钢桥面-沥青混凝土铺装接触面粘结-滑移机理研究

Slippage failure is a major form of deterioration of asphalt pavements on orthotropic steel bridge decks. This study aims to reveal the bond-sliding mechanism of the interface between steel deck and asphalt pavements. Direct shear tests will be performed on the composite structure comsisting of steel plate and asphalt overlay to investigate the bond-sliding behavior of the interface between steel plate and asphalt mixtures under a static load. Evolution of shear stresses and interfacial slips at the interface are going to be discussed. The bond-sliding constitutive relationship and the failure criterion of the steel plate-asphalt mixtures interface will be constructed based on the results obtained by the direct shear tests. The Cohesive Zone Model(CZM) and interface element will be chosen for the modeling of the interface between steel deck and asphalt mixtures simulating the bond-sliding behavior. Then a 3D Finite Element Model will be constructed for the analysis of elastic, partial-damaged and slip stages of the interface. Through the application of repeated loads acting on the interface between steel plate and asphalt mixtures, the bond-sliding behavior of the interface in the fatigue process will be analyzed and discussed. The CZM and the Damage Mechanics will be employed together in the characterization of fatigue behavior of the interface between steel deck and asphalt mixtures. A model that describes the development of the damage are about to be constructed and used for the simulation of fatigue behavior of the interface. Factors influencing the shear fatigue life of the steel plate-asphalt mixtures interface will be discussed through a parametric study. The conclusions from the research program would contribute to better understanding of the cause and development of slippage failure and supply a theoretical basis for optimization of the asphalt pavement structures on steel bridge decks.

滑移破坏是钢桥面铺装的主要病害形式之一，本项目旨在揭示钢桥面-沥青混凝土铺装接触面的粘结-滑移机理。采用复合结构直剪试验研究钢-沥青混凝土接触面在单调加载模式下的粘结-滑移力学行为，分析剪应力与滑移的演化规律，建立接触面粘结-滑移本构模型与强度准则。采用内聚力模型和界面单元模拟钢-沥青混凝土接触面，建立包括钢板、沥青混凝土和接触面的三维有限元仿真模型，分析弹性、损伤和滑移扩展行为。研究接触面剪切疲劳破坏过程中的粘结-滑移行为，建立粘结刚度随循环荷载作用的衰减模型。采用内聚力模型结合损伤力学的方法研究接触面疲劳损伤特性，建立接触面疲劳损伤演化方程和内聚力疲劳损伤本构模型，对直剪疲劳试验进行数值仿真，探索影响接触面剪切疲劳寿命的关键因素。研究成果有助于揭示钢桥面-沥青混凝土铺装接触面滑移病害成因及发展规律，并为以提高接触面粘结韧性为目标的钢桥面铺装结构优化提供理论依据。

钢桥面板与铺装间的界面是影响钢桥面铺装使用性能和使用寿命的关键，我们针对界面问题进行了深入研究。根据钢桥面与铺装界面受力特点，设计了一套新型钢桥面铺装的界面直剪试验装置，该装置可以对不同温度、法向应力和剪切速率条件下界面的力学特性进行测试，并提出了相应的试件制作与测试方法；利用新开发的钢桥面与铺装界面直剪试验装置，在2种试验温度、4种法向应力、2种剪切加载速率等多因素条件下对“钢桥面板+环氧富锌漆＋环氧沥青粘结材料＋环氧沥青混合料”和“钢桥面板+Eliminator防水粘结层＋浇注式沥青混合料”两类常用的钢桥面与铺装界面类型进行复合结构直剪试验，获得了界面粘结滑移曲线、发展规律及影响因素；基于摩尔-库仑强度理论，建立了钢桥面与铺装界面抗剪强度准则，并确定了不同温度条件下界面剪切强度包络线和界面残余抗剪强度包络线的力学参数；对剪切加载下钢桥面与铺装界面粘结滑移性能进行了理论分析，在曲线特征分析和试验数据统计的基础上，提出了基于双线性模型、线性-指数模型和Popovics模型的钢桥面与铺装界面粘结滑移模型来描述界面粘结-损伤-滑移的发展规律，在此基础上分别研究了基于剪切强度和界面粘结劲度的双线性损伤模型、线性-指数损伤模型；基于钢桥面与铺装界面直剪试验结果建立了界面内聚力模型，定义了张力－位移关系和损伤萌生判据，引入损伤变量来表征材料的损伤水平，分别建立了双线性和线性-指数界面内聚关系。通过基于内聚力模型的钢桥面与铺装界面有限元模型，分别对60℃时界面在0MPa、0.2MPa、0.5MPa、0.7MPa的法向应力情况下不同剪切速率的荷载试验进行了数值仿真，并获取相应界面剪应力的演化历程；建立了基于界面内聚力模型的全断面钢箱梁节段铺装有限元模型，获得了钢箱梁结构参数对钢桥面与铺装界面的影响规律，首次揭示了车辆超载对钢桥面铺装结构损伤的界面起因及严重后果；采用直剪试验测试了钢桥面与铺装界面的疲劳性能，分析了剪切模量、相位角、累积损伤、损伤增量、耗散能和累积耗散能等特征参数在疲劳试验过程中的演化规律，将累积损伤开始发生急剧增加定义为疲劳破坏标准，通过检验证明界面疲劳寿命服从两参数的威布尔分布规律，得到界面疲劳寿命预估方程。