基于內聚力模型的鋼橋面與鋪裝界面剪切特性研究.pdf

1、鋼橋面鋪裝是由單一或多個鋪裝層與鋼橋面板組成的復合結構，各結構層間通過粘結材料結合為整體，層間界面的力學特性對鋪裝具有重要的影響，尤其鋼橋面板與鋪裝的界面是影響鋼橋面鋪裝使用性能和使用壽命的關鍵。鋼橋面與瀝青混凝土鋪裝的界面破壞和由此引起的鋪裝層推移、擁包等病害是鋼橋面鋪裝的主要病害類型，也一直是大跨徑鋼橋建設中的技術難題。本文針對鋼橋面與鋪裝界面特性分析中存在的問題，研制一種新型界面直剪試驗裝置，研究了兩類現(xiàn)階段常見的鋼橋面與鋪裝界面

2、的破壞形態(tài)、剪切力學特性、粘結-滑移演化規(guī)律，提出了界面剪切強度包絡線和粘結損傷模型，建立了基于內聚力模型的鋼橋面與鋪裝界面理論分析模型，對界面直剪試驗進行全程仿真，并分析鋼箱梁與橋面鋪裝界面的力學與變形特點及影響因素，為大跨徑鋼箱梁鋪裝界面抗剪切性能的評價及建立理論分析模型，提供了有效的方法。
　　通過對鋼橋面與鋪裝界面破壞特征分析，界面破壞的主要力學誘因是鋪裝復合結構彎曲變形、車輛加速或剎車、溫度變化、縱橫向斜坡等因素造成的面

3、內剪應力。針對現(xiàn)有界面實驗裝置存在的問題，設計了一套新型鋼橋面鋪裝的界面直剪試驗裝置，該裝置可以對不同溫度、法向應力和剪切速率條件下界面的力學特性進行測試，并提出了相應的試件制作與測試方法，為界面力學性能研究提供了有效的實驗方法。
　　利用新開發(fā)的鋼橋面與鋪裝界面直剪試驗裝置，在二種試驗溫度、四種法向應力、二種剪切加載速率等多因素條件下，對“鋼橋面板+環(huán)氧富鋅漆+環(huán)氧瀝青粘結材料+環(huán)氧瀝青混合料”（Ⅰ型）和“鋼橋面板+Elimin

4、ator防水粘結層+澆注式瀝青混合料”（Ⅱ型）二類常用的鋼橋面與鋪裝界面類型進行了一系列復合結構直剪試驗。結果表明，鋼橋面與鋪裝界面的破壞形態(tài)不受溫度、法向應力和剪切速率的影響，均表現(xiàn)為鋼板與鋪裝界面的剪切剝離;界面粘結滑移曲線呈現(xiàn)明顯的非線性和軟化行為且呈四階段發(fā)展規(guī)律:線性增長階段、屈服階段、軟化階段、滑移階段;界面行為與溫度、剪切速率和法向應力等影響因素有明顯相關性。
　　基于摩爾-庫侖強度理論，建立了鋼橋面與鋪裝界面抗剪強

5、度準則，并確定了不同溫度條件下界面剪切強度包絡線和界面殘余抗剪強度包絡線的力學參數。試驗分析表明界面剪切強度、界面剪切模量和剪切滑移能受溫度、法向應力水平和剪切速率的影響，隨溫度升高而減少、隨法向應力水平和剪切速率增加而增大;界面剪切破壞位移受溫度和剪切速率的影響，隨溫度升高而增大、隨剪切速率增大而減少，而法向應力水平對界面剪切破壞位移的影響不明顯。
　　在曲線特征分析和試驗數據統(tǒng)計的基礎上，提出了基于雙線性模型、線性-指數模型和

6、Popovics模型的鋼橋面與鋪裝界面粘結滑移模型，用以描述界面粘結-損傷-滑移的發(fā)展規(guī)律;對基于剪切強度與界面粘結勁度的雙線性損傷模型和線性-指數損傷模型進行了分析研究，發(fā)現(xiàn)剪切強度雙線性損傷模型和剪切強度線性-指數損傷模型與試驗數據擬合較好，更適合于表征界面的損傷特性。
　　建立了界面內聚力模型，定義了該模型中的張力—位移關系和損傷萌生判據，并在內聚力達到開裂強度之后，引入損傷變量來表征材料的損傷水平，分別建立了雙線性和線性-

7、指數界面內聚關系。通過基于內聚力模型的鋼橋面與鋪裝界面有限元模型，分別對60℃時Ⅰ型界面在0MPa、0.2MPa、0.5MPa、0.7MPa的法向應力情況下不同剪切速率的荷載試驗進行了數值仿真，并獲取相應界面剪應力的演化歷程。將由模型計算的得到界面剪切強度、剪切模量、剪切破壞位移等力學參數及軟化曲線等與實測數據對比，結果表明基于線性-指數損傷模型的仿真結果最符合實測結果。
　　建立了基于界面內聚力模型的全斷面鋼箱梁節(jié)段鋪裝有限元模

8、型，并對界面滑移規(guī)律進行了模擬分析，揭示了車輛超載對鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝結構損傷的界面起因及滑移機理。計算結果表明，鋼橋面與鋪裝界面在車輪荷載作用下法向受壓，切向同時受到兩個方向的剪應力作用，界面出現(xiàn)的破壞屬于Ⅱ型滑移開裂;鋼橋面與鋪裝界面橫橋向剪應力約為縱橋向剪應力的二倍，表明鋪裝復合結構彎曲作用引起的層間剪切效應顯著大于剎車產生的界面剪切效應;采用基于內聚力模型的界面條件計算得到的鋪裝表面最大拉應力比連續(xù)界面增大11.6％，界面

9、最大剪應力減小14.5％，內聚力模型消除了界面連續(xù)的不合理假設，使鋼橋面鋪裝力學分析和壽命預估結果更加可靠;鋼橋面板頂板厚度增加可有效減小鋼橋面與鋪裝界面橫橋向和縱橋向剪應力，減緩界面滑移病害的產生;而增加縱向加勁肋間距則會對界面受力產生不利的影響，縱向加勁肋厚度、高度以及橫梁間距對界面受力的影響較小;Ⅰ型界面的極限車輛軸載為200kN，當車輛軸載處于200kN以下時，界面不會產生損傷，而當車輛軸載等于或大于200kN時，界面將會受損甚