基于复合梁试验和立体数字图像显微镜（Stereo-DIC）技术研究钢桥面铺装的断裂行为和裂纹演化

《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》：Fracture behavior and cracking evolution of steel bridge deck pavement based on composite beam tests and stereo-DIC

　　• U/T型开口复合梁能够再现自上而下和自下而上的开裂模式。
• 立体数字图像相关（stereo-DIC）技术能够在界面激活之前实现裂纹尖端追踪和应力强度因子的反演。
• 最大裂纹挠角约为22°（自上而下）和30°（自下而上）。
• 路面层开裂主要表现为I型裂纹；界面损伤表现出开合-滑移耦合现象。
• 八种介观相的断裂韧性值已通过定量校准得到确认。

**引言**
作为承受交通荷载和保护主钢结构的关键部分[1]，钢桥面铺装系统的结构完整性和耐久性直接决定了桥梁的服务性能[2]。然而，由于钢桥面结构中U型肋和横向隔板等细节的影响，铺装系统内部的局部刚度分布存在明显的异质性，从而导致了极其复杂的应力状态[3]。在运营载荷作用下，铺装系统在肋顶、隔板上方以及层间粘合区域极易出现严重的应力集中[4][5]。这些应力集中不可避免地会引发开裂问题[6][7]，这不仅降低了乘坐舒适度，还可能对钢桥造成局部结构损伤。因此，准确描述裂纹扩展行为、挠度机制以及断裂参数的演变规律已成为钢桥面铺装力学研究中的关键科学挑战。

**现有研究**
现有研究表明，钢桥面铺装开裂主要可分为两类：自上而下的裂纹和自下而上的裂纹，这两种裂纹共同导致了超过90%的铺装失效[8]。自上而下的裂纹通常从铺装表面开始，向下扩展至粘合层，最终导致铺装与钢板之间的粘合失效[9][10]；而自下而上的裂纹则从粘合界面开始，向上穿过铺装层，随后引发铺装与钢基底之间的剥离失效[11][12]。为了实验性地阐明这些裂纹机制，研究人员基于铺装段的局部效应分析[13][14]推导出了等效的复合梁测试模型，并通过三点[15]或四点[16]弯曲配置在实验室环境中再现了铺装层的复杂应力状态。通过优化预开口几何形状和缺口长度以适应不同的材料界面和加载模式[17][18]，随机裂纹可以被成功转化为可控的断裂力学问题。尽管这种方法显著提高了实验的可重复性和可测量性，但它并未系统地考虑试样尺寸和裂纹起始位置对裂纹扩展行为的影响，从而导致加载配置不一致，影响了实际开裂场景的高保真度表征。

**裂纹机制研究**
在研究这两种裂纹类型的开裂机制时，传统接触测量方法只能获得全局力学指标，如极限强度和界面强度[19][20]，难以捕捉裂纹尖端区域的局部断裂行为[21]。近年来，由于非接触式数字图像相关（DIC）技术具有亚像素分辨率和全场位移监测能力[22][23]，被广泛应用于材料断裂行为的研究中。DIC可以有效地揭示裂纹尖端的应变集中、裂纹挠角的变化以及多路径扩展特性，为分析复杂层状系统的开裂机制提供了必要的测量数据[24][25]。然而，二维DIC（2D-DIC）易受到加载过程中产生的垂直于平面位移的干扰[26]，导致位移识别出现较大的人为误差。为了解决这些问题，本研究中引入了立体数字图像相关（stereo-DIC）技术。该技术通过三维空间坐标重建，有效补偿了复合梁弯曲变形和材料异质性引起的垂直于平面的干扰[27][28]，确保了变形场的高保真度采集。此外，将立体DIC与复合梁实验相结合，有助于对整个铺装开裂过程进行实验验证。这种方法能够精确识别从裂纹起始到完全穿透的演变过程，为断裂参数的反演提供了可靠的基础。

**断裂参数**
断裂参数（尤其是应力强度因子K）是定量描述裂纹机制的核心指标[29][30]。目前，用于评估K值的方法主要分为数值模拟和实验测定两类。虽然数值方法（如扩展有限元法[XFEM][31][32]和边界元素法[BEM][33][34]）能够在复杂几何形状和材料非线性条件下进行K值评估，但其精度高度依赖于本构模型的定义和网格质量，因此模拟结果与实际情况之间常存在差异。随着计量技术的不断进步，实验测定方法的应用越来越广泛。最常用的方法是利用立体DIC在测试过程中测量裂纹尖端附近的位移场，并结合断裂力学理论反演应力强度因子[35][36]。对于近尖端区域可以近似为单一局部裂纹场的明显主裂纹，该方法能够动态追踪裂纹尖端位置，并定量评估KI和KII，从而有效表征复杂载荷条件下的混合模式开裂。然而，当裂纹扩展到界面并发展成复杂裂纹系统时，裂纹尖端位置难以唯一确定，限制了应力强度因子的可靠反演。

**复合梁测试模型的优化**
基于此，研究人员优化了能够表征自上而下和自下而上裂纹行为的复合梁测试模型，为断裂行为的准确表征提供了实验基础。通过分析不同测试条件下复合梁试样的P-CMOD曲线，将开裂过程划分为七个特征阶段。在整个开裂过程中使用立体DIC进行非接触式监测，并根据获得的动态失效图像和应变场的演变情况研究了不同条件下的介观失效模式和裂纹扩展过程。对于铺装层内的裂纹，采用Williams级数展开法与Newton-Raphson迭代算法结合的方法动态追踪裂纹尖端坐标并定量评估应力强度因子；对于界面损伤，则通过裂纹面开合位移来定量表征断裂行为。在此基础上，进一步阐明了层状复合结构中I型与II型裂纹的耦合扩展机制，并定量校准了不同介观相的断裂韧性。这些发现不仅为分析钢桥面铺装开裂机制提供了坚实的实验基础，也为评估复杂复合结构系统的断裂参数提供了有价值的方法参考。

**章节摘录**
**钢桥面铺装梁段的有限元建模**
正交各向异性钢桥面铺装系统是长跨钢桥的关键组成部分，通常包括铺装层、粘合层、钢桥面板、U型肋和横向隔板。当车辆沿桥梁纵向行驶时，车轮荷载通过粘合层传递到钢桥面板及其加固构件。由于U型肋、横向隔板及肋与桥面连接部分的作用，

**试样尺寸和厚度比的优化**
与拔出试验和剪切试验相比，复合梁弯曲试验能更真实地复制铺装结构系统内的局部应力状态[39]。目前广泛采用的复合梁实验模型主要包括斯图加特大学模型[40]、法国LCPC模型[41]和东南大学模型[42]，这些模型在加载机制和试样几何形状上存在根本差异。

**P-CMOD曲线的特征分析及裂纹阶段的划分**
不同载荷条件下的复合梁样品P-CMOD曲线如图19所示。复合梁开裂过程主要分为七个特征阶段：
(1) 弹性阶段：载荷(P)与开合位移(CMOD)呈线性增加，试样刚度(dP/dCMOD)基本保持不变。
(2) 裂纹起始（A点，约为峰值载荷的80%）：随着载荷P的增加，缺口尖端的应力...

**结论**
本研究开发了复合梁实验模型，用于表征在不同运行条件下的两种典型裂纹模式（自上而下和自下而上）的开裂行为。通过使用立体DIC追踪整个裂纹扩展过程，得出的主要结论如下：
(1) 根据钢桥面铺装的局部弯曲特性，优化了复合梁试样的平面尺寸...

**作者贡献声明**
Long Cheng：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、研究设计、资金筹集、概念构思。
Zhengyang Xie：撰写——初稿撰写、研究实施。
Quan Yuan：撰写——审稿与编辑。
Zhongshan Ren：撰写——审稿与编辑。
Liang Song：撰写——审稿与编辑。
Lei Zhang：撰写——审稿与编辑。
Wuping Ran：撰写——审稿与编辑。
Chunyang Yu：撰写——审稿与编辑。
Guoqiang Sun：撰写——审稿与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
作者感谢国家自然科学基金（项目编号52568068）、新疆维吾尔自治区自然科学基金（项目编号2025D01C14）、新疆维吾尔自治区“天池人才”青年人才项目（项目编号5105250182O）以及乌鲁木齐市山岳交通基础设施灾害防治工程技术研究中心提供的财政支持。