第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
近年来，我国钢铁产能严重过剩，国务院于“十三五规划”伊始便出台了《关于钢铁行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》（国发〔2016〕6 号）的文件，明确提出了促进钢铁行业转型升级，推广应用钢结构建筑，促进绿色发展的要求。在城市交通基础设施建设中，钢结构桥梁具有造型优美、自重轻、材质均匀、质量稳定、易于工厂化制造、装配化施工、便于回收利用等优点，为世界桥梁界所推崇。2017 年 7 月，交通运输部发布《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》，大力推广钢结构桥梁的建设应用，这一举措不仅可以吸纳过剩的钢铁产能，也可以推动我国钢结构桥梁建设技术的进步，从而带动相关产业的升级。
在钢桥面结构体系中，桥面铺装作为桥梁行车体系的组成部分，起到联结桥梁结构、分散交通荷载、减缓行车对桥面板的冲击和保护钢桥面板的重要作用。铺装层质量的好坏不仅影响着行车的安全和舒适性，同时还关乎桥梁体系的耐久和投资效益。因而，钢桥面铺装层的质量和使用情况受到政府管养部门乃至社会各界广泛关注。
钢桥面铺装的结构形式主要采用钢桥面板+柔性材料铺装层（沥青混凝土铺装），其使用环境较路面而言严苛许多，主要表现为以下三点：（1）目前大多数钢桥都采用正交异性桥面板结构，由于正交异性钢桥面板底部纵横加劲梁（助）较多，局部变形较大，
刚度较小，钢材导热系数大，使得其桥面铺装结构比混凝土铺装结构以及道路结构层受力更为复杂；（2）由于我国气候夏季炎热，高温持续时间长，冬季严寒，大风降温速率快，而钢桥的主体结构对铺装层材料的保温能力要弱于普通的道路结构，因此，铺装材料处于极限高温或低温的情况要比普通路面结构频繁；（3）我国超限重载情况严重，车辆频繁的启动刹车会导致铺装结构层间剪应力较高，而沥青类铺装材料与钢板结合薄弱，极易造成层间脱空，进而造成大面积的滑移开裂，影响桥面的正常使用。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 钢桥面铺装体系
铺装结构作为桥梁建设的关键技术，在国外已经有 40 多年的研究历史，铺装结构的研究和实践最早起源于德国，法国、日本、美国等国家随后也进行了相关研究，但是由于各个国家的环境气候不同，交通荷载以及桥梁形式都存在差异，因此对铺装结构的要求不尽相同。目前国内外已经形成了三大铺装体系，分别为：浇筑式沥青混凝土、双层改性沥青 SMA、环氧沥青混凝土铺装体系。
（1）浇筑式沥青混凝土铺装体系
浇筑式沥青混凝土铺装体系通常采用浇筑式沥青混合料作为铺装下层，以改性沥青SMA 或浇筑式沥青混凝土作为铺装上层，防水粘结层通常采用反应性树脂（丙烯酸树脂、甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂）以及溶剂型沥青。其中，浇筑式沥青混凝土主要有 1917年起源于德国[5]的浇筑式沥青混凝土（Guss Asphalt，简称 GA）、英国科学家研发的浇筑式沥青混凝土（Mastic Asphalt，简称 MA）以及我国研发的 GMA，前两种浇筑式沥青混凝土主要在组成和工艺上存在差异，主要表现为 MA 的细集料划分更细，生产时需先在拌和机内形成沥青砂浆，然后与粗集料在专用运输车内二次拌和形成 MA，生产需要将近 10 个小时，效率较低；而我国研发的 GMA 运用 MA 的配合比设计方法和 GA 的生产工艺，提高了原 MA 的生产效率，作为铺装下层首次应用于港珠澳大桥[6]。
浇筑式沥青混凝土铺装体系最早应用于 1929 年建成的德国苏丹尼罗河大桥，1964年首次应用于英国的福斯桥，随后塞文桥、亨伯桥也相继应用了这种铺装体系[7]。
虽然欧洲发明了浇筑式沥青混凝土，但是却是日本使其得到了长远的发展。日本自20 世纪 50 年代开始进行桥面铺装的研究，并将从德国引进的材料和技术根据本国国情进行调整，形成了一套适用于本国的钢桥面铺装技术，并于 20 世纪 60 年代发布了相关的规范[7]。因浇筑式沥青混凝土具有相当高的密实度，良好的防水效果以及良好的追从性，日本将其作为铺装下层使用，铺装上层采用改性沥青密级配混合料，铺装总厚度一般不超过 80mm。
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第 2 章 钢桥面铺装结构力学分析
2.1 有限元基本参数和模型
2.1.1 有限元方法基本简介
有限元法（FEM，Finite Element Method）是上个世纪中期出现的一种数值解法，1943 年，柯郎第一次提出了有限元的概念，但是当时并不叫做有限单元法。20 世纪 50年代，有限单元法又被运用到飞行器的结构分析中，这一阶段平面有限单元法的基本理论已经基本完成并应用到一些实际工程中。有限单元法这一术语真正起源于 1960 年，由克拉夫（Clough）在其一篇论文“平面分析的有限元法（The Finite Element Method in Plane Stress Analysis）”中最先引入了有限元（Finite Element）这一术语。恰逢当时计算机发展较快，有限单元法得以被迅速应用到各种力学问题中。70 年代有限单元法被引入到我国，并得到了广泛的应用。
FEM 采用有限自由度的离散单元组合体模型，去描述实际具有无限自由度的连续体，是一种力学模型上的近似数值计算方法，其理论基础是分片插值和虚功原理，其分析过程通常分为三个步骤：（1）将连续体变为离散结构的形式；（2）单元分析，以节点位移作为基本的物理量，进行数学和力学分析得到单元的位移模式、应变矩阵、应力矩阵、节点力矩阵等；（3）整体分析，将多个单元连接起来进行组合体模型的整体分析。
目前经常采用软件进行相关分析，大型有限元分析软件有很多，例如 ANSYS、LS-DYNA3D、MARC、COSMOS、ABAQUS、ASP、ADINA、ASKA、MSUNASTRAN等等，目前最常应用的有限元软件为 ABAQUS 以及 ANSYS，两款软件的功能均比较强大，但是和 ANSYS 比起来，ABAQUS\CAE 提供了一个业界领先、完整易用的前处理系统，具有强大的模型管理和载荷管理手段，且可以模拟多种接触问题，无论是线性和非线性问题，ABAQUS 凭借更多的单元种类以及更多的材料模型都可以进行模拟，被广泛地认为是功能最强大的软件，因此本文采用 ABAQUS 进行有限元分析。
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2.2 铺装结构静力特性分析
钢桥面铺装层起着承受车辆荷载并分散荷载的作用，其受力状态及其与桥面结构之间的相互关系直接影响桥梁的使用寿命；而防水粘结层作为保证桥面板和沥青铺装层的有效粘结，增加铺装整体结构稳定性的重要组成部分，在荷载的反复作用下，经常发生剪切破坏，直接影响桥面的正常使用，因此，本节主要针对铺装层以及防水粘结层的受力特点进行研究，确定两种加载方式最不利荷载的位置并分析荷载、温度、铺装层厚度的变化对铺装结构受力的影响规律，以期为钢桥面铺装结构的设计提供有益的参考。
2.2.1 最不利荷位分析
正交异性钢桥面板主要由横隔板和纵横向加劲肋组成，铺装层在二者的共同支撑下，承受车辆荷载的作用，在横隔板之上的面层，其纵向拉应力较大，而在纵向加劲肋之上的面层，其横向拉应力较大[40]，且铺装层纵横向拉应力也成为控制铺装层开裂的主要控制指标；而防水粘结层主要表现为剪切破坏，控制指标主要为层间剪应力。因此本小节主要研究荷载在常温（15℃）下不同横向及纵向位置下铺装层底最大纵横向拉应力（σzz、σxx）以及防水粘结层纵横向最大剪应力（τxy、τyz）的变化规律，以期得到荷载的最不利加载位置，各应力方向见图 2-5，其中 X 方向为横桥向方向，Z 方向为纵桥向方向。
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3.1 原材料性能测试 .............................. 24
3.1.1 沥青 ............................. 24
3.1.2 集料及填料 ............................. 24
第 4 章 钢桥面铺装各结构层疲劳性能研究 ........................ 31
4.1 防水粘结层剪切疲劳性能研究 .................................. 31
4.1.1 试验方案设计 ............................. 31
4.1.2 防水粘结层最佳用量确定 ........................ 32
第 5 章 多种疲劳损伤行为下钢桥面铺装结构分析与优化 .................... 57
5.1 武汉白沙洲大桥桥面铺装层病害分析 ................................. 57
5.1.1 桥面铺装的环境与荷载因素分析 ............................. 57
5.1.2 分析方法 ................................ 60
第 5 章 多种疲劳损伤行为下钢桥面铺装结构分析与优化
5.1 武汉白沙洲大桥桥面铺装层病害分析
本次研究主要考虑疲劳损伤，而铺装结构产生的疲劳开裂、车辙以及脱层等病害均属于铺装结构各层的疲劳性能不满足使用要求导致。其中，疲劳开裂为铺装层的抗弯曲疲劳性能不足，车辙为铺装层的抗剪切疲劳性能不足，脱层为防水粘结层抗剪切疲劳性能不足。因此，本小节将依据第四章得到的疲劳寿命预估模型以及现行规范的要求计算白沙洲大桥的各结构层在实际使用环境下的疲劳寿命，并结合实际轴载作用次数进行分析，进而判断其主要病害的类型。
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结论与展望
结论
鉴于目前铺装结构设计大都以控制铺装结构与材料的极限破坏强度为主，而对疲劳损伤效应的影响考虑甚少这一问题，本文以武汉白沙洲大桥为研究对象，分析桥面铺装结构在车载、温度综合作用下的力学行为，并结合车辙预估模型以及疲劳寿命预估模型，
分析车辙损伤、铺装层底弯拉疲劳损伤以及防水粘结层的剪切疲劳损伤效应，揭示桥面铺装结构早期病害频发的原因，并提出相应的优化措施。主要结论如下：
（1）以病害频发的武汉白沙洲大桥为工程背景利用有限元软件 Abaqus 建立三维立体模型，并在考虑极限破坏以及疲劳破坏两种加载方式下，确定最不利荷载的加载位置为荷载以一加劲肋边为中心对称施加于正上方，并距离横隔板 300mm 处。
（2）荷载以及温度的增加均会对铺装结构的受力产生不利影响，而铺装层厚度的增加会产生有利影响，具体表现为铺装层底最大拉应力、拉应变以及防水粘结层最大剪应力均随荷载的增加线性增长；温度变化的影响表现为随温度升高（模量降低），铺装层底横向最大拉应力呈现逐渐上升的趋势，而最大纵向拉应力逐渐下降，在某一温度相等，加载方式 1 下为 25℃，加载方式 2 下大约为 17℃；防水粘结层最大剪应力呈现先上升后下降的趋势，25℃时达到最大，说明如果以极限剪应力为设计标准，规范采用 25℃时的抗剪强度作为指标是合理的；铺装层厚度变化的影响表现为随厚度的增加，铺装层的最大拉应力、拉应变以及防水粘结层的最大剪应力均随厚度的增加而减小。
（3）铺装层底最大拉应力、拉应变均出现在横隔板附近，而防水粘结层最大剪应力出现在纵向加劲肋边附近。且就本文研究的几个力学指标而言，加载方式对它们的影响主要表现在数值上的差异，而对它们在各影响因素下的变化趋势无显著影响。
（4）通过剪切拉拔试验确定防水粘结层的最佳用量为 1.3kg/m2，抗剪强度为2.11MPa，拉拔强度为 1.12MPa，均满足规范要求。且结合力学分析可知，按极限破坏方式加载时防水粘结层的最大剪应力为 1.692MPa，小于该种材料的抗剪强度，因此该种材料不会发生一次性的极限破坏。
（5）温度以及应力均会对剪切疲劳寿命产生影响，且应力的影响高于温度的影响，各个温度下的剪切疲劳寿命随应力的增大而下降，高温（大于等于 50℃）情况下剪切疲劳寿命对应力变化比较敏感；不同温度下试件的破坏面均在铺装层，因此得出结论：防水粘结层与 SMA 铺装层之间的粘结性能是影响层间剪切疲劳寿命的关键。
参考文献（略）