瀝青填入式伸縮縫鋪裝界面的力學行為特性*

肖敏敏

(1.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室， 上海 201804； 2.上海應用技術大學 上海 201418)

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瀝青填入式伸縮縫鋪裝界面的力學行為特性*

肖敏敏1,2

(1.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室， 上海 201804； 2.上海應用技術大學 上海 201418)

瀝青填入式伸縮縫鋪裝中，界面是整個伸縮縫結構的最薄弱環(huán)節(jié).鑒于此，文中選取公路-Ⅰ級荷載的最大軸重140kN作為計算荷載，在確定伸縮縫各組成部分材料參數(shù)的基礎上，建立了瀝青填入式伸縮縫鋪裝ANSYS有限元模型.通過計算4種不同荷位下的界面指標，并提取界面控制指標，進而分析伸縮縫材料模量、界面摩擦系數(shù)、界面高度差、水平力、輪胎接觸壓力等對界面控制指標的影響.結果表明：界面控制指標為界面拉應力、界面剪應力、界面豎向位移；水平力、輪胎接觸壓力對界面拉應力及界面剪應力的影響較大，模量比、水平力、輪胎接觸壓力對界面豎向位移的影響較大；選擇模量較大的伸縮縫混合料、界面進行粗糙化處理、采用較小的界面高度差、防止車輛在伸縮縫上緊急啟動或剎車、防止車輛超載等措施有利于緩解界面損害.

道路工程；瀝青填入式伸縮縫；界面控制指標；受力；變形

瀝青填入式伸縮縫是近年發(fā)展起來的一種橋梁伸縮裝置，其基本做法是將梁板接縫上面一窄條范圍的橋面鋪裝層替換為一種特殊的改性瀝青混合料，依靠混合料的彈塑性適應橋梁的位移和變形[1].該伸縮縫以施工快捷、平整度好、防水性能好等優(yōu)點被廣泛運用于中小跨徑橋梁上.

從國內外的瀝青填入式伸縮縫使用性能調研結果可知，伸縮縫結構出現(xiàn)了一系列損壞現(xiàn)象[2- 3]，其中“界面裂縫”位列各病害之首.其指的是伸縮縫鋪裝與橋面鋪裝的界面發(fā)生脫開的現(xiàn)象.界面是整個伸縮縫結構的最薄弱環(huán)節(jié)，然而，迄今為止國內外關于瀝青填入式伸縮縫的界面研究尚屬空白.

有鑒于此，文中在建立瀝青填入式伸縮縫有限元模型的基礎上，通過研究界面在荷載作用下的力學行為，提取界面關鍵控制指標，并總結界面關鍵控制指標在不同影響因素下的變化特性，為該伸縮縫的材料及結構尺寸等的選擇提供有益參考，減緩甚至避免界面裂縫的發(fā)生，具有較強的創(chuàng)新及應用價值.

1　有限元分析荷載及計算參數(shù)

1.1荷載

根據(jù)城市橋梁設計規(guī)范(CJJ11—2011)[4]，公路橋梁設計荷載采用公路-I級、公路-Ⅱ級.文中采用公路-I級荷載的最大軸重140kN作為計算荷載，其接地面積為兩個0.2m×0.6m矩形荷載，因此其輪胎接觸壓力為

(1)

其中，G為最大軸重，A為輪胎接地面積.

此外，還需考慮伸縮縫界面在超重軸載作用下的受力情況，輪胎接觸壓力分別取值0.58MPa(公路-I級荷載)、0.70MPa(超重21.7%)、0.80MPa(超重37.9%).

車輛荷載的加速或減速作用引起水平力.文中采用水平力系數(shù)表征水平力，水平力=車輛荷載×水平力系數(shù)，水平力系數(shù)的取值情況如下[5]：車輛荷載靜止時為0.00，勻速行駛時為0.10，緩慢制動時為0.25，緊急加速或剎車時為0.50.

1.2參數(shù)的計算

選擇伸縮縫所在橋梁跨徑為15m，伸縮縫鋪裝長3m、厚10cm、寬55cm.為了模擬伸縮縫鋪裝與橋面鋪裝的界面連接情況，設置界面摩擦系數(shù)，其取值情況如下[5]：界面光滑時為0.0，界面較粗糙時為0.2～0.5，界面粗糙時為0.8，界面完全固結時為1.0.

伸縮縫混合料的模量隨溫度的升高而降低[6]，在溫度為-20～30 ℃時取值范圍為50～1 000MPa.文中引入模量比的概念，即模量比=伸縮縫混合料模量/橋面鋪裝材料模量，在橋面鋪裝材料模量為1 000MPa的情況下，模量比分別為0.05、0.20、0.50、0.80、1.00

表1列出了瀝青填入式伸縮縫各組成材料的參數(shù)取值.

表1瀝青填入式伸縮縫各組成材料參數(shù)

Table1Materialparametersofthecomponentofasphaltplugexpansionjoint

組成部分材料模量/MPa泊松比梁板水泥混凝土300000.25橋面鋪裝普通瀝青混合料10000.35跨縫板鋼板2200000.20伸縮縫鋪裝伸縮縫混合料50～10000.40

2　有限元模型的建立

2.1幾何模型及邊界條件

選取單跨15m、兩跨簡支橋梁建立有限元全橋模型，整體模型及計算坐標系如圖1所示.圖1中上層為橋面鋪裝與瀝青填入式伸縮縫鋪裝，下層為混凝土橋面板；兩塊梁板之間的縫隙口設置跨縫板，伸縮縫鋪裝澆筑于跨縫板及梁板之上，且分別與兩橋面鋪裝毗鄰[7- 8].跨縫板與梁板、伸縮縫鋪裝的界面均設置固結.

圖1　橋梁結構模型(單位：m)

計算坐標系的規(guī)定如下：將伸縮縫鋪裝表面橫橋向邊緣的中點處作為坐標原點，X軸方向為車輛前進方向(縱橋向)，Y軸方向為鋪裝的深度方向，Z軸方向為伸縮縫鋪裝的寬度方向(橫橋向).

圖1模型的邊界條件為：橋跨兩端底部簡支，端部節(jié)點施加X、Z方向約束.

伸縮縫鋪裝細部模型如圖2所示.

圖2　伸縮縫鋪裝模型(單位：m)

2.2計算假設

建立瀝青填入式伸縮縫結構有限元模型的基本假設如下[9- 12]：

(1)伸縮縫鋪裝與普通橋面鋪裝的界面設置接觸單元，所有的鋪裝與梁板層間接觸條件為完全連續(xù)；

(2)所有材料均為線彈性，為連續(xù)的、均勻的、各向同性的；

(3)不計伸縮縫結構各組成部分的自重，不計橋梁自重，忽略橋面負彎矩和橋梁震動對計算的影響.

2.3單元類型及計算網(wǎng)格尺寸

橋面鋪裝、伸縮縫鋪裝、跨縫板、橋梁梁板均采用ANSYS三維八節(jié)點實體單元Solid45模擬，伸縮縫鋪裝與橋面鋪裝的界面用接觸單元Conta173與Targe170模擬.手動控制網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分時采用六面體單元，具體網(wǎng)格劃分情況如下.

(1)伸縮縫鋪裝：X方向單元長度為5cm，Y方向為1cm，Z方向為10cm；

(2)橋面鋪裝：X方向靠近伸縮縫鋪裝1m范圍內單元長度為5cm，1m范圍外為100cm，Y方向為1cm，Z方向為10cm；

(3)跨縫板：X方向單元長度為5cm，Y方向為1cm，Z方向為10cm；

(4)梁板：X方向靠近梁板間的縫口1.25m范圍內單元長度為5cm，1.25m范圍外為100cm，Y方向為10cm，Z方向為10cm.

網(wǎng)格化后的有限元模型如圖3所示.

圖3　網(wǎng)格化模型

3　界面控制指標的確定

考察公路-I級最大軸重140kN作用在4個不同位置時的受力情況，如圖4所示，即①單軸作用在橋面鋪裝一側且輪跡邊緣位于相交線上(荷位1)；②單軸作用在橫跨橋面鋪裝和伸縮縫鋪裝的相交線上(荷位2)；③單軸作用在伸縮縫鋪裝一側且輪跡邊緣位于相交線上(荷位3)；④單軸作用在伸縮縫鋪裝上(荷位4).

分別計算4種荷位下的界面控制指標，結果如表2所示.

由表2可得：荷位2作用下的拉應力與荷位3作用下的剪應力較大，荷位2作用下的界面豎向位移較大，故選擇界面拉應、界面剪應力、界面豎向位移作為界面的控制指標[13- 15].

4　界面受力及變形分析

分析荷位2作用下界面拉應力沿伸縮縫鋪裝厚度方向(Y方向)及長度方向(Z方向)的變化規(guī)律、荷位3作用下界面剪應力沿伸縮縫鋪裝厚度方向(Y方向)及長度方向(Z方向)的變化規(guī)律，及荷位2作用下界面豎向位移沿伸縮縫鋪裝長度方向(Z方向)的變化規(guī)律，結果如圖5所示，具體分析如下.

圖4　布載荷位

(1)在荷位2作用下，界面表面(y=0cm)沿伸縮縫橫橋向(Z方向)以拉應力為主，拉應力最大值出現(xiàn)在雙輪作用外側；界面表面以下深度范圍內主要表現(xiàn)為壓應力狀態(tài)：隨著鋪裝厚度的增加(y=2～8cm)，在界面上，雙輪作用兩側仍表現(xiàn)為拉應力，界面沿橫橋向其余部位均為壓應力，呈遞減趨勢；在界面底面(y=0cm)，雙輪作用兩側為拉應力，界面沿橫橋向其余部位均為壓應力，拉應力及壓應力值均有所增大；在荷載作用范圍內，界面拉應力沿著伸縮縫鋪裝深度方向呈正負值跳躍現(xiàn)象，這是由于界面應力(X方向)隨著深度的不斷增加，界面拉伸作用逐漸減弱，由拉應力轉換為壓應力.

表2　不同荷位下的界面控制指標最大值1)

圖5　界面控制指標變化曲線

(2)在荷位3作用下，雙輪作用范圍內的界面剪應力值大于橫橋向其他界面剪應力值，因此重點關注雙輪作用范圍內的界面剪應力值：界面深度y在0～6cm之間時，雙輪作用范圍內的界面剪應力方向為垂直于鋪裝向下，其中界面深度y在0～2cm之間時，雙輪作用區(qū)域內的界面剪應力呈遞增趨勢；界面深度y=4cm時，界面剪應力值介于y=0cm與y=2cm時的界面剪應力值之間，這是由于界面深度4cm處以上的界面剪應力受荷載影響，而4cm處以下的界面剪應力受固結的橋梁梁板的影響，故深度4cm處的界面剪應力值略小于深度2cm處的應力值，方向為垂直于伸縮縫鋪裝向下；界面深度y=6cm時，界面剪應力值大于y在0～4cm之間時的剪應力值.界面深度y在8～10cm之間時，雙輪作用范圍內的界面剪應力方向為垂直于鋪裝向上，呈遞增趨勢，界面剪應力的最大值出現(xiàn)在界面底面、雙輪作用范圍內靠近邊緣處.在荷載作用范圍內，界面剪應力沿著伸縮縫鋪裝深度方向呈正負值跳躍現(xiàn)象，這是由于在界面深度0～6cm范圍內，界面剪應力方向為垂直于伸縮縫鋪裝向下，而在界面深度8～10cm范圍內，由于伸縮縫鋪裝固結于橋梁梁板上，故越接近梁板的地方，界面剪應力的方向便趨向垂直于伸縮縫鋪裝向上.

(3)在荷位2作用下，界面沿伸縮縫橫橋向(Z方向)的豎向位移分布形式是不同的，在雙輪作用范圍內，橫橋向的兩端豎向位移方向均為垂直于伸縮縫鋪裝向下，界面沿橫橋向的其他部位豎向位移方向為垂直于伸縮縫鋪裝向上.界面豎向位移的最大值出現(xiàn)在雙輪作用面的邊緣，方向垂直于伸縮縫鋪裝向下.

4.1伸縮縫混合料與橋面鋪裝材料模量比的影響

選擇輪胎接觸壓力為0.58MPa，水平力為零.伸縮縫鋪裝寬0.55m、厚0.10m、長3.00m；兩側橋面鋪裝均為寬15.00m、厚0.10m、長3.00m；下層兩側梁板均為寬15.25m、厚0.50m、長3.00m.界面摩擦系數(shù)為0.5.伸縮縫混合料模量分別取50、200、500、800、1 000MPa，即模量比分別取0.05、0.20、0.50、0.80、1.00，分析模量比變化對界面控制指標的影響，結果見圖6.由圖6可得：

(1)隨著模量比的增加，界面拉應力的變化較小，在模量比為0.50時達到最小值；界面剪應力呈線性增加的趨勢，模量比從0.05增至1.00時，界面剪應力增加5.56%.

(2)界面豎向位移極值隨著模量比的增加而減小，模量比在0.00～0.20范圍內時豎向位移急速減小，模量比在大于0.50之后豎向位移趨于平緩，不同模量比下的豎向位移均較小.

總體來看，伸縮縫與橋面鋪裝的模量比變化對界面控制應力的影響較小，但該模量比的增大會顯著降低界面的豎向變形.

4.2界面摩擦系數(shù)的影響

選擇輪胎接觸壓力為0.58MPa，水平力為零.伸縮縫結構尺寸見4.1節(jié)，伸縮縫混合料模量取200MPa，界面摩擦系數(shù)分別設置為0.0、0.2、0.5、0.8、1.0，計算界面摩擦系數(shù)變化對計算指標的影響情況，結果列于圖7中.

由圖7可得：界面摩擦系數(shù)從0.0增加到1.0時，界面應力及豎向位移均呈遞減趨勢，界面拉應力、界面剪應力、界面豎向位移分別減少了2.25%、2.42%、9.49%，說明界面越粗糙，越有利于緩解界面的拉伸及剪切作用，也越能有效降低界面的豎向變形.

4.3界面高度差的影響

由于瀝青填入式伸縮縫鋪裝與橋面鋪裝并非一次施工成型，二者存在一定的高度差，如圖8所示.

選擇輪胎接觸壓力為0.58MPa，水平力為零，伸縮縫結構尺寸見4.1節(jié)，伸縮縫混合料模量取200MPa，界面摩擦系數(shù)取0.5，設置界面高度差分別為0、1、3、5、10mm，圖9為不同界面高度差時界面控制指標的變化情況.

圖8　界面高度差示意圖

由圖9可得：隨著界面高度差的增加，界面拉應力及界面剪應力呈增加的趨勢，高度差從0mm增至10mm時，界面拉應力增加11.4%，界面剪應力增加3%；界面豎向位移則呈遞減趨勢，高度差從0mm增至10mm時，界面豎向位移減小6.67%，界面高度差越大，說明伸縮縫鋪裝材料的質量越大，其抵抗變形的能力就越強，界面豎向變形則越小.

總體來說，界面高度差對界面拉應力的影響較大，更容易引起界面的拉伸破壞.

4.4水平力的影響

選擇輪胎接觸壓力為0.58MPa，伸縮縫結構尺寸見4.1節(jié)，伸縮縫混合料模量取200MPa，界面摩擦系數(shù)取0.5，設置水平力系數(shù)分別為0.00、0.10、0.25、0.50，表3為不同水平力作用時界面控制指標的變化情況.

圖9界面控制指標隨界面高度差的變化曲線

Fig.9Changingcurvesofinterfacialcontrollingindexeswithinterfacialelevationdifferences

表3水平力系數(shù)對界面控制指標的影響

Table3Effectsofhorizontalforcecoefficientoninterfacialcontrollingindexes

水平力系數(shù)界面拉應力/MPa界面剪應力/MPa界面豎向位移/mm0.000.2190.1640.3900.100.2930.1910.4200.250.4980.2320.4660.500.8400.4450.542

由表3可得：界面控制指標均隨水平力系數(shù)的增加呈遞增趨勢，水平力系數(shù)為0.10時，界面拉應力較水平力系數(shù)為0.00時增加了33.79%，界面剪應力增加了16.46%，界面豎向位移增加了38.97%；水平力系數(shù)取0.25及以上數(shù)值時，應力增加幅度較大；當水平力系數(shù)取0.50時，應力較大，界面應力過大可能會導致荷載一次作用下的鋪裝材料破壞，說明車輛突然啟動或急剎車等情況更容易引起界面開裂.

4.5輪胎接觸壓力的影響

選擇水平力為0，伸縮縫結構尺寸見4.1節(jié)，伸縮縫混合料模量取200MPa，界面摩擦系數(shù)取0.5，設置輪胎接觸壓力分別為0.58、0.70、0.80MPa，表4為不同輪胎接觸壓力條件下界面控制指標的變化情況.

表4輪胎接觸壓力對界面控制指標的影響

Table4Effectsoftirecontactpressureoninterfacialcontrollingindexes

輪胎接觸壓力/MPa界面拉應力/MPa界面剪應力/MPa界面豎向位移/mm0.580.2190.1640.3900.700.2630.1960.4670.800.3010.2240.534

由表4可得：

(1)界面控制指標均隨輪胎接觸壓力的增加呈線性遞增趨勢，輪胎接觸壓力從0.58MPa增至0.80MPa，界面拉應力增加37.4%，界面剪應力增加36.6%.

(2)界面豎向位移隨著輪胎接觸壓力的增加呈線性遞增，輪胎接觸壓力從0.58MPa增至0.80MPa時，界面豎向位移增加了36.9%.

4.6界面控制指標的分布水平匯總

將界面控制指標的結果匯入表5中.具體分析如下.

表5　不同影響因素下界面控制指標的分布水平

(1)各影響因素對界面拉應力敏感性的大小排序為：水平力系數(shù)>輪胎接觸壓力>界面高度差>界面摩擦系數(shù)>模量比；對界面剪應力敏感性的大小排序為：水平力系數(shù)>輪胎接觸壓力>模量比>界面高度差>界面摩擦系數(shù)；對界面豎向位移敏感性的大小排序為：模量比>水平力系數(shù)>輪胎接觸壓力>界面摩擦系數(shù)>界面高度差.

(2)在標準荷載作用下，界面拉應力與界面剪應力在緊急加速或剎車(水平力系數(shù)為0.50)時達到最大值，界面豎向位移在伸縮縫混合料模量為50MPa時達到最大值.

5　結論

文中在進行瀝青填入式伸縮縫界面力學分析時，將公路-I級荷載的最大軸重140kN作為計算荷載，輪胎接觸壓力為0.58MPa.考慮了0.70MPa(超重21.7%)、0.80MPa(超重37.9%)的作用，同時考慮了車輛荷載的水平力作用，取水平力系數(shù)進行模擬；確定了文中所要分析的伸縮縫混合料模量、界面接觸條件、界面高度差，同時擬定了伸縮縫與橋面鋪裝的結構計算參數(shù).然后基于計算分析確定了瀝青填入式伸縮縫的界面控制指標為界面拉應力、界面剪應力、界面豎向位移.其中，界面拉應力的臨界荷位為橫跨橋面鋪裝和伸縮縫鋪裝的相交線上、極值位于界面表面(雙輪外側)；界面剪應力的臨界荷位為伸縮縫鋪裝一側且輪跡邊緣位于相交線上、極值位于界面底面(雙輪作用范圍內靠近邊緣處)；界面豎向位移的臨界荷位為橫跨橋面鋪裝和伸縮縫鋪裝的相交線上、極值位于界面表面(雙輪邊緣).研究還發(fā)現(xiàn)：影響界面拉應力與界面剪應力的主要因素為水平力系數(shù)、輪胎接觸壓力；影響界面豎向位移的主要因素為伸縮縫混合料模量、水平力系數(shù)、輪胎接觸壓力.因此，選擇模量較大的伸縮縫混合料、界面進行粗糙化處理、盡可能保證伸縮縫鋪裝與橋面鋪裝表面高程一致、防止車輛在伸縮縫上緊急啟動或剎車、防止車輛超載等措施有利于緩解界面損害現(xiàn)象.

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SupportedbytheNaturalScienceFoundationofShanghai(13ZR1441100)

MechanicalBehaviorCharacteristicsofAsphaltPlugExpansionJointPavement’sInterface

XIAO Min-min1,2

(1.KeyLaboratoryofRoadandTrafficEngineeringoftheMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai201804,China;2.ShanghaiInstituteofTechnology,Shanghai201418,China)

InAPEJ(AsphaltPlugExpansionJoint)pavement,theinterfaceistheweakestlinkinthewholestructure.Inthispaper,thematerialparametersofeachpartoftheexpansionjointweredetermined,and,byselectingthemaximumaxleload(140kN)ofroad-gradeIasthecalculatingload,afiniteelementmodelofthepavementwasestablishedwithANSYS.Then,theinterfacialindexeswerecalculatedunder4kindsofloads,andthecorrespondinginterfacialcontrollingindexeswereextracted.Finally,theeffectsofexpansionjointmixture’smodulus,interfacialfrictioncoefficient,interfacialelevationdifference,horizontalforceandtirecontactpressureontheinterfacialcontrollingindexeswereanalyzed.Theresultsshowthat(1)theinterfacialcontrollingindexesincludethetensilestress,theshearstressandtheinterfacialverticaldisplacement;(2)boththehorizontalforceandthetirecontactpressurehaveagreatinfluenceontheinterfacialtensilestressandshearstress,whilethemo-dulusratio,thehorizontalforce,thetirecontactpressureexertagreatinfluenceontheverticaldisplacementoftheinterface;(3)suchmeasuresaschoosingexpansionjointmixturewithgreatmodulus,coarsingtheinterface,settingsmallinterfacialelevationdifference,preventingurgentstartingorbrakingontheexpansionpavementandavoidingoverloadarealleffectiveinpreventingtheinterfacefromdamage.

roadengineering;asphaltplugexpansionjoint;interfacialcontrollingindex;stress;deformation

2015- 10- 19

上海自然科學基金資助項目(13ZR1441100)

肖敏敏(1983-)，女，博士生，副教授，主要從事道路材料與結構研究.E-mail:xiaomm329@163.com

1000- 565X(2016)06- 0105- 08

U416.217

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.06.017