戴 偉

(邵陽公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南 邵陽 422300)

0 引言

橋面鋪裝層作為一種特殊的路面結(jié)構(gòu)，起著承擔(dān)路面功能和保護(hù)橋梁的作用，不但需要直接承受車輪的壓力、沖擊荷載以及在汽車和氣候環(huán)境反復(fù)作用下的磨耗、風(fēng)化，為行車提供舒適、安全的路面，而且需要分散荷載，參與橋面板的受力，擔(dān)負(fù)著傳導(dǎo)行車荷載、保護(hù)橋梁主體的作用。在環(huán)境因素和行車荷載的復(fù)合作用下，其受力機(jī)理較公路路面及機(jī)場(chǎng)道面復(fù)雜得多，容易發(fā)生各種形態(tài)破壞，因此，為了保證其滿足正常使用功能必須弄清其受力機(jī)理及影響因素，增強(qiáng)橋面鋪裝層的強(qiáng)度、抗裂、抗沖擊、耐磨等性能。

目前，國內(nèi)外針對(duì)橋梁鋪裝層受力特性展開不同程度的研究。美國加州大學(xué) Seible F.［1］和Latham C.T.教授［2］認(rèn)為水泥混凝土鋪裝層的破壞主要發(fā)生在橋面板和鋪裝層的接觸層，其破壞原因?yàn)閮烧甙l(fā)生了剝離現(xiàn)象。巴西J.G.S.Da Silva 教授［3］對(duì)高速公路不規(guī)則橋面的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了研究，研究表明車輛重載、超速對(duì)鋪裝層及整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)影響嚴(yán)重。美國Jung Heum Ye 和Seongcheol Choi教授［4］將橋面板、鋪裝層作為受力整體，并建立三維有限元分析模型，對(duì)鋪裝層內(nèi)受力變形特點(diǎn)進(jìn)行研究，提出橋面鋪裝層破壞指標(biāo)。王虎等［5］人利用梁體結(jié)構(gòu)的線彈性理論，對(duì)活載作用下水泥混凝土橋水泥混凝土橋面鋪裝層內(nèi)的彎曲正應(yīng)力進(jìn)行了分析。羅立峰等［6～9］應(yīng)用結(jié)構(gòu)的線彈性理論，對(duì)鋪裝層的受力狀況進(jìn)行了簡化，并根據(jù)實(shí)際狀況出了若干假定，提出水泥混凝土橋面鋪裝的設(shè)計(jì)方法。

基于上述學(xué)者的研究理論和方法，本文采用三維有限元方法，在橋梁實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，建立混凝土橋梁整體模型，保留橋梁的力學(xué)特征，研究了橋面鋪裝體系的力學(xué)特性和應(yīng)力分布變化規(guī)律，為橋面鋪裝層體系設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)，達(dá)到改善鋪裝層受力和延長鋪裝層使用壽命的目的。

1 有限元分析模型

1.1 工程概況

計(jì)算分析對(duì)象為跨徑l=20 m 的裝配式簡支空心板橋鋪裝層，其邊板、中板截面尺寸以及橫斷面布置分別如圖1、圖2所示，鋪裝層采用水泥混凝土。

1.2 基本假定

圖1 邊板、中板截面尺寸(單位:cm)

橋面鋪裝是一個(gè)復(fù)雜的受力體系，荷載和溫度應(yīng)力、橋梁主體的彎曲和扭曲都會(huì)對(duì)層間變形和受力產(chǎn)生明顯的影響，所以建立合理的橋面鋪裝體系力學(xué)模型顯得十分重要。本文在對(duì)橋面鋪裝層進(jìn)行力學(xué)分析研究時(shí)，對(duì)模型和材料的特性作了如下基本假定:

圖2 空心板橋斷面布置示意圖(單位:cm)

1)進(jìn)行靜力分析時(shí)橋梁主體、防水層和鋪裝層均處于無裂縫工作狀態(tài);

2)在車輛荷載作用下，認(rèn)為混凝土鋪裝層是連續(xù)、均勻以及各向同性的;

3)所有材料線滿足彈性假定;

4)鋪裝層、防水層和橋梁主體一起承受車輛荷載作用;

5)不考慮混凝土橋梁和鋪裝層的重力作用;

6)忽略橋梁振動(dòng)作用對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

1.3 結(jié)構(gòu)建模

采用ANSYS 單元庫中實(shí)體單元Solid45 模擬混凝土，該單元通過8 個(gè)節(jié)點(diǎn)來形成六面體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3 個(gè)沿著X、Y、Z 方向平移的自由度，單元具有塑性、蠕變、應(yīng)力強(qiáng)化、大應(yīng)變等能力。模型中采用六面體映射劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸控制在0.2 m，橋體支座簡支約束。

根據(jù)分析的需要，考慮鋪裝層厚度、鋪裝層彈性模量、水平荷載和超載對(duì)橋梁鋪裝層應(yīng)力分布的影響規(guī)律，本文建立了鋪裝層厚度為5、10、15 cm，彈性模量為27、33、39 GPa，水平荷載動(dòng)摩擦系數(shù)為0、0.3、0.5、0.7、1，超載系數(shù)為 0%、50%、100% 共 51個(gè)模型(如圖3)。

圖3 空心板橋空間實(shí)體有限元模型

1.4 計(jì)算荷載

本文主要研究橋面鋪裝層在汽車荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)，采用車輛荷載進(jìn)行加載，車輛荷載的立面尺寸如圖4所示，將輪胎的接地面積由圓形面積轉(zhuǎn)換為(0.2 ×0.6)m2的矩形面積，保持兩輪中心的間距為1.8 m，汽車－超20 后軸軸重為140 kN，輪胎接地壓強(qiáng)換算為0.707 MPa，汽車荷載的主要技術(shù)指標(biāo)如表1。力學(xué)計(jì)算中，僅考慮一輛汽車水平荷載和垂直荷載，水平荷載由垂直荷載乘以車輪與路面間的動(dòng)摩擦系數(shù)得到，其加載位置為1#板跨中。

圖4 車輛荷載的立面尺寸

表1 車輛荷載技術(shù)指標(biāo)

2 鋪裝層受力特性分析

2.1 計(jì)算結(jié)果

本文將運(yùn)用三維有限元計(jì)算，分析混凝土鋪裝層內(nèi)的最大拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力，考慮鋪裝層參數(shù)(鋪裝層厚度、鋪裝層彈性模量)的變化、行車荷載等因素對(duì)受力的影響。

2.1.1 鋪裝層參數(shù)

鋪裝層參數(shù)(厚度和彈性模量)的變化對(duì)鋪裝層受力有重大影響，在橋面鋪裝設(shè)計(jì)時(shí)，鋪裝層的厚度作為重要指標(biāo)，直接影響著鋪裝層抗垂直荷載和水平剪切的能力。其彈性模量隨著溫度和荷載的變化發(fā)生改變，變化區(qū)間從幾百兆帕發(fā)展至幾千兆帕，對(duì)鋪裝層強(qiáng)度影響深遠(yuǎn)。

表2給出空心板橋無超載、無水平荷載情況下鋪裝層最大應(yīng)力隨其厚度和彈性模量的變化規(guī)律。

表2 混凝土鋪裝層應(yīng)力隨厚度、彈性模量變化值

從表2中可以發(fā)現(xiàn)，由于車輛荷載為偏載，鋪裝層的最大橫向拉應(yīng)力普遍高于最大縱向拉應(yīng)力，隨著鋪裝層厚度的增大，其內(nèi)部應(yīng)力均呈現(xiàn)不同的降低。圖5給出在跨中偏載作用下，鋪裝層內(nèi)各應(yīng)力隨其厚度的變化規(guī)律。

圖5 鋪裝層應(yīng)力隨厚度變化圖

觀察圖5，可以發(fā)現(xiàn)縱橋向最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力隨鋪裝層厚度的變化效果均較為明顯，說明隨著鋪裝層厚度增大對(duì)其抗垂直荷載和水平剪切能力增強(qiáng)作用顯著。圖6給出不同彈性模量的鋪裝層縱向最大拉應(yīng)力隨其厚度的變化規(guī)律。

圖6 不同彈性模量鋪裝層應(yīng)力隨厚度變化圖

結(jié)合表2和圖6中可明顯看出，隨著鋪裝層彈性模量的增大，鋪裝層內(nèi)的最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，鋪裝層厚度為5 cm 時(shí)，彈性模量為39 GPa 較27 GPa 最大縱橋向拉應(yīng)力增大20.2%，最大橫橋向拉應(yīng)力增大22.9%，剪應(yīng)力減小26.3%。由此可見鋪裝層彈性模量對(duì)其內(nèi)部應(yīng)力分布影響巨大。分析圖6，可以發(fā)現(xiàn)，在相同的鋪裝層厚度變化范圍內(nèi)，5～10 cm 段較 10～15 cm 段應(yīng)力下降更為快速，因此5～10 cm 范圍內(nèi)增加鋪裝層厚度，控制其內(nèi)部應(yīng)力效果更好。

2.1.2 行車荷載

行車荷載包含車輛超載和水平荷載，隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷增強(qiáng)，車輛車載也與日俱增，超載現(xiàn)在日趨嚴(yán)重，超載現(xiàn)象一般分兩種情況，一種是通過改變輪胎的接地面積，另一種改變胎壓而不變接地面積。由于采用改變胎壓的方式模擬超載偏保守，因此本節(jié)只改變胎壓而不改變車胎接地面積，以超載系數(shù)為0～100%，每隔50%進(jìn)行一次計(jì)算。同時(shí)車輛荷載作用在路面上的時(shí)候，會(huì)與路面接觸面上會(huì)產(chǎn)生水平荷載，其水平荷載為垂直荷載乘動(dòng)摩擦系數(shù)f，為了研究水平荷載對(duì)橋面鋪裝層的影響，計(jì)算中選取水平力系數(shù)分別為 0、0.3、0.5、0.7、1。

觀察表3，隨著超載系數(shù)的增大，不同彈性模量鋪裝層的應(yīng)力均呈線性增長趨勢(shì)，可見超載對(duì)鋪裝層應(yīng)力增長影響很大，圖7為不同超載系數(shù)下鋪裝層橫橋向最大拉應(yīng)力隨彈性模量的變化規(guī)律。

表3 不同彈性模量鋪裝層應(yīng)力隨超載系數(shù)變化值

圖7 不同超載系數(shù)下鋪裝層應(yīng)力隨彈性模量變化圖

圖7反映無論是否超載，鋪裝層中的應(yīng)力都隨彈性模量的增大而增大，且隨著超載系數(shù)的增大，鋪裝層中應(yīng)力對(duì)彈性模量變化的敏感性越來越強(qiáng)，增加的幅度不斷增大。

由表4可知，隨著動(dòng)摩擦系數(shù)的增大，縱橋向最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力逐漸增大，其中以剪應(yīng)力增大最為明顯，橫橋向最大拉應(yīng)力基本無變化。

從圖8可以看出，隨著動(dòng)摩擦系數(shù)的增大，縱橋向最大拉應(yīng)力隨鋪裝層彈性模量變化的越來越不明顯，當(dāng)動(dòng)摩擦系數(shù)達(dá)0.7 后，基本沒有變化，可見當(dāng)行車荷載超過一定限度，鋪裝層彈性模量對(duì)應(yīng)力的影響不再明顯。

表4 混凝土鋪裝層應(yīng)力隨水平荷載變化值

圖8 不同水平荷載下鋪裝層應(yīng)力隨彈性模量變化圖

3 結(jié)論

1)鋪裝層內(nèi)應(yīng)力隨著鋪裝層厚度的增大而減小，隨著鋪裝層彈性模量的增大而增大;5～10 cm范圍內(nèi)增加鋪裝層厚度，控制其內(nèi)部應(yīng)力效果最好。

2)在彈性范圍內(nèi)，鋪裝層內(nèi)應(yīng)力隨超載系數(shù)的增大呈線性增長趨勢(shì);隨著動(dòng)摩擦系數(shù)的增大，剪應(yīng)力增大最為明顯，動(dòng)摩擦系數(shù)為1 較0 時(shí)剪應(yīng)力增大接近270%，橫橋向和縱橋向最大拉應(yīng)力基本無變化。

3)隨著超載系數(shù)的增大，鋪裝層中應(yīng)力對(duì)彈性模量變化的敏感性增強(qiáng);隨著動(dòng)摩擦系數(shù)的增大，鋪裝層內(nèi)應(yīng)力隨彈性模量變化越來越不明顯。

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