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        合六葉公路橋不等厚結(jié)構(gòu)對鋪裝碾壓質(zhì)量的影響

        2022-01-26 12:59:14杜江波
        北方交通 2022年1期
        關(guān)鍵詞:公路橋頂層壓路機(jī)

        杜江波

        (中鐵五局集團(tuán)華南工程有限責(zé)任公司 東莞市 523160)

        0 引言

        鋼橋面鋪裝是鋼箱梁橋的重要組成結(jié)構(gòu)之一,其不僅為交通車輛提供平整且抗滑性好的行車表面,同時(shí)也保護(hù)鋼橋面板免受外界環(huán)境的侵蝕作用[1]。對鋼橋面鋪裝的關(guān)鍵施工過程進(jìn)行分析和把控,是保證鋪裝結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵[2-3]。為減輕自重和節(jié)約成本,合六葉公路橋創(chuàng)新性地采用了不等厚橋面頂板的特殊設(shè)計(jì),這對鋪裝結(jié)構(gòu)的施工,尤其是碾壓作業(yè)提出了更高的要求。為精準(zhǔn)把控合六葉公路橋不等厚鋪裝的施工質(zhì)量,需對碾壓作業(yè)時(shí)混合料的受力情況進(jìn)行細(xì)部力學(xué)分析。擬結(jié)合建模軟件FLAC,在離散元分析軟件PFC3D中建立細(xì)部模型,對不等厚過渡區(qū)鋪裝結(jié)構(gòu)的碾壓施工進(jìn)行仿真分析,為實(shí)際施工提供指導(dǎo)意見。

        1 工程概況

        合六葉公路橋?qū)儆诖罂鐝竭B續(xù)鋼箱梁橋,主橋采用100m+180m+100m的變截面連續(xù)鋼箱梁方案,其主跨跨徑達(dá)到了180m,居全國第二。合六葉公路橋由四座分橋組成,沿河道由上游至下游依次編號為1#~4#橋,其中1#與4#橋各設(shè)有一條行車道,2#與3#橋各設(shè)有三條行車道,整橋采用了雙向八車道方案,并以一級公路的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),橋梁橫橋向布置圖如圖1所示。

        圖1 合六葉公路橋橫橋向布置

        為減輕橋梁自重和降低建設(shè)成本,合六葉公路橋的鋼箱梁不僅采用了常規(guī)的變截面箱梁結(jié)構(gòu),還采用了變截面頂層鋼板的不等厚結(jié)構(gòu),整橋沿縱橋向共有16處不等厚過渡區(qū),過渡形式為1∶8的線性斜坡。合六葉公路橋采用了“雙層EA”的鋪裝體系,為適應(yīng)不等厚鋼板的結(jié)構(gòu)形式,鋪裝體系亦為不等厚結(jié)構(gòu),不等厚結(jié)構(gòu)過渡形式如圖2所示。

        圖2 合六葉公路橋不等厚過渡形式

        在合六葉公路橋的鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,下層鋪裝與頂層鋼板的厚度之和恒定為7.1cm,上層鋪裝的厚度恒定為2.5cm,鋪裝厚度與頂層鋼板厚度之和為9.6cm,即控制不等厚結(jié)構(gòu)只出現(xiàn)于下層鋪裝與頂層鋼板,以此減輕不等厚頂層鋼板設(shè)計(jì)對鋪裝結(jié)構(gòu)性能的影響。因此,下層鋪裝的施工質(zhì)量對合六葉公路橋鋪裝的整體性能存在著重要影響。

        對于“雙層EA”鋪裝體系,施工過程中的碾壓作業(yè)是影響鋪裝結(jié)構(gòu)整體服役性能的關(guān)鍵因素之一。針對合六葉公路橋特殊的不等厚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),擬通過FLAC與PFC3D分析軟件建立其不等厚過渡區(qū)的細(xì)部碾壓模型,分析不同碾壓遍數(shù)組合對下層鋪裝性能的影響。

        2 細(xì)部模型的建立

        為對合六葉公路橋不等厚鋪裝的碾壓作業(yè)進(jìn)行研究,首先采用PFC3D建立瀝青混合料和壓路機(jī)輪的仿真模型,采用FLAC建立頂層鋼板模型,最后在PFC3D中對不等厚鋪裝結(jié)構(gòu)碾壓的最佳工序組合進(jìn)行分析,所采用的離散元模型如圖3所示。

        圖3 不等厚鋪裝結(jié)構(gòu)的離散元模型

        本研究設(shè)定壓路機(jī)輪的輪半徑為60mm,寬40mm,采用接觸剛度模型表征壓路機(jī)輪與環(huán)氧瀝青混合料之間的接觸,壓路機(jī)輪與混合料顆粒的接觸摩擦系數(shù)設(shè)為0.15。參考已有的研究[4],本研究將粒徑小于2.36mm的混合料簡化為瀝青砂漿,并按照油石比、目標(biāo)空隙率與生產(chǎn)級配,計(jì)算不同粒徑混合料顆粒的數(shù)量,合六葉公路橋鋪裝的生產(chǎn)設(shè)計(jì)級配如表1所示,模型中各種尺寸顆粒的數(shù)量如表2所示。采用微觀參數(shù)驗(yàn)算法設(shè)定Burgers模型與平行粘結(jié)模型表征合六葉環(huán)氧瀝青混合料的材料性質(zhì)[5],其參數(shù)如表3所示。

        表1 合六葉公路橋EA-10生產(chǎn)配合比級配

        表2 模型中各粒徑尺寸顆粒的數(shù)量

        表3 環(huán)氧瀝青混合料的材料性質(zhì)

        橋面鋪裝模型的邊界尺寸設(shè)為200mm×71mm×50mm,其中頂層鋼板與下層鋪裝厚度之和為7.1cm,并在模型縱向的中部設(shè)置1∶8的斜坡以模擬合六葉公路橋的不等厚結(jié)構(gòu),頂層鋼板的材料參數(shù)如表4所示。

        表4 鋼橋面板的材料參數(shù)

        考慮到鋼橋面鋪裝碾壓作業(yè)不允許采用振動(dòng)壓實(shí),且需限制鋼輪壓路機(jī)的質(zhì)量不得過大,即對于鋼橋面鋪裝施工,鋼輪碾壓工序的控制更為重要;同時(shí),為降低模型的計(jì)算難度,提高仿真效率,對碾壓荷載的作用形式進(jìn)行簡化處理,即采用單一鋼輪荷載靜壓的方式進(jìn)行模擬,并通過伺服系統(tǒng)控制豎向壓力為100N/cm2。參考合六葉公路橋施工技術(shù)指南與常規(guī)鋼橋面鋪裝碾壓作業(yè)經(jīng)驗(yàn),設(shè)定碾壓仿真參數(shù)如表5所示。

        表5 碾壓作業(yè)參數(shù)

        3 細(xì)部力學(xué)分析

        首先對表5所述的碾壓參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,通過提取每次碾壓后過渡斜坡兩側(cè)區(qū)域混合料顆粒的單次下降量,匯總制成單次碾壓下降量與累計(jì)碾壓下降量的趨勢圖,如圖4所示。

        圖4 單次碾壓厚度下降量與累計(jì)碾壓厚度下降量

        如圖4所示,在碾壓作業(yè)的三個(gè)階段中,初壓階段混合料厚度的單次碾壓下降量最大,之后單次碾壓下降量隨碾壓遍數(shù)的增加而逐漸降低;混合料的累計(jì)碾壓厚度下降量在初壓階段的下降幅度最大,隨著碾壓遍數(shù)的增加,混合料累計(jì)碾壓厚度的下降趨勢逐漸放緩,并在終壓階段穩(wěn)定,符合鋼橋面鋪裝的實(shí)際碾壓效果,即本模型可以較好地模擬鋼橋面鋪裝的碾壓作業(yè)。

        合六葉公路橋不等厚過渡區(qū)的鋪裝可基于厚度大小分為三部分,即厚度較薄的一側(cè)、過渡斜坡和厚度較厚的一側(cè),本節(jié)記下鋪裝層厚度從高到低為碾壓方向a,相反則為碾壓方向b,如圖5所示。

        圖5 不等厚鋪裝的碾壓方向示意圖

        為進(jìn)一步分析不等厚結(jié)構(gòu)對合六葉公路橋下層鋪裝應(yīng)力響應(yīng)的影響,提取碾壓作業(yè)時(shí)混合料顆粒在三維方向上的平均應(yīng)力張量,以此定量分析不等厚結(jié)構(gòu)對碾壓過程的影響,各計(jì)算區(qū)域的選擇如圖5中方框所示,平均應(yīng)力張量的計(jì)算如式(1)所示,匯總結(jié)果如圖6所示。

        (1)

        式中,σij代表在混合料體積V上的應(yīng)力張量。

        圖6 環(huán)氧瀝青混合料的平均應(yīng)力

        如圖6所示,在碾壓過程中,不等厚過渡區(qū)與附近區(qū)域混合料的應(yīng)力響應(yīng)存在顯著差異。3號區(qū)域混合料的平均應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他區(qū)域,這說明不等厚過渡區(qū)較薄一端的混合料在碾壓作業(yè)中的受力狀態(tài)最差,應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場情況適當(dāng)減少其碾壓遍數(shù),避免發(fā)生過壓造成混合料中的集料發(fā)生破碎;3號與4號區(qū)域混合料在三個(gè)方向上的平均應(yīng)力均明顯大于其他區(qū)域,這說明不等厚過渡區(qū)的混合料在碾壓中更容易出現(xiàn)過壓,應(yīng)當(dāng)控制壓路機(jī)避免在不等厚過渡區(qū)上方長時(shí)間靜止停留;1號與2號區(qū)域的平均應(yīng)力大于5號與6號區(qū)域,這是因?yàn)?號與6號區(qū)域混合料的厚度更大,能相對更好地分散壓路機(jī)的碾壓作用,因此應(yīng)嚴(yán)格控制不等厚過渡區(qū)的碾壓作業(yè),避免由于過壓或壓路機(jī)的長時(shí)間停留而影響鋪裝性能。

        4 結(jié)論

        為保證合六葉公路橋不等厚鋪裝的施工質(zhì)量,基于PFC3D離散元軟件,模擬分析了不等厚鋪裝的碾壓作業(yè),得到以下結(jié)論:

        (1)在初壓階段與復(fù)壓階段,環(huán)氧瀝青混合料的厚度下降量較顯著,而在終壓階段,混合料的厚度基本無變化,因此應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格把控碾壓作業(yè)的初壓與復(fù)壓工序,以保證施工質(zhì)量。

        (2)在碾壓過程中,不等厚過渡區(qū)的混合料受力明顯大于其他區(qū)域,特別是不等厚過渡區(qū)鋪裝較薄的一側(cè),其受力狀態(tài)最差,應(yīng)控制壓路機(jī)不在此區(qū)域長時(shí)間靜止停留,以避免混合料出現(xiàn)過壓或破壞。

        (3)鋪裝厚度越大,碾壓作業(yè)所引起的力學(xué)響應(yīng)相對越小,即混合料越不易壓實(shí)。對于合六葉公路橋的不等厚鋪裝結(jié)構(gòu),應(yīng)當(dāng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際,靈活調(diào)整碾壓遍數(shù)與速度等參數(shù),保證各區(qū)域混合料的碾壓質(zhì)量。

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