中小跨徑梁橋瀝青混凝土鋪裝層最小厚度研究

王亞玲，王彥志，郝凱榮，蔣興法

（1.長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.赤承高速公路建設項目管理辦公室，內蒙古 赤峰 024000；3.內蒙古交通設計研究院有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010000）

橋面鋪裝是橋梁行車道系的重要組成部分，它的質量好壞和使用耐久性直接影響到行車的安全性、舒適性、耐久性和投資效益。針對內蒙古地區嚴寒多變的氣候特征，建立適宜溫度場導入的有限元實體模型，通過計算與分析鋪裝體系參數，即鋪裝層模量和厚度變化對鋪裝層受力的影響，以及防水粘結層模量和厚度的變化對鋪裝層受力的影響，確定瀝青混凝土橋面鋪裝層的層間工作狀態，提出中小跨徑梁橋瀝青混凝土鋪裝層最小厚度，為實體工程提供理論依據。

1 有限元模型的建立

1.1 模型選擇

由于水泥混凝土橋面板的剛度巨大，可對瀝青鋪裝層形成強有力的支撐面，因此車輛荷載作用位置以及橋梁結構形式的變化，對鋪裝層內部的應力影響很小。也就是說，這兩者所造成的差異基本可以忽略，中小跨徑水泥混凝土橋梁瀝青鋪裝層完全可以視為鋪筑于剛性支撐之上[1]。因此，計算分析采用基于實際中小跨徑梁橋的統一的空間實體模型，對于鋪裝層采用20節點的實體單元SOLID95模擬；橋梁上部結構采用8節點實體單元SOLID45模擬（見圖1）。邊界條件為：底面上沒有z方向位移，左右兩面沒有x方向位移，前后兩側沒有y方向的位移。層間連續接觸時采用耦合處理（上下對應節點位移一致）。

1.2 基本參數

圖1 有限元計算模型

根據依托工程的實際情況及《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2004）[2]車輛荷載采用標準車型BZZ—100，軸重100kN，輪壓為0.7MPa，雙輪間距28.9cm。按面積等效的原則將雙輪荷載轉換為18.9cm×18.9cm的正方形，接觸面積為357.21cm2，保持兩輪中心間距1.8m不變，荷載分布在跨中的最不利位置。摩擦系數f取0.5[3]。

表1 材料基本參數

表2 結構尺寸及荷載基本參數

1.3 溫度場的計算

內蒙古地區屬半干旱季風氣候區，極端最高氣溫為42.5℃，月平均最高氣溫為31.8℃，極端最低氣溫為－31.4℃，月平均最低氣溫為－20.9℃。全年氣溫差距較大，溫度對橋面鋪裝層有著不可忽略的影響。因此需要將溫度對鋪裝結構層的影響加入到結構應力計算中。

將項目所在地區的溫度狀況編輯成函數導入至原計算模型中[4]，計算模型在5年內的溫度變化狀況，直至溫度場達到穩定，提取穩定的溫度場導入原結構計算模型進行計算[5]（如圖2所示）。

圖2 溫度場計算模型

2 瀝青混凝土鋪裝層厚度對鋪裝層層間受力的影響

在分析鋪裝層厚度對層間應力影響時，分別按鋪裝上層和鋪裝下層厚度各自獨立變化進行。其中，在進行鋪裝上層變化影響分析時，固定鋪裝下層厚度為5cm，鋪裝上層的變化范圍取2～7cm；同理，在進行鋪裝下層變化影響分析時，固定鋪裝上層厚度為4cm，鋪裝下層的變化范圍取3～8cm。

2.1 瀝青混凝土鋪裝層上面層厚度對鋪裝層受力的影響

鋪裝層上面層不同厚度的法向拉拔力、層間最大剪應力計算結果變化曲線如圖3～圖4所示。

圖3 拉拔力隨上面層厚度變化圖

圖4 剪應力隨上面層厚度變化圖

由圖3和圖4可知，鋪裝層各層間拉拔力、剪應力隨著上面層厚度的增加均有明顯的下降趨勢，2～4cm下降過程更為明顯，適當增加上面層厚度對改善鋪裝層的結構應力狀態有良好的作用。

2.2 瀝青混凝土鋪裝層下面層厚度對鋪裝層受力的影響

鋪裝層上面層不同厚度的層間最大剪應力、法向拉拔力計算結果變化曲線如圖5～圖6所示。

圖5 拉拔力隨下面層厚度變化圖

圖6 剪應力隨下面層厚度變化圖

由圖5和圖6可知，鋪裝層各層間拉拔力、剪應力隨著下面層厚度的增加均有明顯的下降趨勢，3～6cm下降過程更為明顯，適當增加下面層厚度對改善鋪裝層的結構應力狀態有積極的作用。

2.3 瀝青混凝土鋪裝層最佳厚度比的確定

由上述結論可知，隨著鋪裝層厚度的增加，鋪裝層的結構受力狀況可以得到改善，但由于經濟、施工等多方面的原因不可無限制地增加鋪裝層的厚度來改善橋梁鋪裝層的受力狀況。因此，現取7種瀝青混凝土鋪裝層上、下面層不同的厚度比來確定瀝青混凝土鋪裝層上下面層的最佳厚度比。厚度比如表3所示，計算結果變化曲線如圖7～圖8所示。

表3 瀝青混凝土鋪裝層上、下面層厚度比

圖7 不同厚度比時拉拔應力比較圖

圖8 不同厚度比時剪應力比較圖

由圖7和圖8可以看出厚度比代號1～7所對應的鋪裝層各層間的拉拔應力和剪應力都大致呈先減小后增大的趨勢，其中代號3、4、5所對應的鋪裝層各層間應力均有較小值。這表明：當厚度比對應代號為3、4、5，即鋪裝上、下層厚度比分別取4／6、5／5、4／5時，鋪裝層的各項控制指標可取得較小值，使鋪裝層結構具有良好的受力狀態。

綜合以上分析，兼顧到鋪裝各層的受力特性、應力分布規律，為了能獲得較好的結構性能，又能達到減輕橋梁自重的目的，確定瀝青混凝土鋪裝層上、下面層合理的厚度比可取4／5，即瀝青混凝土鋪裝層合理的最小厚度宜為9cm。

3 瀝青混凝土鋪裝層模量對鋪裝層受力的影響

為分析鋪裝層模量對層間受力的影響，分別按鋪裝上層和鋪裝下層模量各自獨立變化進行。其中，在進行鋪裝上層模量變化影響分析時，固定鋪裝下層模量為1600MPa，鋪裝上層的模量分別取1200MPa，1400MPa，1600MPa，1800MPa，2000MPa；同理，在進行鋪裝下層模量變化影響分析時，固定鋪裝上層模量為1600MPa，鋪裝下層的模量分別取1200MPa，1400MPa，1600MPa，1800MPa，2000MPa。

3.1 鋪裝層上面層模量對鋪裝層受力的影響

瀝青鋪裝層上面層厚度取為4cm，下面層為5cm，其他條件如前。有限元理論計算結果如圖9、圖10所示。

圖9 拉拔力隨上面層模量變化圖

圖10 剪應力隨上面層模量變化圖

由圖9～圖10可以看出，鋪裝層各層間拉拔力隨著上面層模量的增加呈現輕微的增長趨勢，增長幅度均不超過7%。上、下面層層間剪應力τxyC、τyzC隨著上面層模量的增加呈增長趨勢，增長幅度為8.8%，7.9%；而τxyU、τyzU以及τxyD、τyzD隨著上面層模量的增加呈減小趨勢，減小幅度為均不超過4%，變化幅度不是特別明顯。

3.2 鋪裝層下面層模量對鋪裝層受力的影響

同樣瀝青鋪裝層上面層厚度取為4cm，下面層為5cm，其他的條件如前。有限元理論分析計算結果見圖11～圖12。

圖11 拉拔力隨下面層模量變化圖

圖12 剪應力隨下面層模量變化圖

3.3 瀝青混凝土鋪裝層最佳模量組合的確定

由上述結論可知，瀝青混凝土鋪裝層的模量變化對鋪裝層各層間拉拔力影響不大，但是對層間剪應力的影響有些是不可忽略的，通過考慮各層間的受力平衡可將瀝青混凝土鋪裝層上、下面層的模量取值范圍進一步縮小1400 ～1800MPa，可得到9種瀝青混凝土鋪裝層上、下面層的模量比如表4所示，計算結果變化曲線如圖13～圖14所示。

表4 瀝青混凝土鋪裝層上、下面層模量比

圖13 不同模量比時的拉拔應力

圖14 不同模量比時剪應力比較

由圖13和圖14可以看出，模量比代號1～9所對應的鋪裝層各層間的拉拔應力大致呈一種先增大后減小的趨勢，而模量比代號1～9對應的鋪裝層各層間的剪應力則呈現一種先減小后增大的趨勢，綜合考慮到拉拔應力和剪應力的影響規律可知其中代號3、4、7所對應的鋪裝層各層間應力均為較小值。這表明，當模量比對應代號為3、4、7，即鋪裝上、下層模量比分別取1400／1800、1600／1800、1600／1600時，鋪裝層的各項控制指標取得較小值，鋪裝層結構具有良好的受力狀態。

4 防水粘結層參數對層間應力的影響

水的滲入是導致混凝土橋梁結構破壞的最直接和最主要的原因之一。對于橋面鋪裝層間結構，層間除了設計完善的排水體系外，也要重視防水層的作用。此外，現在混凝土橋梁建設時為方便施工，一般將防水層和粘結層相結合，防水層兼有粘結作用，使橋面板和瀝青混凝土協同工作。因此，層間防水粘結層對橋面板和鋪裝層間加鋪柔性防水層能有效阻擋水分進入橋梁主體，同時還起著粘結上下層的作用，所以防水層在整個橋面系統中有著舉足輕重的作用[6]。

4.1 防水粘結層厚度變化對鋪裝結構層間應力的影響

選取防水粘結層厚度分別為3～7mm進行計算分析，結果見圖15～圖16。

圖15 層間拉拔應力隨防水層厚度變化圖

圖16 層間剪應力隨防水層厚度變化圖

4.2 防水粘結層模量變化對鋪裝結構層間應力的影響

選取防水粘結層模量分別為50MPa，100MPa，150MPa，200MPa，250MPa進行計算分析，結果如圖17～圖18所示。

圖17 層間拉拔應力隨防水層模量變化圖

圖18 層間剪應力隨防水層模量變化圖

由圖17～圖18可知，鋪裝層各層間的拉拔力隨防水層模量的增加變化幅度不大，均不超過10%。上、下面層剪應力τxyC、τyzC隨著防水粘結層模量的增加呈減小趨勢，減小幅度為31.1%、32.2%；而τxyU、τyzU以及τxyD、τyzD則呈明顯增大趨勢，增長幅度均大于50%，變化非常的明顯。因此在選擇防水粘結層模量時需要慎重的選擇，根據防水粘結層模量對鋪裝層層間應力的影響規律防水粘結層的模量可取100～200MPa。

5 結論

5.1 運用有限元分析軟件ANSYS對橋面鋪裝層厚度變化的應力計算，以及最佳厚度比的計算分析可得上、下層厚度比取4／6、5／5、4／5時，鋪裝層結構的受力狀態較好。為了能獲得較好的結構性能，又能達到減輕橋梁自重的目的及實踐經驗，確定瀝青混凝土鋪裝層上、下面層的厚度比為4／5，瀝青混凝土鋪裝層合理最小厚度為9cm。

5.2 通過瀝青混凝土鋪裝層模量對鋪裝層層間受力的計算分析以及最佳模量比的確定，可得模量比對應代號為3、4、5即鋪裝上下層模量比分別取1400／1800、1600／1800、1600／1600時，鋪裝層的各項控制指標取得較小值，鋪裝層結構具有良好的受力狀態。

5.3 通過對防水粘結層參數對層間應力的計算分析，可得防水粘結層厚度對鋪裝層層間應力的影響規律從而確定防水粘結層的厚度可取5mm。以及防水粘結層厚度對鋪裝層層間應力的影響規律可得防水粘結層的模量取100～200MPa。

[1]陳太泉.水泥混凝土橋瀝青鋪裝層力學分析與設計[D].武漢：武漢理工大學，2007.

[2]JTG D60—2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[3]張占軍，胡長順.水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝結構設計方法研究[J].中國公路學報，2001，（1）：56-59.

[4]王建江，胡仁喜，劉英林.ANSYS11.0結構域熱力學有限元分析實力指導教程[M].北京：機械工業出版社，2008.

[5]艾長發，邱延峻，毛成.不同瀝青混凝土路面結構的大溫差溫度行為分析[J].公路，2008，（4）：14-19.

[6]張益.瀝青混凝土橋面鋪裝防水性能研究[D].西安：長安大學，2008.