環(huán)氧瀝青混凝土橋面鋪裝力學(xué)接觸分析

趙海濤，栗振鋒，曾焯懌

(太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院，太原 030024)

橋面鋪裝作為橋梁的重要組成部分，是橋梁上部結(jié)構(gòu)中與車輛輪載直接接觸的結(jié)構(gòu)層，它不起到承重作用，能夠有效地分散荷載、降低沖擊，使行車平順、穩(wěn)定、舒適等作用。橋面鋪裝病害通常發(fā)生較早，與橋梁的其他結(jié)構(gòu)損壞不一致，這嚴重的影響的橋梁的使用壽命。國內(nèi)外學(xué)者一直在為橋面鋪裝的材料改進、性能評價作出研究。

環(huán)氧瀝青混凝土是基質(zhì)瀝青、固化劑、環(huán)氧樹脂經(jīng)過固化反應(yīng)形成的熱固性瀝青混凝土材料。環(huán)氧瀝青混凝土作為橋面鋪裝的三大材料之一(SMA、澆筑式瀝青砼、環(huán)氧瀝青砼)，因其耐高溫、韌性好、抗疲勞等特性，在美國、加拿大等國家得到廣泛應(yīng)用[1]。我國自東南大學(xué)黃衛(wèi)[2]教授的團隊對其進行研究，并應(yīng)用于長江二橋以來，在國內(nèi)的橋梁鋪裝中，逐漸成為橋面鋪裝的主要材料，潤揚長江大橋、南京長江三橋、太原市天龍山旅游公路橋等均采用環(huán)氧瀝青混凝土鋪筑，尤其在鋼橋面鋪裝中。

本文以環(huán)氧瀝青混凝土同質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在二維狀態(tài)下，利用有限元軟件ABAQUS建立模型，對5%縱坡及平坡狀態(tài)下做接觸分析。提出環(huán)氧瀝青砼橋面鋪裝的在5%縱坡和平坡狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變及最不利位置處的位移的區(qū)別。

1 有限元模型的建立

1.1 基本假設(shè)

(1)橋面板、粘結(jié)層以及鋪裝結(jié)構(gòu)層工況良好，均無病害產(chǎn)生；

(2)鋪裝上、下面層材料，防水粘結(jié)層材料等均符合線彈性假定；

(3)鋪裝結(jié)構(gòu)層、防水粘結(jié)層以及橋面板均假設(shè)成一個完整的體系，即保證其能夠共同承受來自鋪裝表層車輪荷載的作用；

(4)各鋪裝結(jié)構(gòu)層間屬于完全連續(xù)接觸；

(5)車輪荷載由于并非本文研究重點，所以采用無彈性和塑性變形的模擬數(shù)據(jù)[3-4]。

1.2 模型簡化

本文對橋面鋪裝的研究選取二維空間，采用雙層環(huán)氧瀝青混凝土的上下面層結(jié)構(gòu)，進行局部接觸分析，橋面鋪裝層間的接觸條件良好，主要分析5%縱坡狀態(tài)下的橋面鋪裝應(yīng)力應(yīng)變及位移。

因此，將模型進行簡化[5]，由于車輪接觸后的受力狀況并非本文所研究重點，所以將車輪模型簡化為剛性物體，無彈性且不產(chǎn)生塑性變形。建立如下結(jié)構(gòu)：

圖2 鋪裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 裝配模型示意圖

1.3 材料及荷載參數(shù)

目前公路路面設(shè)計標準中以軸重100 kN的雙輪組作為標準荷載，即BZZ-100.車輪直徑為70 mm，單輪上的荷載為25 kN，胎壓穩(wěn)定在0.7 MPa.

表1 材料參數(shù)

1.4 單元及網(wǎng)格劃分

模型建立過程中，鋪裝結(jié)構(gòu)及橋面板為了能夠充分的體現(xiàn)鋪裝結(jié)構(gòu)層間的應(yīng)力應(yīng)變，選取細化的線性減縮單元CPS4R.減縮單元比普通的完全積分單元在每個方向少一個積分點，它具有更精確的位移求解，網(wǎng)格存在扭曲變形時，精度影響較小。網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分示意圖

1.5 邊界條件及接觸設(shè)置

橋面鋪裝層間接觸為了確保相互之間的隨從性，對橋面板底部進行固結(jié)，保證結(jié)構(gòu)體系不產(chǎn)生橫向位移。層間利用ABAQUS軟件中Tie進行約束，結(jié)構(gòu)層間的相鄰兩個面之間牢固地粘結(jié)在一起，提高了結(jié)構(gòu)層間的應(yīng)力應(yīng)變的準確性。

1.6 受力情況

圖5 縱坡、平坡狀態(tài)下Mises應(yīng)力云紋圖

2 計算結(jié)果及受力情況分析

2.1 應(yīng)力分析

表2為在平坡和縱坡5%狀態(tài)下的應(yīng)力值。

表2 不同坡度狀態(tài)下最大/小應(yīng)力

從表中數(shù)據(jù)可知，環(huán)氧瀝青混凝土橋面鋪裝在與車輪荷載接觸分析中，在水平和垂直方向上鋪裝結(jié)構(gòu)受到的拉應(yīng)力基本與平坡狀態(tài)下一致。壓應(yīng)力則明顯的大于平坡狀態(tài)下。平坡狀態(tài)下，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)最大剪力與最小垂直剪力一致，均位于鋪裝層的上面層中?？v坡狀態(tài)下，最大剪力位于最大應(yīng)力下，最小剪力位于接觸點下，且均位于鋪裝層的上面層，兩者的數(shù)值差基本一致。

2.2 位移分析

從選取最大應(yīng)力點處位移進行分析比較，位移如圖6、圖7所示。

圖6 5%縱坡狀態(tài)下應(yīng)力最大處位移

圖7 平坡狀態(tài)下應(yīng)力最大處位移

在荷載最不利狀態(tài)點的位移，由于環(huán)氧瀝青混凝土的模量大，剛度大，強度高，在單個車輪荷載的作用下，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生位移，鋪裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強，接觸作用下，抵抗荷載破壞的能力強。

3 結(jié)語

通過對不同坡度狀態(tài)下環(huán)氧瀝青混凝土橋面鋪裝荷載接觸分析，可以看出：

(1)車輪荷載下，環(huán)氧瀝青橋面鋪裝結(jié)構(gòu)與車輪接觸過程中，應(yīng)力應(yīng)變主要集中在上面層中；

(2)在5%的縱坡狀態(tài)下，鋪裝層所承受的應(yīng)力應(yīng)變大于在平坡狀態(tài)下的荷載接觸。

(3)粘結(jié)層處受到最大剪力，所以對粘結(jié)層的材料進行選擇時，應(yīng)確保其承受能力。