水泥混凝土橋梁雙層橋面鋪裝結構力學分析＊

趙巖荊 蔣 玲

（南京交通職業(yè)技術學院 南京 211188）

0 引 言

在車輛荷載和自然環(huán)境交替作用下，水泥混凝土橋面鋪裝易出現(xiàn)推移、擁包、裂縫、坑洞、橋面滲水等早期破壞［1］.而對于橋面鋪裝層使用性能而言，鋪裝層材料的選擇以及鋪裝層結構的設計是主要影響因素［2］.隨著橋面鋪裝技術的發(fā)展和進步，高強度、高模量等高性能瀝青混凝土材料已經被越來越普遍的應用于橋面鋪裝中［3］.在鋼橋面鋪裝中，廣泛應用的環(huán)氧瀝青混凝土也被考慮引進水泥混凝土橋梁鋪裝層應用之中.然而由于環(huán)氧瀝青混凝土造價昂貴，因此在研究中考慮“下層環(huán)氧瀝青混凝土＋上層普通改性瀝青混凝土（如SBS改性瀝青混凝土）”的鋪裝層結構，以期在提高鋪裝層性能的同時，能夠保持合理的經濟性.

由于環(huán)氧瀝青混凝土具有強度大，模量高的特點［4］，其應用于水泥混凝土橋面鋪裝層時所產生的力學響應與采用傳統(tǒng)材料的鋪裝層必然有所差異，因此有必要進行相應的力學分析.同時，水泥混凝土橋梁鋪裝層的邊界條件要明顯強于鋼橋面鋪裝.故已經在大跨徑鋼橋面鋪裝中得到實際工程驗證的環(huán)氧瀝青混凝土在水泥混凝土橋梁中發(fā)生病害的可能性更低，因此本文主要研究在下面層材料變化時，上面層即普通改性瀝青混凝土鋪裝層的力學響應變化規(guī)律.以研究應用環(huán)氧瀝青混凝土對于鋪裝層受力分析的影響效果.

橋梁結構形式多種多樣，橋梁的跨徑也不盡相同.因此，對于不同結構，不同跨徑的橋梁，采用何種鋪裝層材料組合最為合理，對鋪裝層結構的優(yōu)化和設計具有十分重要的意義［5－9］.同時，鋪裝層下面層對上面層力學響應的影響主要源自下面層材料自身的模量.故本文選取兩種典型的水泥混凝土橋梁結構形式：水泥混凝土空心板橋及水泥混凝土工字梁橋，分別建立2種橋梁結構在不同跨徑狀態(tài)下的三維有限元模型，針對不同橋梁結構形式、不同橋梁跨徑，以及不同模量的下面層，研究鋪裝層上面層在車輛荷載下的力學響應.最終得出環(huán)氧瀝青混凝土在水泥橋梁鋪裝層下面層中應用的可行性和適用性.

本研究利用三維有限元建模技術，依據(jù)橋梁實際尺寸，利用ABAQUS有限元分析軟件建立整橋模型，從而能夠合理反映橋梁整體結構變形對鋪裝層力學響應的影響，能夠有效提高力學分析結果的合理性與可靠性。

1 計算模型的建立

1.1 橋梁有限元模型的建立

本研究中所選用橋梁均為多跨簡支梁結構，各跨幾何參數(shù)及邊界條件幾乎完全相同，故只需選取一個跨段的鋪裝層作為分析對象即可.同時，為考慮相鄰跨段結構的影響，亦將其納入建模范圍.最終，選擇總計3個跨段為建模對象，其中中間跨段鋪裝層為主要研究對象.在此基礎上計算其荷載作用下的應力應變響應［10］.模型效果見圖1～2.

圖1 工字梁橋有限元模型

圖2 空心板橋有限元模型

1.2 材料及結構參數(shù)

橋梁結構及鋪裝層分別由鋼筋水泥混凝土與改性瀝青混凝土構成，本文對鋼筋水泥混凝土及改性瀝青混凝土的材料參數(shù)如不作特殊說明，均按表1中所列參數(shù)取值［11］.

表1 材料及結構參數(shù)

而鋪裝層下面層模量則作為變量，以2 000 MPa為區(qū)間，在2 000MPa～10GPa之間，取5個不同的模量，計算鋪裝層上面層在此條件下的力學響應.同時結合工程實踐及實際鋪裝應用，設定橋面鋪裝層總厚度為6cm，其中上下面層厚度各為3cm.

1.3 荷載作用形式

本研究所采用的車輛荷載的立面、平面尺寸見圖3.

圖3 車輛荷載的立面、平面尺寸（尺寸單位：m）

車輛荷載的主要技術指標見表2.

表2 車輛荷載主要技術指標

本研究中各輪胎接地壓強均取為0.707 MPa［12］.而由于接地壓強取值不同而導致的軸重增大，也符合中國道路普遍具有交通量大，重載車輛多的特點［13－15］，并且計算結果偏安全.

車輛在行使過程中由于車輛制動，輪胎與路面接觸面上將會產生水平應力.水平荷載可由下式決定

式中：T為水平荷載；φ為滑動摩阻系數(shù)；P為車輛的垂直荷載.

本文取水平力系數(shù)分別為0.3，并在此基礎上，對瀝青混凝土鋪裝層力學響應進行分析.

車輛荷載作用分布以及最不利荷位由文獻［14］所述方法確定，本文限于篇幅，省略其計算過程.

2 空心板橋計算結果

空心板橋通常跨徑為10～30m.因此，本文選擇10，20及30m作為3個不同的跨徑.空心板橋鋪裝層上面層力學響應計算結果見圖4.

圖4 空心板橋鋪裝層力學響應

由圖4可見，鋪裝層上面層的最大縱向拉應力、最大橫向拉應力以及最大豎向剪應力均隨著下面層模量的增長而呈下降趨勢，表明下面層模量的提高有利于改善上面層受力狀態(tài)，對抑制上面層發(fā)生開裂破壞以及車轍病害均由一定的作用效果.而圖4d）則反映了鋪裝層上下面層層間剪應力水平隨著鋪裝層下面層模量的增長而提高，因此下面層模量的增長對層間粘結層抗剪性能提出了更高的要求.

通過觀察圖4可知，不同跨徑空心板橋鋪裝層上面層力學響應規(guī)律雖趨向一致，但是數(shù)值水平卻有所不同.上面層最大縱向及橫向拉應力水平均隨著橋梁跨徑的增長而提高.因此，為更清晰的對比下面層模量對不同跨徑橋梁鋪裝層力學響應所帶來的影響，計算各力學指標在下面層模量由2 000 MPa上升至10 000MPa時的變化幅度.見圖5.

圖5 鋪裝層力學響應變化幅度

由圖5a）可知，當下面層模量變化時，上面層最大縱向拉應力及最大橫向拉應力變化幅度均隨著橋梁跨徑的增大而增長.因此大跨徑空心板橋鋪裝層上面層拉應力對下面層模量的變化更為敏感.換而言之，即對于同樣的下面層模量增長幅度，更大跨徑橋梁的上面層拉應力降低幅度更大.結合圖4a）～b），橋梁跨徑的增長將導致上面層拉應力的顯著增長，使得上面層拉應力距離材料極限抗拉強度更為接近，產生開裂破壞的可能性越大.因此，在大跨徑橋面鋪裝設計中，應用高性能瀝青混凝土（如環(huán)氧瀝青混凝土）作為下面層，對抑制上面層產生裂縫病害，效果尤為明顯.

如圖5b）中所示，最大豎向拉應力變化幅度受跨徑影響不大，差別很小.結合圖4c）可以得出，無論何種跨徑橋梁，下面層模量的增大均能夠抑制車轍病害的發(fā)生與擴展.最大層間剪應力的增長幅度隨著橋梁跨徑的增大而增長，但如同圖4d）中所示規(guī)律一樣，20m與30m橋梁鋪裝層層間剪應力十分接近，但均大于10m跨徑的橋梁.因此可以得出，鋪裝層上下面層層間剪應力水平基本上隨著橋梁跨徑的增大而增長，且隨著下面層模量的增長而成顯著上升趨勢.因此，在下面層應用如環(huán)氧瀝青混凝土之類的高強度瀝青時，必須對鋪裝層上下面層之間的粘結層抗剪性能提出更高的要求，采用諸如環(huán)氧瀝青粘結層之類高性能粘結層材料，以保證在合理改善鋪裝層受力狀態(tài)的同時，避免層間發(fā)生錯動滑移等病害，保證鋪裝層的正常使用.

3 工字梁橋計算結果

工字梁橋跨徑范圍一般介于20～50m之間.由于50m跨徑的工字簡支梁橋應用并不十分廣泛，因此本文分別選取跨徑為20，30及40m的3座工字梁橋作為分析原型，對其鋪裝層力學響應進行分析.

計算結果見圖6.

圖6 工字梁橋鋪裝層力學響應

圖6顯示了各不同跨徑的工字梁橋鋪裝層上面層力學響應指標隨下面層模量變化的規(guī)律.由結果可知，工字梁橋計算結果與空心板橋計算結果基本一致，均是上面層最大縱向及橫向拉應力，以及最大豎向剪應力隨著下面層模量的增大而減小；而層間剪應力水平則隨之提高.為衡量不同跨徑對上面層力學指標變化規(guī)律的影響，計算下面層模量由2 000MPa上升至10 000MPa時上面層力學指標變化幅度，見圖7.

圖7 鋪裝層力學響應變化幅度

由圖6～7可知，較大跨徑的工字梁橋鋪裝層上面層拉應力水平受到下面層模量變化的影響更大；而上面層最大豎向剪應力及層間最大剪應力則受橋梁跨徑的影響并不十分明顯.但是最大豎向剪應力也同樣隨著下面層模量的增大而減小，而最大層間剪應力則隨著下面層模量的增大而增長.因此，工字梁橋鋪裝層上面層力學指標隨下面層模量的主要變化規(guī)律與箱梁橋基本一致.

4 結 論

1）在車輛荷載作用下，對于空心板梁橋與工字梁橋而言，無論其跨徑長度如何，其鋪裝層上面層最大拉應力（包括縱向及橫向）均隨著下面層模量的增長而降低；考慮到大跨徑橋面鋪裝層的拉應力水平更加接近于材料極限抗拉強度，以及大跨徑橋面鋪裝層力學響應對下面層模量的變化更敏感，因此通過提高下面層模量來降低鋪裝層上面層發(fā)生開裂破壞的可能性及嚴重性，對于大跨徑橋梁而言，具有更加積極的意義.

2）鋪裝層最大豎向剪應力水平均隨著下面層模量的增長而降低，因此較大的下面層模量能夠顯著降低上面層發(fā)生車轍病害的可能性.同時由于下面層采用較高模量的材料（如環(huán)氧瀝青混凝土），其本身的抗車轍性能便已十分優(yōu)異，因此對于鋪裝層結構整體的抗車轍性能而言，具有很大的提升作用.

3）鋪裝層上下面層之間的層間剪應力隨著下面層模量的增長而呈顯著增大趨勢.因此在鋪裝層下面層應用較高模量材料的情況下，必須對層間粘結層性能提出更高的要求，確保鋪裝層的正常使用.

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