水泥混凝土彎坡斜橋瀝青混凝土鋪裝結構力學特性研究

陳勇鴻，黃仁國，胡 冰

(湖南省婁新高速公路建設開發(fā)有限公司，湖南婁底 417000)

水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝層破壞常表現為層間剪切破壞、起皮擁抱，縱橫裂縫等。結合橋梁結構理論和路面設計的方法，根據不同的橋梁形式以及具體結合湖南省婁新高速公路部分水泥混凝土橋特大橋縱坡大且平面線形為彎坡斜橋，用有限元方法空間進行實體建模，根據其破壞特征，對汽車荷載作用下水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝層層間剪應力、法向分離拉拔力以及接觸層間摩擦滑動算和受力機理分析，為深入開展適用于湖南婁新高速公路水泥混凝土彎坡斜橋瀝青混凝土鋪裝層間處置研究提供理論依據。

1 基本假設和模型建立

1.1 基本假設

1)橋梁梁體、鋪裝層和防水層都處于無裂縫工作狀態(tài)。

2)所有材料符合線彈性假設。

3)鋪裝層、防水層和橋梁主體一起承受汽車荷載作用。

4)除接觸分析外，鋪裝層、橋面板和防水層間完全連續(xù)接觸。

5)在層間接觸分析中，假設接觸層間摩擦滑動。

1.2 有限元分析模型

1.2.1 單元選用

計算分析采用空間實體建模，對于鋪裝層、橋梁上部結構、橋梁附屬結構物如支座均采用8節(jié)點實體單元SOLID45模擬。單元的每個節(jié)點有3個平動自由度 UX，UY，UZ。

1.2.2 力學模型和有限元分析模型

考慮湖南婁新高速公路建設中彎坡斜橋主要采用T形梁橋的結構形式以及特大橋主要采用箱梁結構形式，根據婁新高速橋梁特點，選取不同橋型具有代表性尺寸，橋梁尺寸見表1，橋梁體、鋪裝層和支座采用空間八節(jié)點實體單元模擬。邊界條件為橡膠支座支撐下的簡支梁和連續(xù)梁，不考慮橋梁下部結構。經比較分析，連續(xù)梁遠離負彎矩區(qū)劃分至100 cm，單元數最多86 432個，節(jié)點數103 318(連續(xù)四跨T梁8 cm鋪裝層包括防水層時)。層間連續(xù)接觸時采用耦合處理(上下對應節(jié)點位移一致)，滑動摩擦接觸時采用接觸分析。

表1 不同橋型尺寸

1.3 荷載及基本參數確定

1.3.1 縱橫向布載形式

根據《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTJ 021－89)(簡稱橋規(guī))，取荷載組合為:汽車 +制動力+沖擊力。采用汽超－20雙車隊單向并排行駛，分析比較鋪裝層拉應力、接觸層間剪應力，確定按照橫向偏載和使跨中彎矩最大的組合布載。

1.3.2 車輪接地形式

采用雙輪接地形式，橋規(guī)規(guī)定重輪接地面積0.2 m×0.6 m，但過于籠統，參照有關研究成果:對于車輪接地面積可采用公式A=0.008P+15和p=P/A確定A和p(A為輪胎接地面積，P為軸重，p為輪胎接地壓強)。跨中140 kN重軸車輪接地形式確定為:雙輪接地，單輪寬18 cm，輪隙10 cm，接地長24 cm，接地壓強0.91 MPa(考慮沖擊作用，表2)。荷載組合根據橋規(guī)取汽超－20+制動力 +沖擊力，假定有一輛重車緊急制動，取制動系數0.5(重力的倍數)。

1.3.3 材料基本參數

見表3。

表2 不同軸重對應的單輪接地面積和接地應力

表3 材料基本參數

2 瀝青混凝土鋪裝結構荷載應力分析

2.1 瀝青混凝土模量對鋪裝結構受力的影響

瀝青混凝土鋪裝層模量隨外界氣溫變化和荷載作用時間的改變變化很大，溫度越高，模量越低;溫度越 低，模 量 越 高。以 500、1 800、5 000、20 000 MPa作為4個模量代表值。計算箱梁鋪裝層在不同模量狀態(tài)下的拉應力表明(圖1):在模量低于5 000 MPa時，拉應力最大值σ1由汽車制動直接產生，隨著鋪裝層厚度增大而增大(變形增大);當模量較高時(≥5 000 MPa)，隨著厚度增加σ1減小，對于箱梁最大值出現在肋板梗翼和頂面板交接的變厚度位置;對于T梁最大值在翼緣板相接的位置，肋板頂面σ1也比較大。模量越大，應力越大。

圖1 不同模量時鋪裝層頂面拉應力與鋪裝層厚度的關系

對跨中段分析知簡支橋梁相對連續(xù)梁層間剪應力和鋪裝層頂面拉應力都要大，層間τyz最大值在重車后軸140 kN車輪底靠前，τxy最大值在車輪橫向邊緣，向外側迅速減小，局部效應明顯。從表4的計算結果知:AC模量對影響很小;AC模量從150 MPa到 20 000 MPa，增大 48.56%，增大16.905%增大24.32%增大16.562%，影響較大。見圖2～圖4。

表4 鋪裝層和防水層間應力隨AC模量變化

圖2 應力值隨模量變化曲線圖

圖3 應力值隨模量變化曲線

圖4 應力值隨模量變化曲線

2.2 不同作用狀態(tài)下鋪裝層應力比較分析

以簡支箱梁10 cm鋪裝層為分析對象，對不同條件下的鋪裝體系分別進行計算比較。彎坡斜橋的平面線形為彎坡斜橋同時縱向又位于長下坡(豎曲線)末端，車輛駛入該路段時，一般需經過高速(制動)— 低速(加速)— 高速的過程，在轉彎上坡時，鋪裝層除承受上述剪應力外，還將承受離心力和重力的作用，并在鋪裝層中產生指向路緣的橫橋向剪應力和指向下坡的順橋向剪應力，再加上轉向行駛，車輛對路面的剪應力急劇增加，加大了鋪裝層的破壞。

2.2.1 有無制動力的影響

在制動作用下，τxy、τyz都比無制動時要大，σy相差很小。無制動時，橫橋向剪應力τxy大于縱橋向τyz，有制動時恰恰相反(表5)。

2.2.2 設有縱坡的橋梁橋面鋪裝層

當橋梁處在路線縱坡段時，橋面板承受法向壓力減小導致橫向變形減小、而順橋向水平力(制動力和重力分量的綜合)增大。隨著縱坡增大，鋪裝層表面順橋向剪應力、拉應力增大;層間拉應力σy、隨縱坡增大而減小(見表6)。

2.2.3 曲線梁橋鋪裝層

簡支梁箱梁處在半徑R=400 m，超高4%的圓曲線段，車速80 km/h，布載方式同直線橋梁，離心力0.102 1 MPa。計算得鋪裝層表面水平面內最大合成剪應力0.449 MPa，稍大于順橋向剪應力，偏離行車方向11.810;鋪裝層和防水層間最大剪應力合成值0.285 3 MPa，相對順橋向剪應力相差很小。層間法向拉拔力和直線梁橋相比變化很小，可以忽略(表7)。

表5 制動力對鋪裝層的影響MPa

表6 縱坡對鋪裝結構受力的影響MPa

表7 曲線梁橋鋪裝層MPa

3 小結

通過針對不同橋型空間實體建模，分析水泥混凝土橋瀝青混凝土鋪裝層汽車荷載作用下受力規(guī)律，得出以下主要結論:

1)鋪裝層模量變化對層間法向拉拔力影響很小，對層間剪應力影響較大。

2)當鋪裝層模量較低，最大拉應力由制動力直接產生;模量較高時，T梁在翼緣板交接處和肋板頂面產生很大橫橋向拉應力，箱梁在頂面板變厚度處(肋板旁梗翼)對應鋪裝層產生很大橫橋向拉應力，易導致縱向裂縫。在T梁翼緣板交接處橫橋向與順橋向剪應力也都較大，所以要特別注意增強T梁之間的接縫處理來提高橫向穩(wěn)定性。

3)不考慮制動力時，橫橋向剪應力大于縱橋向剪應力;考慮制動力時，橫橋向剪應力小于縱橋向剪應力。

4)縱坡橋梁鋪裝層相對平坡而言，主要是在制動力作用下鋪裝層頂面出現較大順橋向剪應力，所以要注意加強鋪裝層表面抗滑和耐磨性能。

5)曲線橋梁層間應力相對直線橋梁鋪裝層而言，受力差別不明顯。

［1］錢振東，黃 衛(wèi)，茅 荃，等.南京長江第二大橋鋼橋面鋪裝層受力分析研究［J］.公路交通科技，2001(6):43 －46.

［2］謝水友.車輪荷載接地研究［D］.西安:長安大學，2003.

［3］張占軍.水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝結構研究［D］.西安:長安大學，2000.