自應(yīng)力混凝土橋面鋪裝

蔣蕾

摘要：在橋梁體系中，橋面鋪裝層既是主體結(jié)構(gòu)的保護(hù)層，也是橋梁體系與外部荷載直接接觸的受力層，其質(zhì)量及健康程度直接影響到行車安全和舒適程度以及橋梁主體結(jié)構(gòu)的耐久性。鋼纖維自應(yīng)力混凝土因自應(yīng)力混凝土的硬化膨脹受鋼纖維三個(gè)方向的限制而產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力，混凝土基體更加致密，其抗裂性能和耐久性都得到很大的提升，是橋面鋪裝的理想材料。

關(guān)鍵詞：自應(yīng)力混凝土；橋面鋪裝

1橋面鋪裝設(shè)計(jì)

水泥混凝土和瀝青混凝土鋼筋混凝土橋梁、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋梁的橋面鋪裝層通常使用的材料。橋面鋪裝問(wèn)題是橋梁專業(yè)和道路專業(yè)的共同問(wèn)題，但多年來(lái)一直不被人們重視。目前的橋面鋪裝設(shè)計(jì)都是按照道路和橋梁各自的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常是在前人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，不具有結(jié)構(gòu)性的功能要求和設(shè)計(jì)目的。

2自應(yīng)力混凝土

自應(yīng)力混凝土是膨脹混凝土的主要分支之一。由于膨脹混凝土在混凝土的硬化過(guò)程中生成硫鋁酸鈣水化物—鈣礬石，體積發(fā)生膨脹，在纖維、鋼筋或者其他界面約束的限制下，混凝土膨脹受限，在混凝土內(nèi)部獲得一定化學(xué)自應(yīng)力。目前有兩種常用方法可獲得這種化學(xué)預(yù)應(yīng)力：一種是將適量膨脹劑加入普通混凝土，可以產(chǎn)生不到1MPa的自應(yīng)力，這種膨脹混凝土稱為補(bǔ)償收縮混凝土；另一種是直接使用自應(yīng)力水泥代替普通水泥配制混凝土，此時(shí)混凝土膨脹變形比較大，可以產(chǎn)生2～8MPa自應(yīng)力，即自應(yīng)力混凝土。

3自應(yīng)力混凝土橋面鋪裝

混凝土是一種成分復(fù)雜、性能多樣的彈塑性復(fù)合材料，而加入鋼纖維的鋼筋混凝土，其非線性程度更高，采用彈性理論分析其內(nèi)部應(yīng)力與變形己遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了精度的要求。上世紀(jì)后半段，計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元理論得到充分發(fā)展，這為混凝土的非線性分析提供了有效的解決手段。通過(guò)鋼筋混凝土的非線性分析，可以得到混凝土結(jié)構(gòu)完整的破壞過(guò)程，從而得到破壞過(guò)程中各種材料參數(shù)和力學(xué)性能的發(fā)展和變化，為工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究提供更多更可靠的依據(jù)。

3.1研究方案

由于僅在橋梁鋪裝層鋪裝鋼筋鋼纖維自應(yīng)力混凝土，且主要研究其對(duì)橋梁支座負(fù)彎矩區(qū)抗彎能力的貢獻(xiàn)，因此本段數(shù)值模擬主要從以下兩點(diǎn)開展研究：

（1）以鋼筋鋼纖維自應(yīng)力混凝土代替普通混凝土作為橋面鋪裝，對(duì)比二者在荷載作用下支座負(fù)彎矩區(qū)的抗彎能力；

（2）因橋梁支座處最容易產(chǎn)生負(fù)彎矩，支座負(fù)彎矩區(qū)橋面鋪裝最易開裂，因此考慮將鋼筋鋼纖維自應(yīng)力混凝土僅鋪裝在支座負(fù)彎矩區(qū)的工況，研究不同鋪裝長(zhǎng)度對(duì)橋梁支座負(fù)彎矩區(qū)的抗彎性能的影響，從而確定連續(xù)混凝土橋梁中合理的鋼筋鋼纖維自應(yīng)力混凝土鋪裝長(zhǎng)度，為實(shí)際工程做參考。

3.2混凝土非線性分析

隨著科學(xué)的進(jìn)步和人類的發(fā)展，人們正不斷地追求更極致的體驗(yàn)：更快的交通工具，更加精致的儀器，更高的樓房，跨度更大的橋梁等等，這就要求工程設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)階段就能精確預(yù)測(cè)工程的技術(shù)性能，需要準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力強(qiáng)度，以及各種變量對(duì)工程結(jié)構(gòu)的影響，譬如溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)、滲流等。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值方法的發(fā)展，有限單元法逐漸興起，成為解決復(fù)雜工程的分析計(jì)算問(wèn)題提供了有效途徑。

上世紀(jì)50年代，波音公司在進(jìn)行機(jī)翼的應(yīng)力分析時(shí)，首先將連續(xù)的機(jī)翼離散為若干三角形進(jìn)行分析，并獲得成功。1960年前后，我國(guó)的馮康教授以及美國(guó)的R.W.Clough教授分別獨(dú)立提出“有限單元”這一名詞，有限元技術(shù)就此誕生。在發(fā)展初期，因其精簡(jiǎn)的原理和樸素的基本思想，有限元技術(shù)被學(xué)術(shù)界的許多權(quán)威嗤之以鼻，諸如Journal of Applied Mechanics等知名刊物都拒絕接受相關(guān)文章。而如今，有限元分析的思想己經(jīng)成為數(shù)值計(jì)算的主流，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，助其在實(shí)際工程問(wèn)題中的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，諸多有限元分析軟件層出不窮。

有限單元法的基本思想是將一個(gè)連續(xù)的結(jié)構(gòu)體離散為有限個(gè)微小單元，相鄰的單元通過(guò)單元間的節(jié)點(diǎn)相連。當(dāng)劃分的單元足夠小時(shí)，在每個(gè)單元中，結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力趨于簡(jiǎn)單，此時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)可以容易求出節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力和變形。單元內(nèi)部的應(yīng)力和變形通過(guò)函數(shù)插值獲得，進(jìn)而得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力。這樣以來(lái)，求解結(jié)構(gòu)內(nèi)部變量的無(wú)窮自由度問(wèn)題將轉(zhuǎn)化為求解節(jié)點(diǎn)變形和應(yīng)力的有限自由度問(wèn)題。劃分單元越小越多，結(jié)果越精確，但是計(jì)算量也迅速增加，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求越高，計(jì)算時(shí)間也越久。因此，在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬當(dāng)中，在計(jì)算精度與計(jì)算量之間要取舍有度。

3.3單元選擇及基本參數(shù)

SOLID65單元是SOLID45單元的加強(qiáng)版，是做混凝土非線性分析最常用的單元。與SOLID45單元相比，SOLID65單元最重要的方面是加入了對(duì)混凝土材料非線性的處理，即可以自定義混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線。此外，還增加了混凝土開裂和壓碎的描述，可以模擬混凝土的開裂（三個(gè)正交方向）、徐變、壓碎、塑性變形。在混凝土的數(shù)值模擬中，用SOLID65單元模擬混凝土，可以用自帶的鋼筋常數(shù)考慮配筋，也可以用線單元比如LINK180單元或者LINK8等單元模擬鋼筋的作用。該單元為八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，其幾何模型如圖1所示。

本文選用LINK180單元模擬配筋。LINK180單元是工程中常用的桿單元，它是一種三維桿單元，軸向可承受拉壓應(yīng)力，但不承受彎矩可以用來(lái)模擬析架、索桿、連桿、彈簧等。LINK180的單元幾何模型如圖2所示。

4結(jié)束語(yǔ)

文章將鋼筋鋼纖維自應(yīng)力混凝土應(yīng)用于橋面鋪裝層，在提高鋪裝層基本耐久性的同時(shí)，針對(duì)其有利于橋梁結(jié)構(gòu)體系受力的結(jié)構(gòu)潛能進(jìn)行了試驗(yàn)研究及模擬分析，結(jié)果表明鋼纖維自應(yīng)力混凝土是理想的橋面鋪裝材料。

（作者單位：江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司）