力集中系数;利用P-M及CDM两种评估模型对疲劳荷载模型Ⅲ、AASHTO规范标准疲劳车及河北省疲劳荷载谱三类疲劳车辆荷载作用下的疲劳损伤度及疲劳寿命进行了评估;考虑车桥耦合动力效应分析了车辆载重量、行车速度、桥面铺装恶化及未来交通量增长对结构运营期内的疲劳损伤累积的影响。结果表明,该类钢-混组合梁悬索桥疲劳状态评估最不利梁段为1/8跨处,易发生疲劳破坏的节点为靠近吊点位置的主梁顶板与腹板连接处。疲劳荷载模型Ⅲ与当地疲劳荷载谱作用下的疲劳损伤量比较接近,AASHTO疲劳车作用下的损伤累积量明显低于另外两类。不同部位疲劳细节关注点的累积损伤量变化趋势与速度的关系不太明确,行车载重量、交通量增长以及桥面铺装恶化均加速疲劳损伤累积的增长。     

Effect of pavement design parameters on the behaviour of orthotropic steel bridge deck pavements under traffic loading

This study evaluated the effect of the pavement design parameters on the behaviour of orthotropic steel bridge deck pavements under traffic loading using a three-dimensional finite element model. Four types of paving materials were considered in this analysis: polymer concrete, epoxy asphalt concrete, polymer-modified stone mastic asphalt concrete and mastic asphalt concrete. The maximum transverse tensile strain was developed at the bottom of the pavement under a tyre of dual tyres or on top of the pavement between two tyres. From the sensitivity analysis, better interface bonding between the deck plate and pavement led to a significant enhancement of bottom-up fatigue cracking resistance, especially for 40-mm-thick pavements. As pavement temperature increased from ? 20 to 60°C, critical tensile strain increased significantly, and corresponding locations moved from the bottom to the top of the deck pavement.     

Fatigue behaviour of asphalt concrete beams reinforced by glass fibre-reinforced plastics

The aim of this study was to evaluate the enhancement effect of asphalt concrete beams reinforced by glass fibre-reinforced plastics (GFRP). First, the Cooper fatigue test machine was used to conduct the four-point bending fatigue tests. The test results showed that the mean fatigue life of hot mixture asphalt (HMA) beams had been extended to more than 8.81 times with 3-mm thick GFRP sheets pasted on the top. Second, the stress and strian behaviour of the four-point bending fatigue test specimen was simulated by the finite element method. The results showed that flexural stiffness of HMA beams had increased significantly with GFRP sheets pasted on the top. Finally, the fatigue failure process of the HMA beam with GFRP sheet pasted on the top was predicted by the theory of damage mechanics. The predicted results matched well with those obtained in the fatigue tests.Therefore, pasting a GFRP sheet of a certain thickness on a steel bridge deck could greatly improve the overall stiffness of the pavement layer and form a kind of durable steel bridge deck surfacing structure. The research results had important theoretical significance and value in engineering applications.     

基于概率断裂力学的老龄钢桥使用安全评估

我国交通线上存在大量老龄钢桥,这些老龄钢桥承受着日益繁重的交通荷载,其疲劳剩余寿命已受到桥梁管理部门的高度重视。为确保老龄钢桥的使用安全,避免不必要的维护与更换,建立老龄钢桥疲劳剩余寿命与使用安全评估方法十分必要。建立了反映老龄铆接钢桥疲劳破坏机理的脆断和韧断概率失效模型,给出了用于疲劳可靠性分析的极限状态方程,合理确定了随机变量的参数取值。建立了铆接钢桥构件单角钢概率疲劳破坏模型,基于MonteCarlo算法实现了铆接钢桥构件单角钢疲劳断裂失效概率的计算,编制了相应的概率断裂分析程序SAPFF。进而将铆接构件概率断裂模型应用于上海市浙江路桥的时变疲劳可靠度分析,并给出了浙江路桥概率疲劳剩余寿命评估结果与维护对策。     

铁路正交异性桥面加劲肋-横隔板局部疲劳受力特性研究

正交异性钢桥面因整体性好、承载力强等优势在铁路大跨度桁梁及箱梁斜拉桥、拱桥等桥型中应用越来越广泛,其疲劳特性与公路桥面具有显著的差异。针对铁路正交异性钢桥面加劲肋与横隔板连接处的疲劳敏感区,通过弹性支撑梁理论及闭口薄壁杆件理论分析其局部受力特征,提出了加劲肋疲劳敏感部位面内疲劳应力的解析公式,分析了解析公式中各疲劳影响因素的影响程度及作用机理。基于甬江特大桥——大跨度铁路斜拉桥的钢箱梁正交异性桥面设计了包含2个U肋及2个V肋的正交异性桥面疲劳试验模型,并进行了560万次疲劳加载。研究结果表明:解析公式与有限元分析、试验测试结果相符良好;试验模型测试结果能准确反映疲劳敏感点的应力情况,解析理论则能够反映疲劳敏感点应力的影响因素与规律;在铁路荷载下,加劲肋与横隔板的焊缝长度和加劲肋腹板倾角的增大能够有效降低加劲肋的疲劳应力幅;在铁路正交异性钢桥面板中面积相近、抗弯刚度相等的V肋比U肋具有更好的抗疲劳工作性能。     

长寿命路面疲劳寿命预测的频域分析方法

笔者分别从沥青路面和水泥混凝土路面两个方面分析了路面疲劳寿命预测的相关方法。重点对疲劳寿命预测的频域分析方法进行了较为详细的分析,结合车辆–道路耦合振动系统模型,对路面不平整引起的车辆与道路之间的随机振动进行了分析,指出车辆–道路耦合振动的随机功率谱密度是进行路面疲劳寿命预测的一种手段和方法,并提出了相应的预测步骤,旨在为长寿命路面的设计和性能评价提供参考。     

Investigating the effects of loading,mechanical properties and layers geometry on fatigue life of asphalt pavements

In this paper, fatigue life, crack growth trajectory, and stress intensity factors of top‐down and bottom‐up cracks have been investigated in a multilayered asphalt pavement using numerical method. Finite element models, Paris law, and maximum tangential stress criteria were used to determine the effects of vehicle position, thickness, and stiffness of layers on fatigue life of pavements. The results show that the minimum fatigue life of pavements with top‐down crack occurs when the wheels are symmetrically located relative to the crack plane. On the other side, in pavements with bottom‐up crack, it occurs when the front tire located on top of the crack. Moreover, the result reveals that the top‐down crack grows slower than bottom‐up crack. Also, the surface layer's stiffness has the most effect on fatigue life of pavement.