亞坤江·吐拉買提

(新疆西域公路工程有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

調查表明，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和受力條件有較大的區(qū)別，受力情況更加復雜。加之我國重載超載現(xiàn)象的普遍性，造成橋梁實際負載量增大，長期的超規(guī)范汽車動荷載作用急劇加大結構損傷狀況，影響結構完整性和承載力，造成橋梁使用性能降低進而增大橋梁的動力沖擊系數(shù)，長期超載必然引起橋梁疲勞破壞或者嚴重降低橋梁的使用年限，同時給橋梁的安全性造成了重大的威脅［2］。為了能夠有效地進行橋面鋪裝設計和施工，必須研究橋面鋪裝層的受力狀態(tài)［3－5］。通過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裂縫工作狀態(tài)且在進行層間接觸分析時接觸層間摩擦滑動。在計算的過程中，首先建立長度為3 m，寬度為路面結構層的厚度，對橫截面進行較細的密度劃分，然后對劃分完的橫截面單元采用SOLID45 實體單元將橫截面延伸成體，形成路面三維結構，單元采用六面體八節(jié)點等參單元，從而運用ANSYS 三維有限元軟件進行計算。

因此，本文通過三維有限元的計算，從水泥混凝土的鋪裝層厚度、混凝土的彈性模量和行車荷載等三個方面考慮，計算分析水泥混凝土橋混凝土鋪裝層的最大剪應力。

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 以其強大的功能和操作的方便性，近年來已被越來越多地應用于計算橋面鋪裝?，F(xiàn)采用ANSYS 分別計算鋪裝層厚度和彈性模量對鋪裝層受力的影響。

1.1 鋪裝層厚度對鋪裝層受力的影響

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

表1 水泥混凝土橋面板層應力隨厚度變化的值

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

1.2 鋪裝層模量對鋪裝層受力的影響

控制其他條件不變，計算不同鋪裝層模量時水泥混凝土鋪裝層的正應力及層間剪應力，研究鋪裝層模量對鋪裝層受力狀態(tài)的影響，結果見表2和圖2。

表2 水泥層應力隨模量變化的值 MPa

從表2和圖2可知，隨著模量的增大，水泥層各應力的值基本上沒有什么變化。這是因為，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水泥混凝土鋪裝層的受力影響較小。

2 荷載對鋪裝層受力的影響

2.1 超載對鋪裝層受力的影響

假設荷載面積一定，在相同模量下計算不同超載比例時鋪裝層的受力狀態(tài)，其中超載比例是通過改變豎直壓力來模擬的，計算時取水平力系數(shù)為f=0.5。計算結果見表3和圖3。

表3 水泥層應力隨超載變化的值

圖3 水泥層應力隨超載變化圖

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

2.2 水平作用對鋪裝層受力的影響

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

表4 水平力對水泥混凝土層應力的影響表

圖4 水泥混凝土鋪裝層應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 對鋪裝層內各應力的影響不大，由此表明水平荷載對水泥混凝土鋪裝層的影響不顯著。

3 結束語

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的第一主應力、橫向正應力和縱向正應力都出現(xiàn)不斷減小的趨勢，其中第一主應力的減小幅度大于橫向正應力和縱向正應力?？梢?，增大水泥混凝土鋪裝層的厚度對橋面板內的第一主應力有利，對水泥混凝土鋪裝層內的正應力影響較小。

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

3)增大摩阻系數(shù)f，鋪裝層內各應力幾乎沒有改變，水平荷載對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理分析［D］.重慶:重慶交通大學，2008.

［2］張占軍，曹東偉，胡長順.水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層厚度的研究［J］.西安公路交通大學學報，2000，20:18 －22.

［3］張占軍.水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝結構研究［D］.西安:長安大學，2000.

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