钢桥面铺装作为桥梁工程的重要组成部分,一直是一个世界性难题,倍受行业与社会关注。在我国特殊的交通、气候条件下,钢桥面铺装层病害频发,养护滞后,导致钢桥面铺装实际使用寿命难以达到设计年限。在钢桥面铺装的多种破坏形式中,疲劳开裂、剪切脱层、车辙变形作为最典型病害,是所有钢桥面铺装工程无法避免的,也是对钢桥面铺装使用质量及整体性影响最大的破坏形式,本文将此三类破坏形式归结为结构性破坏。如何遏制钢桥面铺装结构性破坏发生,提高其使用质量及耐久性成为当前钢桥面铺装技术研究的重点方向。本文在钢桥面铺装材料性能及模量参数试验研究的基础上,开展钢桥面铺装层力学响应及温度场分析,建立基于损伤力学的钢桥面铺装疲劳开裂、剪切脱层预估模型以及铺装结构车辙变形预估模型,并依托马鞍山长江公路大桥进行案例分析,形成了可用于指导钢桥面铺装层结构性破坏预估与防控的方法。主要研究成果如下:(1)在钢桥面铺装材料性能测试分析的基础上,基于五点加载复合梁试验模型,结合分级加载实测变形和有限元分析结果,获取了铺装材料的变形模量。同时,根据复合梁试验模型结构尺寸参数,建立了基于解析法的变形模量计算方法,并与数值法分析结果对比。基于此方法,通过-5℃~55℃区间不同温度条件下复合梁加载变形测试,采用解析法确定了浇注式沥青混合料GA10和高弹沥青SMA10在不同温度条件下的变形模量,为后续钢桥面铺装层力学分析提供了有力支撑。(2)基于钢箱梁正交异性钢桥面系结构参数,采用Abaqus软件,建立有限元分析模型,确定三种典型结构破坏的关键影响参数——表面最大弯拉应变、层间最大剪应力、竖向最大位移的最不利荷位。在此基础上,根据不同温度条件下的材料参数,分析最大弯拉应变、最大剪应力及最大竖向位移受荷载水平的影响规律。(3)在分析钢桥面铺装温度场影响因素的基础上,结合钢箱梁桥梁段构造特点,确定钢桥面铺装温度场的边界条件。采用Abaqus有限元软件,建立含钢箱梁的桥面铺装层温度场分析模型,采用多个特征日温度条件参数,对钢桥面铺装表面、高弹改性沥青SMA10与浇注式沥青混合料GA10层间、钢板温度场变化规律进行分析,建立相应温度随环境条件变化的计算方程,并结合现场监测数据,对本模型进行验证与修正,形成可以指导钢桥面温度场分析的计算模型。(4)基于四点弯曲疲劳试验方法,通过三个温度、多个应变水平条件下弯曲疲劳试验,确定温度、荷载条件对高弹沥青SMA疲劳次数的影响。通过数据拟合分析,引入了温度函数,建立高弹改性沥青SMA的经典疲劳方程。结合不同温度、荷载条件下沥青铺装层出现的最大弯拉应变分析结果,推算出不同温度区间内不同轴重下的最大作用次数。根据疲劳损伤理论,以实际不同轴重条件下的损伤度之和作为整个铺装层的损伤度,建立钢桥面铺装疲劳开裂预估模型,对实桥的疲劳损伤度进行计算,预估疲劳开裂的发生时间,并与标准轴载作用次数下的疲劳损伤度对比分析,确定其合理性、准确性。(5)基于所开发的疲劳剪切试验模型,通过直剪与压剪试验对比分析,提出了考虑滑动摩阻系数的剪应力转换方程。结合不同温度与应力水平条件下的疲劳剪切试验结果,建立三种温度条件下的疲劳剪切方程。根据不同温度、荷载条件下的沥青铺装层出现的最大剪应力分析结果,推算出不同温度区间内不同轴重作用次数。根据疲劳累计损伤理论,以不同温度下的损伤度之和作为整个铺装层的损伤度,建立钢桥面铺装疲劳剪切预估模型,对实桥的疲劳损伤度进行计算,预估剪切脱层发生时间,并与标准轴载作用次数下的疲劳损伤度对比分析,确定其合理性、准确性。(6)通过钢桥面铺装复合结构有限元分析,确定铺装材料剪应力;通过三轴实验,确定材料的剪切强度。在不同温度、荷载条件的车辙试验基础上,分析车辙深度与作用次数、温度及抗剪性能参数之间的关系,并提出与这些因素相关的车辙深度预估模型。同时,通过不同温度和轴载条件的车辙深度变形曲线分析,形成两阶段的车辙深度预估模型,对实桥车辙累计变形进行预估计算。同时,将马鞍山长江公路大桥通车以来历年的车辙实测变形数据,与预估模型所计算的结果进行对比分析。本项目以马鞍山长江公路大桥为依托,建立钢桥面铺装结构性破坏预估模型,以此对该桥钢桥面铺装的疲劳开裂、剪切脱层、车辙变形等结构性破坏发生时间进行预测,并与现场检测及分析结果进行对比,可看出本研究所提出的预估方法具有一定的合理性和科学性,可用于指导钢桥面铺装后期运营管理,还可为钢桥面铺装关键设计指标优化奠定基础。