摘要：

為研究行車荷載作用下瀝青橋面鋪裝力學(xué)性能，文章對現(xiàn)有的相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié)，并依托某高速公路的瀝青橋面鋪裝混凝土連續(xù)箱梁橋?qū)嶋H工程，通過ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了瀝青橋面鋪裝層在行車荷載作用下的豎向位移、豎向應(yīng)力、水平應(yīng)力和剪應(yīng)力變化規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)車輛荷載達(dá)到峰值時(shí)，橋面的豎向位移值達(dá)到最大，隨著車輛行駛速度的減小，車輛荷載作用在橋面的時(shí)間延長，對橋面的影響也隨之增大；橋面鋪裝層的最大豎向應(yīng)力出現(xiàn)在鋪裝層表面荷載中心位置，且隨著鋪裝層的深度逐漸增加而減小，不同的車輛行駛速度下橋面鋪裝層的最大豎向應(yīng)力數(shù)值相差不大；在車輛荷載下，水平應(yīng)力和剪應(yīng)力隨荷載的變化呈現(xiàn)半正弦的變化規(guī)律，當(dāng)車輛荷載到達(dá)峰值時(shí)，瀝青橋面鋪裝層中各個(gè)點(diǎn)的水平應(yīng)力均達(dá)到最大值。

關(guān)鍵詞：瀝青橋面鋪裝；力學(xué)性能；有限元方法；數(shù)值模擬

中圖分類號：U443.33 A 21 067 4

0 引言

瀝青混合料因具有較高的整體強(qiáng)度、低振動(dòng)、良好的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁的橋面鋪裝工程中得到了廣泛的應(yīng)用。但也因?yàn)闉r青材料自身的缺陷，使橋面的鋪裝層過早地出現(xiàn)病害，加之雨水入滲和車輛荷載的共同作用，對存在一定缺陷的橋面產(chǎn)生沖刷及吸附作用，大大降低了橋梁鋪裝層的使用壽命。

目前國內(nèi)外學(xué)者對瀝青橋面鋪裝力學(xué)性能的研究取得了較多成果。周霄等［1］研究了不同橋面鋪裝體系的力學(xué)行為、鋪裝層厚度以及粘結(jié)層用量對橋面鋪裝層力學(xué)性能的影響。方金等［2］基于瞬態(tài)溫度場傳熱理論和熱力學(xué)邊界條件假設(shè)，建立了鋼橋面板在高溫澆筑瀝青混合料攤鋪過程中的時(shí)空溫度場、應(yīng)力場、變形場的多場耦合模型，研究了施工工藝參數(shù)對在高溫澆筑中鋼橋面板溫度效應(yīng)的影響。魯立［3］研究了兩種不同的橋面鋪裝層防水體系的防水性能，發(fā)現(xiàn)由Eliminator防水材料組成的防水體系和GS溶劑型粘結(jié)劑材料組成的防水體系均能滿足鋪裝層的防水要求。王振宇等［4］為研究車致作用下的橋面鋪裝層的病害成因，分析了橋面瀝青鋪裝層與混凝土層之間粘結(jié)作用的影響因素，結(jié)合數(shù)值模擬研究、現(xiàn)場測試與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)了界面層的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，研究了車輛制動(dòng)及橫向聯(lián)系失效下界面層的力學(xué)性能。萬寧等［5］為提高橋面瀝青鋪裝層的力學(xué)性能及使用壽命，利用了聚氨酯/環(huán)氧樹脂對瀝青混合料進(jìn)行改良，研究了改性后的瀝青固化進(jìn)程，測試了改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性、粘附特性、力學(xué)性能及高低溫性能。李清華等［6］為解決水泥混凝土橋面鋪裝層的病害，進(jìn)行了橋面薄層鋪裝的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能研究，發(fā)現(xiàn)薄層的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的路用性能表現(xiàn)更好。漆世虎等［7］通過有限元方法建立了橋面鋪裝的三維數(shù)值模型，研究了鋪裝層的模量以及縱橫方向的外力對鋪裝層的受力影響。

鑒于此，本文依托某高速公路的瀝青橋面鋪裝混凝土連續(xù)箱梁橋?qū)嶋H工程，通過ABAQUS軟件對其進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了瀝青橋面鋪裝層在行車荷載作用下的力學(xué)性能，為瀝青橋面鋪裝層施工提供借鑒。

1 工程背景與數(shù)值模型

1.1 ABAQUS簡介

ABAQUS作為應(yīng)用相當(dāng)廣泛的通用有限元軟件，在處理巖土工程問題時(shí)具有很明顯的優(yōu)勢，如可以提供大量巖土材料常用的本構(gòu)模型，還可以進(jìn)行包括溫度場、滲流場等的多場耦合計(jì)算，交互性更好，操作更為簡便。其工作流程如圖1所示。

1.2 工程背景

該橋的跨徑為3× 40 m，橋梁基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，橋墩為柱式墩，橋梁上部結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱形連續(xù)梁，下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用的是肋板臺(tái)，橋臺(tái)樁徑為 1.5 m，橋墩的直徑為 1.6 m。橋梁的主體結(jié)構(gòu)由5個(gè)箱梁組成，梁高為 2.1 m，梁間距為 3.37 m。橋面分為四車道，包括3個(gè)普通車道和1個(gè)應(yīng)急車道。本文使用ABAQUS軟件建立了該橋的三維數(shù)值模型，研究鋪裝層在車輛荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。

1.3 數(shù)值模型的建立

根據(jù)橋梁的實(shí)際幾何參數(shù)，利用ABAQUS軟件建立數(shù)值模型如圖2所示。

利用ABAQUS軟件對該橋梁進(jìn)行數(shù)值建模與計(jì)算分析時(shí)，一般對模型做出如下假設(shè)：

（1）瀝青混合料的本構(gòu)模型采用粘彈性模型，假設(shè)其具有各向同性、連續(xù)性和均勻性。

（2）假設(shè)模型各部件之間的接觸為完全連續(xù)。

（3）計(jì)算過程中忽略橋梁的自重。

對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，可考慮適當(dāng)加密橋面鋪裝層的網(wǎng)格。模型的邊界條件設(shè)為：對橋梁兩邊的支座及橋臺(tái)的底部施加完全約束。

橋梁的橋面鋪裝層自上而下分別為：厚度為 4 cm的橡膠改性瀝青混凝土ARHM-13、厚度為 8 cm的橡膠改性瀝青混凝土ARHM-20、C50混凝土。其中，C50混凝土本構(gòu)模型采用線彈性模型，ARHM-13和 ARHM-20的本構(gòu)模型采用粘彈性模型，其參數(shù)取值如表1所示。

1.4 車輛荷載

相對于整個(gè)的橋面鋪裝層的面積，車輛在橋梁上行駛時(shí)，車輛荷載作用面積很小，為方便計(jì)算，可以取矩形區(qū)域代替真實(shí)的雙圓荷載區(qū)域。車輛荷載的變化情況采用Haversine波的形式，總分析時(shí)間取 0.2 s（如圖3所示）。

計(jì)算得到不同行車速度下荷載的作用時(shí)間，如表2所示。

2 行車荷載作用下瀝青橋面鋪裝動(dòng)力響應(yīng)分析

設(shè)置車速分別為 60 km/h、 80 km/h、 100 km/h的3組數(shù)值計(jì)算工況，對應(yīng)的行駛時(shí)間分別為 0.076 8 s、 0.057 6 s、 0.046 1 s，根據(jù)圖3的Haversine 波形式，在 T/2時(shí)，車輛荷載達(dá)到峰值，此時(shí)橋面鋪裝層達(dá)到最不利狀態(tài)，因此僅需分析每組工況中的T/2時(shí)間點(diǎn)橋面鋪裝層的受力狀態(tài)，即 0.038 s、 0.057 6 s、 0.046 1 s。

2.1 豎向位移分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到車輛不同行駛速度下的橋面跨中位置鋪裝層的豎向位移隨時(shí)間的變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)車速為 60 km/h時(shí)，最大豎向位移為 0.392 mm；當(dāng)車速為 80 km/h時(shí)，最大豎向位移為 0.375 mm；當(dāng)車速為 100 km/h時(shí)，最大豎向位移為 0.369 mm。由此可知，在不同的車輛行駛速度下，橋面在跨中位置的最大豎向位移值相差不大，當(dāng)車輛荷載達(dá)到峰值時(shí)，橋面的豎向位移值也達(dá)到最大。隨著車輛行駛速度的減小，車輛荷載作用在橋面的時(shí)間延長，對橋面的影響也隨之增大。

2.2 豎向應(yīng)力分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，橋面鋪裝層的最大豎向應(yīng)力出現(xiàn)在鋪裝層表面荷載中心位置。不同行駛速度下的橋面鋪裝層表面荷載中心位置不同深度的豎向應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，如圖5所示。

由圖5可知，在車速為 60 km/h的情況下，隨著鋪裝層深度的逐漸增加，其最大豎向應(yīng)力逐漸減小。在深度為 0 m、 0.04 m和 0.12 m的情況下，最大豎向應(yīng)力值分別為 1 136.1 kPa， 1 080.9 kPa和 853.1 kPa。車速為 80 km/h和 100 km/h的情況與車速為 60 km/h得到的規(guī)律相同，車速為 80 km/h時(shí)，且深度為 0 m、 0.04 m和 0.12 m的情況下，最大豎向應(yīng)力值分別為 1 141.1 kPa， 1 086.9 kPa和 857.9 kPa。車速為 100 km/h時(shí)，且深度為 0 m、 0.04 m和 0.12 m的情況下，最大豎向應(yīng)力值分別為 1 146.2 kPa， 1 092.7 kPa和 864.5 kPa。

在不同的車輛行駛速度下，橋面鋪裝層的最大豎向應(yīng)力均出現(xiàn)在鋪裝層表面荷載中心位置，且隨著鋪裝層深度的逐漸增加而減小，不同車輛行駛速度下橋面鋪裝層的最大豎向應(yīng)力數(shù)值相差不大。隨著車輛行駛速度的減小，車輛荷載作用在橋面的時(shí)間延長，對橋面的影響也隨之增大。

2.3 水平應(yīng)力分析

水平應(yīng)力是導(dǎo)致瀝青橋面鋪裝層出現(xiàn)裂縫的主要原因之一。在車輛荷載下，橋面鋪裝層內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于其材料的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，鋪裝層會(huì)出現(xiàn)裂縫，從而影響其使用壽命。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到不同行駛速度下的橋面鋪裝層表面荷載中心位置不同深度的水平應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，如圖6所示。

由圖6可知，鋪裝層的上表面水平拉應(yīng)力最大，當(dāng)車速為 60 km/h時(shí)，最大水平拉應(yīng)力為 357.1 kPa；當(dāng)車速為 80 km/h時(shí)，最大水平拉應(yīng)力為 360.4 kPa；當(dāng)車速為 100 km/h時(shí)，最大水平拉應(yīng)力為 364.7 kPa。上面層和下面層的交界面以及下面層的底面產(chǎn)生水平壓應(yīng)力，在上面層和下面層的交界面位置，水平壓應(yīng)力最大。當(dāng)車速為 60 km/h時(shí)，最大水平拉應(yīng)力為 324.5 kPa；當(dāng)車速為 80 km/h時(shí)，最大水平拉應(yīng)力為 328.7 kPa；當(dāng)車速為 100 km/h時(shí)，最大水平拉應(yīng)力為 335.3 kPa。

水平應(yīng)力隨荷載的變化呈現(xiàn)半正弦的變化規(guī)律，當(dāng)車輛荷載到達(dá)峰值時(shí)，瀝青橋面鋪裝層中各個(gè)點(diǎn)的水平應(yīng)力均達(dá)到最大值，當(dāng)車輛荷載結(jié)束時(shí)，各點(diǎn)的水平應(yīng)力也趨近于0。與豎向位移和豎向應(yīng)力的規(guī)律類似，隨著車輛行駛速度的減小，車輛荷載作用在橋面的時(shí)間延長，對橋面的影響也隨之增大。

2.4 剪應(yīng)力分析

越來越多的研究表明，剪應(yīng)力也是導(dǎo)致瀝青橋面鋪裝層出現(xiàn)損壞的主要原因之一。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到不同行駛速度下的橋面鋪裝層表面荷載中心位置不同深度的剪應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，如圖7所示。

由圖7可知，隨著鋪裝層深度的增加，剪應(yīng)力呈先增大再減小的趨勢，其中最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在上面層和下面層的交界面上。當(dāng)車速為 60 km/h時(shí)，鋪裝層的上表面、上面層和下面層的交界面以及下面層底面的最大剪應(yīng)力值分別為 143.9 kPa、 230.1 kPa和 192.9 kPa；當(dāng)車速為 80 km/h時(shí)，鋪裝層的上表面、上面層和下面層的交界面以及下面層底面的最大剪應(yīng)力值分別為 145.8 kPa、 233.1 kPa和 196.8 kPa；當(dāng)車速為 100 km/h時(shí)，鋪裝層的上表面、上面層和下面層的交界面以及下面層底面的最大剪應(yīng)力值分別為 147.9 kPa、 234.6 kPa和 200.2 kPa。

剪應(yīng)力隨荷載的變化呈現(xiàn)半正弦的變化規(guī)律，當(dāng)車輛荷載到達(dá)峰值時(shí)，瀝青橋面鋪裝層中各個(gè)點(diǎn)的剪應(yīng)力均達(dá)到最大值，當(dāng)車輛荷載結(jié)束時(shí)，各點(diǎn)的剪應(yīng)力也趨近于0。

3 結(jié)語

本文依托某高速公路的瀝青橋面鋪裝混凝土連續(xù)箱梁橋?qū)嶋H工程，通過ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了瀝青橋面鋪裝層在行車荷載作用下的力學(xué)性能，主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)車輛荷載達(dá)到峰值時(shí)，橋面的豎向位移值達(dá)到最大。在不同的車輛行駛速度下，橋面在跨中位置的最大豎向位移值相差不大，隨著車輛行駛速度的減小，車輛荷載作用在橋面的時(shí)間延長，對橋面的影響也隨之增大。

（2）在不同的車輛行駛速度下，橋面鋪裝層的最大豎向應(yīng)力均出現(xiàn)在鋪裝層表面荷載中心位置，且隨著鋪裝層的深度逐漸增加而減小，不同的車輛行駛速度下橋面鋪裝層的最大豎向應(yīng)力數(shù)值相差不大。

（3）在車輛荷載下，橋面鋪裝層內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于其材料的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，鋪裝層就會(huì)出現(xiàn)裂縫，從而影響其使用壽命。水平應(yīng)力隨荷載的變化呈現(xiàn)半正弦的變化規(guī)律，當(dāng)車輛荷載達(dá)到峰值時(shí)，瀝青橋面鋪裝層中各個(gè)點(diǎn)的水平應(yīng)力均達(dá)到最大值，當(dāng)車輛荷載結(jié)束時(shí)，各點(diǎn)的水平應(yīng)力也趨近于0。

（4）在車輛荷載下，隨著鋪裝層深度的增加，剪應(yīng)力呈先增大再減小的趨勢，其中最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在上面層和下面層的交界面上。當(dāng)車輛荷載達(dá)到峰值時(shí)，瀝青橋面鋪裝層中各個(gè)點(diǎn)的剪應(yīng)力均達(dá)到最大值，當(dāng)車輛荷載結(jié)束時(shí)，各點(diǎn)的剪應(yīng)力也趨近于0。

參考文獻(xiàn)

［1］周 霄，李修坤，雷紅堯.環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝在大跨徑鋼箱梁懸索橋中的應(yīng)用［J］.公路，2021，66（7）：100-104.

［2］方 金，范 亮，楊未蓬.鋼橋面板在高溫混合料攤鋪時(shí)溫度效應(yīng)參數(shù)分析［J］.公路，2022，67（2）：130-137.

［3］魯 立.基于兩種防水材料的橋面防水粘結(jié)層性能研究［J］.北方交通，2022（4）：33-36.

［4］王振宇，鹿天豪，史文華.車致振動(dòng)下簡支梁橋鋪裝層界面剪切作用［J］.土木工程與管理學(xué)報(bào)，2022，39（3）：68-74.

［5］萬 寧，賀求生，張 爍，等.橋面鋪裝用聚氨酯/環(huán)氧樹脂改性瀝青的性能研究［J］.公路交通科技，2022，39（6）：73-81.

［6］李清華，李銀山.水泥混凝土橋面薄層瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)研究［J］.西部交通科技，2022（7）：151-154.

［7］漆世虎，杜展展，祁浩東.市政彎坡組合鋼箱梁橋面瀝青鋪裝層力學(xué)響應(yīng)研究［J］.建材世界，2022，43（4）：53-56.

收稿日期：2022-10-20