基于內(nèi)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(gè)鋪裝層與鋼橋面板組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)層間通過粘結(jié)材料結(jié)合為整體，層間界面的力學(xué)特性對(duì)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(guān)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(shè)中的技術(shù)難題。本文針對(duì)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(yàn)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(xué)特性、粘結(jié)-滑移演化規(guī)律，提出了界面剪切強(qiáng)度包絡(luò)線和粘結(jié)損傷模型，建立了基于內(nèi)聚力模型的鋼橋面與鋪裝界面理論分析模型，對(duì)界面直剪試驗(yàn)進(jìn)行全程仿真，并分析鋼箱梁與橋面鋪裝界面的力學(xué)與變形特點(diǎn)及影響因素，為大跨徑鋼箱梁鋪裝界面抗剪切性能的評(píng)價(jià)及建立理論分析模型，提供了有效的方法。
　　通過對(duì)鋼橋面與鋪裝界面破壞特征分析，界面破壞的主要力學(xué)誘因是鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)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(nèi)剪應(yīng)力。針對(duì)現(xiàn)有界面實(shí)驗(yàn)裝置存在的問題，設(shè)計(jì)了一套新型鋼橋面鋪裝的界面直剪試驗(yàn)裝置，該裝置可以對(duì)不同溫度、法向應(yīng)力和剪切速率條件下界面的力學(xué)特性進(jìn)行測(cè)試，并提出了相應(yīng)的試件制作與測(cè)試方法，為界面力學(xué)性能研究提供了有效的實(shí)驗(yàn)方法。
　　利用新開發(fā)的鋼橋面與鋪裝界面直剪試驗(yàn)裝置，在二種試驗(yàn)溫度、四種法向應(yīng)力、二種剪切加載速率等多因素條件下，對(duì)“鋼橋面板+環(huán)氧富鋅漆+環(huán)氧瀝青粘結(jié)材料+環(huán)氧瀝青混合料”（Ⅰ型）和“鋼橋面板+Elimin

4、ator防水粘結(jié)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(jìn)行了一系列復(fù)合結(jié)構(gòu)直剪試驗(yàn)。結(jié)果表明，鋼橋面與鋪裝界面的破壞形態(tài)不受溫度、法向應(yīng)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(jié)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(zhǎng)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(yīng)力等影響因素有明顯相關(guān)性。
　　基于摩爾-庫侖強(qiáng)度理論，建立了鋼橋面與鋪裝界面抗剪強(qiáng)

5、度準(zhǔn)則，并確定了不同溫度條件下界面剪切強(qiáng)度包絡(luò)線和界面殘余抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線的力學(xué)參數(shù)。試驗(yàn)分析表明界面剪切強(qiáng)度、界面剪切模量和剪切滑移能受溫度、法向應(yīng)力水平和剪切速率的影響，隨溫度升高而減少、隨法向應(yīng)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(yīng)力水平對(duì)界面剪切破壞位移的影響不明顯。
　　在曲線特征分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了基于雙線性模型、線性-指數(shù)模型和

6、Popovics模型的鋼橋面與鋪裝界面粘結(jié)滑移模型，用以描述界面粘結(jié)-損傷-滑移的發(fā)展規(guī)律;對(duì)基于剪切強(qiáng)度與界面粘結(jié)勁度的雙線性損傷模型和線性-指數(shù)損傷模型進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)剪切強(qiáng)度雙線性損傷模型和剪切強(qiáng)度線性-指數(shù)損傷模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好，更適合于表征界面的損傷特性。
　　建立了界面內(nèi)聚力模型，定義了該模型中的張力—位移關(guān)系和損傷萌生判據(jù)，并在內(nèi)聚力達(dá)到開裂強(qiáng)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(shù)界面內(nèi)聚關(guān)系。通過基于內(nèi)聚力模型的鋼橋面與鋪裝界面有限元模型，分別對(duì)60℃時(shí)Ⅰ型界面在0MPa、0.2MPa、0.5MPa、0.7MPa的法向應(yīng)力情況下不同剪切速率的荷載試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值仿真，并獲取相應(yīng)界面剪應(yīng)力的演化歷程。將由模型計(jì)算的得到界面剪切強(qiáng)度、剪切模量、剪切破壞位移等力學(xué)參數(shù)及軟化曲線等與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果表明基于線性-指數(shù)損傷模型的仿真結(jié)果最符合實(shí)測(cè)結(jié)果。
　　建立了基于界面內(nèi)聚力模型的全斷面鋼箱梁節(jié)段鋪裝有限元模

8、型，并對(duì)界面滑移規(guī)律進(jìn)行了模擬分析，揭示了車輛超載對(duì)鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)損傷的界面起因及滑移機(jī)理。計(jì)算結(jié)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(shí)受到兩個(gè)方向的剪應(yīng)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(yīng)力約為縱橋向剪應(yīng)力的二倍，表明鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)彎曲作用引起的層間剪切效應(yīng)顯著大于剎車產(chǎn)生的界面剪切效應(yīng);采用基于內(nèi)聚力模型的界面條件計(jì)算得到的鋪裝表面最大拉應(yīng)力比連續(xù)界面增大11.6％，界面

9、最大剪應(yīng)力減小14.5％，內(nèi)聚力模型消除了界面連續(xù)的不合理假設(shè)，使鋼橋面鋪裝力學(xué)分析和壽命預(yù)估結(jié)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(yīng)力，減緩界面滑移病害的產(chǎn)生;而增加縱向加勁肋間距則會(huì)對(duì)界面受力產(chǎn)生不利的影響，縱向加勁肋厚度、高度以及橫梁間距對(duì)界面受力的影響較小;Ⅰ型界面的極限車輛軸載為200kN，當(dāng)車輛軸載處于200kN以下時(shí)，界面不會(huì)產(chǎn)生損傷，而當(dāng)車輛軸載等于或大于200kN時(shí)，界面將會(huì)受損甚