文／怒江州公路規(guī)劃勘察設計院 和志忠

1 埋管型橋面裝鋪層結構受力特點和模擬假設

1.1 埋管型橋面裝鋪層結構受力特點

作為重要的橋系構成部分，橋面裝鋪的力學狀態(tài)相對復雜。裝鋪層材料與橋面板間的材料基本性質，其差異通常比較大，一般水泥砼橋面板的模量往往高出防透水層或者瀝混結構層的相關模量，其功能狀態(tài)較公路路面或鋼橋橋面均有所區(qū)別。埋管型化冰融雪系統(tǒng)的橋面裝鋪層因為加進不銹鋼熱力管網(wǎng)，對于橋面講來相當于加進鋼筋，提高整體橋面的力學功效。因為溫水的特殊性，其水溫只有10～15℃，溫度相對比較低，內(nèi)外溫度差比較小，因而管網(wǎng)的溫翹應力可以忽略，重點探究針對加進埋管后車輪載荷對埋管的力學影響作用，埋管的加進亦相當于起到對裝鋪層的加筋影響作用，因此在分析裝鋪層埋管受力狀態(tài)時，模型整體的最不利荷位可以忽略，截取橋面裝鋪層的一部分開展計算分析。

1.2 橋面裝鋪層模型基本假設

假定橋面各混凝土結構層、瀝混結構層裝鋪層、不銹鋼管為各向同性、連續(xù)、均勻的彈塑性體。假設裝鋪層間視為連續(xù)狀態(tài)，裝鋪層之與橋面板間亦視為連續(xù)狀態(tài)，而且預埋裝鋪層的不銹鋼熱力管與裝鋪層間應力與應變徹底連續(xù)。裝鋪層的施工均視為橋梁主體完工后實施，分析時忽略瀝混結構層裝鋪層和水泥砼橋面板重力的影響。忽略承臺與橋墩的形變，只關注分析上部結構。

2 埋管型橋面裝鋪層模型的建立

2.1 有限元模型的建立

本研究借助通用大型ABAQUS有限元模擬計算系統(tǒng)建立數(shù)理計算模型，對裝鋪層埋管的應力狀態(tài)開展分析。在橋面裝鋪模擬計算中，須充分考慮邊界條件的影響，也要注意載荷影響區(qū)域及計算精確度，選取橋面板3m×3m×0.38m規(guī)格開展計算，自下而上依次為橋面板、不銹鋼管子、瀝青面層，因為管體為主要分析對象，故對防水黏結層的影響作用選擇忽略。橋梁下部結構不予考慮。橋面裝鋪結構的寬度方向系相對有限的層狀結構、水平方向則為整橋。

（1）載荷作用模型：模擬分析計算時，載荷選用BZZ-100規(guī)范軸載，取0.70MPa輪壓力，取32.0cm輪中距，取軸重100kN。以兩個矩形均布載荷結構簡化雙輪載荷。為便于模型劃分與計算，橫向兩矩形的規(guī)格為18cm，縱向規(guī)格為20cm，對兩個矩形的邊緣則取間距12cm。橫橋面方向為x方向，順橋面方向為y方向，垂直于橋面方向為z方向。裝鋪層底面不存在z向移位，垂直于x方向的左右兩面不存在x向移位，前后垂直于y方向的兩面不存在y向的移位。

（2）單元與網(wǎng)絡劃分：水泥砼裝鋪層、不銹鋼管和瀝青復合料裝鋪層均選用C3D8R實體6面體單元。其網(wǎng)絡劃分選用等距劃分，而且采取局部加密，在不銹鋼管及車輛載荷周圍采取比較細的網(wǎng)絡，其它地方網(wǎng)絡比較大。

2.2 重點計算參數(shù)確定

橋面裝鋪結構計算參數(shù)具體見表1所示。

表1 路面結構參數(shù)

橋面裝鋪發(fā)揮避免雨水侵蝕、保護車輛道板、分散集中載荷、一同與橋梁主體承擔彎矩功效。實際工程中經(jīng)常使用的裝鋪樣型主要為瀝青、水泥或者混合型裝鋪。瀝混裝鋪層的常見病害表現(xiàn)為裝鋪層發(fā)生空脫起皮及層間剪切破壞。

參考橋面材料的熱力學分析成果和熱導常數(shù)，本部分主要探究在裝鋪層總厚度不變的狀態(tài)下，不同的混合型裝鋪方案在考慮水平力常數(shù)的標準載荷及標準靜載影響下的層間剪力影響。橋面裝鋪層初始設計方案為：水泥砼結構層（8cm）+瀝混結構層（10cm），混合型裝鋪組合方案具體見表2所示。

表2 裝鋪結構層不同組合

3 不同裝鋪層方案對裝鋪層間應力的影響

3.1 標準載荷BZZ-100對橋面不同裝鋪結構應力分析

在標準載荷BZZ-100，即輪壓0.7MPa，軸重100kN的影響下，不同裝鋪組合下的水泥砼結構層與瀝混結構層間的最大剪應力狀態(tài)具體見表3所示。

表3 不同裝鋪方案靜載下的層間剪應力最大值

計算結果揭示，裝鋪層整體厚度保持不變，伴隨水泥砼結構層厚度的加大，在忽略水平力的靜載條件下，瀝混結構層厚度的降低，不同的裝鋪層結構的層間剪力逐步降低。瀝混結構層裝鋪厚度由4cm加增至10cm，黏結層間及瀝混結構層的縱向剪應力加大47.5%。此由于裝鋪層加大了瀝青層厚度，因為是忽略水平力的影響作用，相對于水泥砼的剛性，瀝青路面的剛性相對偏小，在靜載影響下，層間最大剪應力是瀝青層厚度越大則對應越大，與力學原理相符合。不過在靜載影響下，0.08411～0.1241MPa區(qū)間，為瀝混結構層與水泥砼結構層間的最大剪應力變動區(qū)間，變化區(qū)域比較小。

3.2 考慮水平力常數(shù)的標準載荷對橋面不同裝鋪結構應力分析

縱坡橋面坡率變化對橋面裝鋪層間存在應力影響，并且行駛過程中車輛頻繁的啟動、加速、減速和剎車，水平力常數(shù)f因此而一定程度加大，產(chǎn)生比較大的層間剪應力。我們知道，橋面裝鋪結構在車輛啟動剎車過程中領受的切向層間剪應力，相較常規(guī)狀態(tài)存在數(shù)倍加大，故車行狀況對裝鋪層的受力狀況有比較大影響。在此選用水平力常數(shù)f來模擬裝鋪層間應力來自車輛行間制動的影響。

為分析橋面不同裝鋪結構的層間應力緣于車輛制動的影響，本研究的水平力常數(shù)f取為0.5開展計算探究。實驗計算揭示，考慮(f=0.5)水平力常數(shù)的標準載荷，保持裝鋪的總厚度恒定，瀝混結構層厚度伴隨水泥砼結構層的厚度加大而相應降低，不同裝鋪組合的層間剪應力逐步加大。瀝混結構層裝鋪厚度由10cm降低至4cm，黏結層及瀝混結構層裝鋪間的縱向剪應力發(fā)生21.3%的加大。此由于瀝青層厚度降低，由于水平力影響，縱向橋梁的層間剪應力有所加大，此時該縱向剪應力起主導作用，層間影響相對較大。0.2684～0.3257MPa區(qū)間，為水泥砼結構層與瀝混結構層間的最大剪應力波動區(qū)間，與方案一相比，方案四的最大縱向剪應力增加了14.3%，選擇應用此方案就須對層間應力狀態(tài)給予必要強化治理，以抵御因為瀝青層的減薄而引發(fā)剪應力層間加大。

上述力學分析揭示，在保持裝鋪層總厚度不變的前提下，伴隨裝鋪瀝青層厚度加增，水泥砼結構層厚度的降低，在正常的車輛載荷作用情況下，瀝混結構層裝鋪層與水泥砼面板間總體應力呈現(xiàn)為降低趨勢。從此個意義上講來，越大的瀝青裝鋪層厚度越好，但是因為橋面化冰融雪的特殊性，的瀝青裝鋪層過厚一是不經(jīng)濟；二是因為瀝混結構層的熱導性低于水泥砼的熱導性，會影響融雪的功效；三是瀝青層假如比較厚，就要在瀝青層內(nèi)部埋管，擾動性在橋面壓碾施工中比較大，亦許還會壓壞管網(wǎng)。故需要基于多種約束，尋求化冰融雪特殊橋面的裝鋪層的最優(yōu)厚度與結構組合。

綜合前述分析成果，參考施工、層間作用力、車載要素、熱導融雪功效、經(jīng)濟的多方面要素，建議水泥砼橋面瀝青裝鋪層為5cm厚度，設置13cm厚的防水混凝土層。

4 結語

本研究闡述了埋管型橋面裝鋪層結構受力特點，并以有限元模擬計算的方式，分析了BZZ-100標準載荷和考慮水平力常數(shù)的標準載荷對埋管型化冰融雪系統(tǒng)的橋面裝鋪結構的影響狀態(tài)。計算分析揭示，在保持裝鋪層總厚度不變的前提下，伴隨裝鋪瀝青層厚度加增，水泥砼結構層厚度的降低，在正常的車輛載荷作用情況下，瀝混結構層裝鋪層與水泥砼面板間總體應力呈現(xiàn)為降低趨勢。案例水泥砼橋面瀝青裝鋪層和防水砼層分別以5cm和13cm厚度設計為宜。