水泥混凝土橋橋面鋪裝層受力特性分析

亞坤江·吐拉買(mǎi)提

(新疆西域公路工程有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

調(diào)查表明，很多橋梁在建成使用后不久即出現(xiàn)各種各樣的損壞，其中橋面鋪裝層的破損尤為嚴(yán)重，橋面鋪裝層的破損不僅影響了橋梁的使用性能，而且影響了行車(chē)的安全性和舒適性［1］。與普通路面相比，橋面鋪裝的受力特點(diǎn)和受力條件有較大的區(qū)別，受力情況更加復(fù)雜。加之我國(guó)重載超載現(xiàn)象的普遍性，造成橋梁實(shí)際負(fù)載量增大，長(zhǎng)期的超規(guī)范汽車(chē)動(dòng)荷載作用急劇加大結(jié)構(gòu)損傷狀況，影響結(jié)構(gòu)完整性和承載力，造成橋梁使用性能降低進(jìn)而增大橋梁的動(dòng)力沖擊系數(shù)，長(zhǎng)期超載必然引起橋梁疲勞破壞或者嚴(yán)重降低橋梁的使用年限，同時(shí)給橋梁的安全性造成了重大的威脅［2］。為了能夠有效地進(jìn)行橋面鋪裝設(shè)計(jì)和施工，必須研究橋面鋪裝層的受力狀態(tài)［3－5］。通過(guò)建立三維有限元模型中假定橋梁的梁體和鋪裝層都處于無(wú)裂縫工作狀態(tài)且在進(jìn)行層間接觸分析時(shí)接觸層間摩擦滑動(dòng)。在計(jì)算的過(guò)程中，首先建立長(zhǎng)度為3 m，寬度為路面結(jié)構(gòu)層的厚度，對(duì)橫截面進(jìn)行較細(xì)的密度劃分，然后對(duì)劃分完的橫截面單元采用SOLID45 實(shí)體單元將橫截面延伸成體，形成路面三維結(jié)構(gòu)，單元采用六面體八節(jié)點(diǎn)等參單元，從而運(yùn)用ANSYS 三維有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。

因此，本文通過(guò)三維有限元的計(jì)算，從水泥混凝土的鋪裝層厚度、混凝土的彈性模量和行車(chē)荷載等三個(gè)方面考慮，計(jì)算分析水泥混凝土橋混凝土鋪裝層的最大剪應(yīng)力。

1 鋪裝層厚度和模量

橋面鋪裝層本身的幾何參數(shù)和物理參數(shù)不同，鋪裝層的受力狀態(tài)不同。ANSYS 以其強(qiáng)大的功能和操作的方便性，近年來(lái)已被越來(lái)越多地應(yīng)用于計(jì)算橋面鋪裝?，F(xiàn)采用ANSYS 分別計(jì)算鋪裝層厚度和彈性模量對(duì)鋪裝層受力的影響。

1.1 鋪裝層厚度對(duì)鋪裝層受力的影響

分別計(jì)算鋪裝層厚度為4、6、8、12 和16 cm時(shí)鋪裝層的受力，計(jì)算可得第一主應(yīng)力σ1、橫向正應(yīng)力σx和縱向正應(yīng)力σz、水泥混凝土鋪裝層與防水粘結(jié)層間橫橋向剪應(yīng)力τxy、水泥混凝土鋪裝層與防水粘結(jié)層間縱橋向剪應(yīng)力τyz的受力情況如表1，其中水泥混凝土層應(yīng)力隨厚度的變化如圖1。

表1 水泥混凝土橋面板層應(yīng)力隨厚度變化的值

由圖1可知，隨著鋪裝層后的的增大，水泥混凝土鋪裝層內(nèi)的第一主應(yīng)力、橫向正應(yīng)力和縱向正應(yīng)力都逐漸減小，但橫向正應(yīng)力和縱向正應(yīng)力的減小趨勢(shì)小于第一主應(yīng)力的減小趨勢(shì)，表明增大鋪裝厚度對(duì)減小水泥混凝土面板內(nèi)的主應(yīng)力有利，但對(duì)正應(yīng)力的影響不顯著。增大鋪裝厚度，使水泥混凝土鋪裝層內(nèi)的橫向剪應(yīng)力和縱向剪應(yīng)力都出現(xiàn)不同程度的降低，其中縱向剪應(yīng)力的降低幅度大于橫向剪應(yīng)力的降低幅度，表明增大混凝土鋪裝層厚度對(duì)降低橫向剪應(yīng)力效果不明顯。

1.2 鋪裝層模量對(duì)鋪裝層受力的影響

控制其他條件不變，計(jì)算不同鋪裝層模量時(shí)水泥混凝土鋪裝層的正應(yīng)力及層間剪應(yīng)力，研究鋪裝層模量對(duì)鋪裝層受力狀態(tài)的影響，結(jié)果見(jiàn)表2和圖2。

表2 水泥層應(yīng)力隨模量變化的值 MPa

從表2和圖2可知，隨著模量的增大，水泥層各應(yīng)力的值基本上沒(méi)有什么變化。這是因?yàn)?，水泥混凝土是典型的剛性材料，瀝青混凝土是典型的黏彈塑性材料，與瀝青混合料相比，水泥混凝土有很大的模量，因此改變鋪裝層的模量對(duì)水泥混凝土鋪裝層的受力影響較小。

2 荷載對(duì)鋪裝層受力的影響

2.1 超載對(duì)鋪裝層受力的影響

假設(shè)荷載面積一定，在相同模量下計(jì)算不同超載比例時(shí)鋪裝層的受力狀態(tài)，其中超載比例是通過(guò)改變豎直壓力來(lái)模擬的，計(jì)算時(shí)取水平力系數(shù)為f=0.5。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3和圖3。

表3 水泥層應(yīng)力隨超載變化的值

圖3 水泥層應(yīng)力隨超載變化圖

從表3和圖3可知，水泥層各應(yīng)力隨著超載比例的增大有一定的增加，σ1增加最為明顯，與其他各應(yīng)力相比，τxy的增加幅度較小。

2.2 水平作用對(duì)鋪裝層受力的影響

鋪裝層的受力不僅與豎直荷載有關(guān)，而且也受水平荷載的影響，水平荷載與汽車(chē)的行駛速度、汽車(chē)輪胎的紋理樣式和橋面的粗糙程度等因素有關(guān)。水平荷載是用豎直荷載乘以一個(gè)摩阻系數(shù)f 來(lái)表示的，間接通過(guò)f 對(duì)鋪裝層受力的影響來(lái)研究水平荷載對(duì)受力的影響，結(jié)果如表4和圖4。

表4 水平力對(duì)水泥混凝土層應(yīng)力的影響表

圖4 水泥混凝土鋪裝層應(yīng)力隨水平荷載的變化圖

由表4以及圖4分析可得:增大摩阻系數(shù)f 對(duì)鋪裝層內(nèi)各應(yīng)力的影響不大，由此表明水平荷載對(duì)水泥混凝土鋪裝層的影響不顯著。

3 結(jié)束語(yǔ)

1)隨著水泥混凝土鋪裝層厚度的增大，水泥混凝土鋪裝層內(nèi)的第一主應(yīng)力、橫向正應(yīng)力和縱向正應(yīng)力都出現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，其中第一主應(yīng)力的減小幅度大于橫向正應(yīng)力和縱向正應(yīng)力?？梢?jiàn)，增大水泥混凝土鋪裝層的厚度對(duì)橋面板內(nèi)的第一主應(yīng)力有利，對(duì)水泥混凝土鋪裝層內(nèi)的正應(yīng)力影響較小。

2)隨著車(chē)輛超載比例的增大，鋪裝層內(nèi)各應(yīng)力大幅增大，可能造成水泥混凝土所受的拉應(yīng)力過(guò)大而造成鋪裝層的破壞。

3)增大摩阻系數(shù)f，鋪裝層內(nèi)各應(yīng)力幾乎沒(méi)有改變，水平荷載對(duì)水泥混凝土鋪裝層的影響不大。

［1］于 穎.水凝混凝土橋面鋪裝受力機(jī)理分析［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2008.

［2］張占軍，曹東偉，胡長(zhǎng)順.水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層厚度的研究［J］.西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，20:18 －22.

［3］張占軍.水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2000.

［4］溫靖赟.混凝土橋面鋪裝試驗(yàn)研究與破壞分析［D］.天津:河北工業(yè)大學(xué)，2003.

［5］徐永麗，程培峰，孫志明.水泥混凝土橋面鋪裝層最不利荷載位置的確定［J］.森林工程，2013，29(2):93 －95.