中小跨徑梁橋?yàn)r青混凝土鋪裝層最小厚度研究

王亞玲，王彥志，郝凱榮，蔣興法

（1.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.赤承高速公路建設(shè)項(xiàng)目管理辦公室，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；3.內(nèi)蒙古交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

橋面鋪裝是橋梁行車道系的重要組成部分，它的質(zhì)量好壞和使用耐久性直接影響到行車的安全性、舒適性、耐久性和投資效益。針對內(nèi)蒙古地區(qū)嚴(yán)寒多變的氣候特征，建立適宜溫度場導(dǎo)入的有限元實(shí)體模型，通過計(jì)算與分析鋪裝體系參數(shù)，即鋪裝層模量和厚度變化對鋪裝層受力的影響，以及防水粘結(jié)層模量和厚度的變化對鋪裝層受力的影響，確定瀝青混凝土橋面鋪裝層的層間工作狀態(tài)，提出中小跨徑梁橋?yàn)r青混凝土鋪裝層最小厚度，為實(shí)體工程提供理論依據(jù)。

1 有限元模型的建立

1.1 模型選擇

由于水泥混凝土橋面板的剛度巨大，可對瀝青鋪裝層形成強(qiáng)有力的支撐面，因此車輛荷載作用位置以及橋梁結(jié)構(gòu)形式的變化，對鋪裝層內(nèi)部的應(yīng)力影響很小。也就是說，這兩者所造成的差異基本可以忽略，中小跨徑水泥混凝土橋梁瀝青鋪裝層完全可以視為鋪筑于剛性支撐之上[1]。因此，計(jì)算分析采用基于實(shí)際中小跨徑梁橋的統(tǒng)一的空間實(shí)體模型，對于鋪裝層采用20節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元SOLID95模擬；橋梁上部結(jié)構(gòu)采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID45模擬（見圖1）。邊界條件為：底面上沒有z方向位移，左右兩面沒有x方向位移，前后兩側(cè)沒有y方向的位移。層間連續(xù)接觸時(shí)采用耦合處理（上下對應(yīng)節(jié)點(diǎn)位移一致）。

1.2 基本參數(shù)

圖1 有限元計(jì)算模型

根據(jù)依托工程的實(shí)際情況及《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）[2]車輛荷載采用標(biāo)準(zhǔn)車型BZZ—100，軸重100kN，輪壓為0.7MPa，雙輪間距28.9cm。按面積等效的原則將雙輪荷載轉(zhuǎn)換為18.9cm×18.9cm的正方形，接觸面積為357.21cm2，保持兩輪中心間距1.8m不變，荷載分布在跨中的最不利位置。摩擦系數(shù)f取0.5[3]。

表1 材料基本參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)尺寸及荷載基本參數(shù)

1.3 溫度場的計(jì)算

內(nèi)蒙古地區(qū)屬半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，極端最高氣溫為42.5℃，月平均最高氣溫為31.8℃，極端最低氣溫為－31.4℃，月平均最低氣溫為－20.9℃。全年氣溫差距較大，溫度對橋面鋪裝層有著不可忽略的影響。因此需要將溫度對鋪裝結(jié)構(gòu)層的影響加入到結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算中。

將項(xiàng)目所在地區(qū)的溫度狀況編輯成函數(shù)導(dǎo)入至原計(jì)算模型中[4]，計(jì)算模型在5年內(nèi)的溫度變化狀況，直至溫度場達(dá)到穩(wěn)定，提取穩(wěn)定的溫度場導(dǎo)入原結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算[5]（如圖2所示）。

圖2 溫度場計(jì)算模型

2 瀝青混凝土鋪裝層厚度對鋪裝層層間受力的影響

在分析鋪裝層厚度對層間應(yīng)力影響時(shí)，分別按鋪裝上層和鋪裝下層厚度各自獨(dú)立變化進(jìn)行。其中，在進(jìn)行鋪裝上層變化影響分析時(shí)，固定鋪裝下層厚度為5cm，鋪裝上層的變化范圍取2～7cm；同理，在進(jìn)行鋪裝下層變化影響分析時(shí)，固定鋪裝上層厚度為4cm，鋪裝下層的變化范圍取3～8cm。

2.1 瀝青混凝土鋪裝層上面層厚度對鋪裝層受力的影響

鋪裝層上面層不同厚度的法向拉拔力、層間最大剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果變化曲線如圖3～圖4所示。

圖3 拉拔力隨上面層厚度變化圖

圖4 剪應(yīng)力隨上面層厚度變化圖

由圖3和圖4可知，鋪裝層各層間拉拔力、剪應(yīng)力隨著上面層厚度的增加均有明顯的下降趨勢，2～4cm下降過程更為明顯，適當(dāng)增加上面層厚度對改善鋪裝層的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)有良好的作用。

2.2 瀝青混凝土鋪裝層下面層厚度對鋪裝層受力的影響

鋪裝層上面層不同厚度的層間最大剪應(yīng)力、法向拉拔力計(jì)算結(jié)果變化曲線如圖5～圖6所示。

圖5 拉拔力隨下面層厚度變化圖

圖6 剪應(yīng)力隨下面層厚度變化圖

由圖5和圖6可知，鋪裝層各層間拉拔力、剪應(yīng)力隨著下面層厚度的增加均有明顯的下降趨勢，3～6cm下降過程更為明顯，適當(dāng)增加下面層厚度對改善鋪裝層的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)有積極的作用。

2.3 瀝青混凝土鋪裝層最佳厚度比的確定

由上述結(jié)論可知，隨著鋪裝層厚度的增加，鋪裝層的結(jié)構(gòu)受力狀況可以得到改善，但由于經(jīng)濟(jì)、施工等多方面的原因不可無限制地增加鋪裝層的厚度來改善橋梁鋪裝層的受力狀況。因此，現(xiàn)取7種瀝青混凝土鋪裝層上、下面層不同的厚度比來確定瀝青混凝土鋪裝層上下面層的最佳厚度比。厚度比如表3所示，計(jì)算結(jié)果變化曲線如圖7～圖8所示。

表3 瀝青混凝土鋪裝層上、下面層厚度比

圖7 不同厚度比時(shí)拉拔應(yīng)力比較圖

圖8 不同厚度比時(shí)剪應(yīng)力比較圖

由圖7和圖8可以看出厚度比代號(hào)1～7所對應(yīng)的鋪裝層各層間的拉拔應(yīng)力和剪應(yīng)力都大致呈先減小后增大的趨勢，其中代號(hào)3、4、5所對應(yīng)的鋪裝層各層間應(yīng)力均有較小值。這表明：當(dāng)厚度比對應(yīng)代號(hào)為3、4、5，即鋪裝上、下層厚度比分別取4／6、5／5、4／5時(shí)，鋪裝層的各項(xiàng)控制指標(biāo)可取得較小值，使鋪裝層結(jié)構(gòu)具有良好的受力狀態(tài)。

綜合以上分析，兼顧到鋪裝各層的受力特性、應(yīng)力分布規(guī)律，為了能獲得較好的結(jié)構(gòu)性能，又能達(dá)到減輕橋梁自重的目的，確定瀝青混凝土鋪裝層上、下面層合理的厚度比可取4／5，即瀝青混凝土鋪裝層合理的最小厚度宜為9cm。

3 瀝青混凝土鋪裝層模量對鋪裝層受力的影響

為分析鋪裝層模量對層間受力的影響，分別按鋪裝上層和鋪裝下層模量各自獨(dú)立變化進(jìn)行。其中，在進(jìn)行鋪裝上層模量變化影響分析時(shí)，固定鋪裝下層模量為1600MPa，鋪裝上層的模量分別取1200MPa，1400MPa，1600MPa，1800MPa，2000MPa；同理，在進(jìn)行鋪裝下層模量變化影響分析時(shí)，固定鋪裝上層模量為1600MPa，鋪裝下層的模量分別取1200MPa，1400MPa，1600MPa，1800MPa，2000MPa。

3.1 鋪裝層上面層模量對鋪裝層受力的影響

瀝青鋪裝層上面層厚度取為4cm，下面層為5cm，其他條件如前。有限元理論計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 拉拔力隨上面層模量變化圖

圖10 剪應(yīng)力隨上面層模量變化圖

由圖9～圖10可以看出，鋪裝層各層間拉拔力隨著上面層模量的增加呈現(xiàn)輕微的增長趨勢，增長幅度均不超過7%。上、下面層層間剪應(yīng)力τxyC、τyzC隨著上面層模量的增加呈增長趨勢，增長幅度為8.8%，7.9%；而τxyU、τyzU以及τxyD、τyzD隨著上面層模量的增加呈減小趨勢，減小幅度為均不超過4%，變化幅度不是特別明顯。

3.2 鋪裝層下面層模量對鋪裝層受力的影響

同樣瀝青鋪裝層上面層厚度取為4cm，下面層為5cm，其他的條件如前。有限元理論分析計(jì)算結(jié)果見圖11～圖12。

圖11 拉拔力隨下面層模量變化圖

圖12 剪應(yīng)力隨下面層模量變化圖

3.3 瀝青混凝土鋪裝層最佳模量組合的確定

由上述結(jié)論可知，瀝青混凝土鋪裝層的模量變化對鋪裝層各層間拉拔力影響不大，但是對層間剪應(yīng)力的影響有些是不可忽略的，通過考慮各層間的受力平衡可將瀝青混凝土鋪裝層上、下面層的模量取值范圍進(jìn)一步縮小1400 ～1800MPa，可得到9種瀝青混凝土鋪裝層上、下面層的模量比如表4所示，計(jì)算結(jié)果變化曲線如圖13～圖14所示。

表4 瀝青混凝土鋪裝層上、下面層模量比

圖13 不同模量比時(shí)的拉拔應(yīng)力

圖14 不同模量比時(shí)剪應(yīng)力比較

由圖13和圖14可以看出，模量比代號(hào)1～9所對應(yīng)的鋪裝層各層間的拉拔應(yīng)力大致呈一種先增大后減小的趨勢，而模量比代號(hào)1～9對應(yīng)的鋪裝層各層間的剪應(yīng)力則呈現(xiàn)一種先減小后增大的趨勢，綜合考慮到拉拔應(yīng)力和剪應(yīng)力的影響規(guī)律可知其中代號(hào)3、4、7所對應(yīng)的鋪裝層各層間應(yīng)力均為較小值。這表明，當(dāng)模量比對應(yīng)代號(hào)為3、4、7，即鋪裝上、下層模量比分別取1400／1800、1600／1800、1600／1600時(shí)，鋪裝層的各項(xiàng)控制指標(biāo)取得較小值，鋪裝層結(jié)構(gòu)具有良好的受力狀態(tài)。

4 防水粘結(jié)層參數(shù)對層間應(yīng)力的影響

水的滲入是導(dǎo)致混凝土橋梁結(jié)構(gòu)破壞的最直接和最主要的原因之一。對于橋面鋪裝層間結(jié)構(gòu)，層間除了設(shè)計(jì)完善的排水體系外，也要重視防水層的作用。此外，現(xiàn)在混凝土橋梁建設(shè)時(shí)為方便施工，一般將防水層和粘結(jié)層相結(jié)合，防水層兼有粘結(jié)作用，使橋面板和瀝青混凝土協(xié)同工作。因此，層間防水粘結(jié)層對橋面板和鋪裝層間加鋪柔性防水層能有效阻擋水分進(jìn)入橋梁主體，同時(shí)還起著粘結(jié)上下層的作用，所以防水層在整個(gè)橋面系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用[6]。

4.1 防水粘結(jié)層厚度變化對鋪裝結(jié)構(gòu)層間應(yīng)力的影響

選取防水粘結(jié)層厚度分別為3～7mm進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果見圖15～圖16。

圖15 層間拉拔應(yīng)力隨防水層厚度變化圖

圖16 層間剪應(yīng)力隨防水層厚度變化圖

4.2 防水粘結(jié)層模量變化對鋪裝結(jié)構(gòu)層間應(yīng)力的影響

選取防水粘結(jié)層模量分別為50MPa，100MPa，150MPa，200MPa，250MPa進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖17～圖18所示。

圖17 層間拉拔應(yīng)力隨防水層模量變化圖

圖18 層間剪應(yīng)力隨防水層模量變化圖

由圖17～圖18可知，鋪裝層各層間的拉拔力隨防水層模量的增加變化幅度不大，均不超過10%。上、下面層剪應(yīng)力τxyC、τyzC隨著防水粘結(jié)層模量的增加呈減小趨勢，減小幅度為31.1%、32.2%；而τxyU、τyzU以及τxyD、τyzD則呈明顯增大趨勢，增長幅度均大于50%，變化非常的明顯。因此在選擇防水粘結(jié)層模量時(shí)需要慎重的選擇，根據(jù)防水粘結(jié)層模量對鋪裝層層間應(yīng)力的影響規(guī)律防水粘結(jié)層的模量可取100～200MPa。

5 結(jié)論

5.1 運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對橋面鋪裝層厚度變化的應(yīng)力計(jì)算，以及最佳厚度比的計(jì)算分析可得上、下層厚度比取4／6、5／5、4／5時(shí)，鋪裝層結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)較好。為了能獲得較好的結(jié)構(gòu)性能，又能達(dá)到減輕橋梁自重的目的及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定瀝青混凝土鋪裝層上、下面層的厚度比為4／5，瀝青混凝土鋪裝層合理最小厚度為9cm。

5.2 通過瀝青混凝土鋪裝層模量對鋪裝層層間受力的計(jì)算分析以及最佳模量比的確定，可得模量比對應(yīng)代號(hào)為3、4、5即鋪裝上下層模量比分別取1400／1800、1600／1800、1600／1600時(shí)，鋪裝層的各項(xiàng)控制指標(biāo)取得較小值，鋪裝層結(jié)構(gòu)具有良好的受力狀態(tài)。

5.3 通過對防水粘結(jié)層參數(shù)對層間應(yīng)力的計(jì)算分析，可得防水粘結(jié)層厚度對鋪裝層層間應(yīng)力的影響規(guī)律從而確定防水粘結(jié)層的厚度可取5mm。以及防水粘結(jié)層厚度對鋪裝層層間應(yīng)力的影響規(guī)律可得防水粘結(jié)層的模量取100～200MPa。

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[3]張占軍，胡長順.水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究[J].中國公路學(xué)報(bào)，2001，（1）：56-59.

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