縱坡坡度對同步碎石防水粘結層橋面鋪裝影響的分析

童申家,高 健

(西安建筑科技大學土木工程學院,陜西西安710055)

1 概 述

同步碎石防水粘結層近年來在公路鋪裝上的應用越來越普遍,其優點在于同步碎石施工時的單機作業,實現了秒差鋪筑,使瀝青的溫度損失大為減少,增加了石料的覆蓋面積與浸潤高度,二者牢固粘結[1],作為應力吸收層具有抗變形能力強和模量低的特點[2],使防水粘結質量大為提高。通過調查,發現橋面鋪裝在大縱坡情況下出現了早期車轍破壞和水損壞(坑槽)的現象普遍存在[3]。

本文通過對采用同步碎石防水粘結層的橋面鋪裝的有限元分析,研究了在橋面縱坡變化的情況下,鋪裝層各層間的剪應力、拉應力的分布規律。

2 工程概況

某三跨等截面連續箱梁橋,主梁采用分離式雙箱結構。橋梁全長160 m,跨徑組合及截面尺寸如圖1所示。此橋在橋寬方向分為雙向四車道,瀝青混凝土橋面鋪裝采用6cmAC-20和4cmAC-13的結構組合。

3 計算模型

采用三維有限元方法建立計算模型。梁體與兩層鋪裝采用八節點四面體實體單元(solid45)模擬;防水粘結層采用殼單元(shell63)[4]模擬。由《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-20)[5],采用的相應材料物理指標如表1所示。

圖1 模型尺寸示意圖(單位:cm)

表1 橋面板和鋪裝層各結構材料的主要指標

對所建模型采用如下假定:

(1)鋪裝層材料的線彈性假定:一般認為瀝青混合料是一種典型的彈、粘、塑性綜合體,在低溫小變形范圍內接近線彈性體。由于瀝青混合料在低溫和短暫荷載作用下符合線彈性,因此本文假定瀝青混合料是均勻的、連續的、各項同性的線彈性材料。

(2)界面連續假定:所有層間完全連續。

(3)水泥混凝土材料特性的假定:混凝土材料是均勻的、連續的、各向同性的線彈性材料。

(4)不計重力的影響:瀝青混凝土的施工都是在橋梁的主體結構完成之后鋪筑。所建有限元模型如圖2所示,網格劃分采用映射網格劃分。

圖2 所建有限元模型

4 路面縱坡坡度對鋪裝層各層應力的影響

計算中采用橋規中規定的后軸車輪接地形式,輪胎接觸壓力取0.7 MPa。水平荷載僅考慮輪胎與鋪裝之間的摩擦力,即為垂直荷載乘以車輪與橋面之間的摩擦系數f,f=0.5時表示緊急制動,適于用正常路段,故計算中取 f=0.5[6]。車輛荷載平面尺寸如圖3所示。

由于荷載關于橋中線對稱,故加載時,在橫橋向將荷載分別布置在左幅一、二車道,如圖荷位一和荷位二所示,考慮車輛行駛時有超車現象,取荷位三在箱梁兩腹板之間的中間位置。如圖4所示。

圖3 車輛荷載的平面尺寸(單位:cm)

圖4 荷載橫向分布圖(單位:cm)

荷載在縱橋向的具體位置以后軸中心處距支座一的距離來標識,分別為 7 510 cm、7 930 cm、8 430 cm 、8 930 cm 、9 430 cm 、10 510 cm 、10 930 cm 、11 410 cm 、11 910 cm 、13 010 cm 、13430 cm 、14 610 cm 。 以這12個位置[7]布載和橫橋向的三個荷位布載。

經計算比較各鋪裝層層間的最大剪應力,最大橫向拉應力和最大縱向拉應力隨荷位的變化發現其最大值分別發生在橫橋向荷位三、縱橋向兩后軸中心距支座一11 410 cm處;橫橋向荷位一、縱橋向兩后軸中心線在支座三處;橫橋向荷位二、縱橋向邊跨跨中處。

分別計算縱坡坡度在0、3%、4%、5%車輛在坡道行駛情況下,鋪裝層各層最大剪應力,最大縱向拉應力和最大橫向拉應力在其最不利位置處的變化。結果如圖5所示。圖中位置1、位置2和位置3分別對應防水粘結層與上層鋪裝間、上層鋪裝與下層鋪裝間和上層鋪裝表面三個位置。

由圖5可知:車輛上坡時鋪裝層層間的最大剪應力、最大橫向拉應力和最大縱向拉應力都隨坡度的增大而增大,但增加的幅度很微小。分析其原因除了與結構和材料參數有關外主要是車輛在坡道行駛時,其在垂直于坡道上的力Q1與在平坡道上的豎直力G相當,而在坡道切向上的力Q2則是車輛重力坡道切向的分力與摩擦力的迭加要大于平坡道上的水平力Gf,且坡度越大Q2越大。

即:

其中:θ為縱坡坡度;f為摩擦系數。

圖5 車輛坡道行駛時縱坡坡度對鋪裝層各層應力最大值的影響規律

在縱坡坡度為5%時,防水粘結層與下層瀝青鋪裝層間的最大剪應力達到655.17 Pa,最大縱向拉應力達到514.38 Pa,最大橫向拉應力達到1 361.9 Pa;下層瀝青鋪裝與上層瀝青鋪裝間最大剪應力,最大縱向拉應力和最大橫向拉應力分別達到4 762.3 Pa,9 810 Pa和19 402 Pa;上層瀝青鋪裝表面三種應力的最大值則分別達到 19 619 Pa,50 447 Pa和27 568 Pa。可見,對于防水粘結層與下層瀝青鋪裝之間和上層瀝青鋪裝表面主要要控制橫向受拉破壞,而上下層瀝青鋪裝間主要控制縱向受拉破壞。

5 結 語

利用大型通用有限元軟件對采用同步碎石防水粘結層的橋面鋪裝進行了相關力學計算分析,結果表明:

(1)荷載最不利位置的確定:層間最大剪應力最不利位置在橫橋向荷位三、縱橋向兩后軸中心距支座一11 410 cm處;層間最大縱向拉應力最不利位置在橫橋向荷位一、縱橋向兩后軸中心線在支座三處;層間最大橫向拉應力最不利位置在橫橋向荷位二、縱橋向邊跨跨中處。

(2)對于同步碎石防水粘結層,鋪裝層各層間最大剪應力、最大縱向拉應力和最大橫向拉應力分布與各層的回彈模量的大小成正相關,即回彈模量越大,各層層間的各項應力越大。

(3)在車輛坡路行駛路段,隨著坡度的增加鋪裝層各項應力隨之微小增加。

(4)計算得出最大坡度下各鋪裝層之間的每種應力最大值,對于防水粘結層與下層瀝青鋪裝之間和上層瀝青鋪裝表面主要要控制橫向受拉破壞,而上下層瀝青鋪裝間主要控制縱向受拉破壞。

[1]楊育生,李振霞,王選倉.橋面鋪裝同步碎石防水粘結層的路用性能[J].長安大學學報(自然科學版),2009,29(6):19-23,58.

[2]李兵,袁美俊.同步碎石應力吸收層合理模量及厚度的確定[J].中外公路,2010,30(3):318-322.

[3]張媛,鄒桂蓮.長大縱坡的瀝青路面受力研究[J].科學技術與工程,2010,10(22):5581-5583.

[4]何亞斌,童申家,溫娟.混凝土連續梁橋瀝青鋪裝有限元分析[J].交通科技與經濟,2009,11(4):39-41.

[5]JTG D50-2006.公路瀝青路面設計規范[S].北京:人民交通出版社,2006:61-62.

[6]王涓.水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝防水粘結層的性能研究[D].南京:東南大學,2003:15.

[7]王偉廣.橋面鋪裝層試驗研究與受力分析[D].天津:河北工業大學,2006:30-31.