帶裂縫橋面鋪裝內部動水行為仿真模擬

萬晨光， 申愛琴， 王德強

(長安大學 公路學院，西安 710064)

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帶裂縫橋面鋪裝內部動水行為仿真模擬

萬晨光， 申愛琴， 王德強

(長安大學 公路學院，西安 710064)

為了解帶裂縫橋面鋪裝在內部動水壓力作用下的力學響應情況，采用LS-DYNA有限元分析軟件，建立瀝青鋪裝層內部飽水裂縫模型，施加車輛正弦動態荷載，對內部動水行為進行流固耦合仿真模擬分析. 結果表明：車輛動載作用下，飽水微裂縫所受最大壓、剪應力均位于裂縫尖端，而最大拉應力則位于裂縫周圍；飽水裂縫尖端最大壓、剪應力與車速和荷載水平都有很好的線性相關性，在120 km/h速度、1.5 MPa荷載水平下，X、Y向最大壓應力和最大剪應力分別達到0.472、1.101、0.361 MPa，在如此大應力反復作用下微裂縫將迅速擴展，加速鋪裝結構破壞. 導致瀝青鋪裝層內飽水微裂縫擴展、惡化的最主要因素是車輛的超載，交通管理部門應嚴格限制超載超限車輛的上路.

橋面鋪裝；水損害；裂縫；動態荷載；內部動水壓力

水泥混凝土橋橋面鋪裝典型結構由水泥混凝土調平層、防水粘結層和瀝青鋪裝層組成[1]. 近年來，隨著車速的普遍提高和貨車載重量的增加，由水引起的早期病害在橋面鋪裝常見病害中所占比重越來越大[2-3]. 橋面鋪裝水損害，主要是指橋面鋪裝表面自由水在車輛荷載作用下產生動水壓力，并逐步穿透集料表面瀝青膜，導致瀝青膜從集料表面脫落、集料間喪失粘結力，或者水分直接滲入調平層，腐蝕調平層配筋而產生破壞的過程[4]. 鋪裝結構上動水行為有兩種方式[5]：一是鋪裝層表面自由水在車輛荷載作用下產生的表面動水壓力；二是通過空隙或裂縫滲入鋪裝層內部的自由水，在車輛荷載作用下產生內部動水壓力，兩種方式同時作用，加速鋪裝結構破壞.

關于動水壓力的試驗測定，目前還沒有一種準確、規范且被廣泛應用的方法，相關研究主要采用有限元法[6]. 同時，現階段關于橋面鋪裝動水行為的研究，主要集中在表面動水壓力以及結構層層間動水壓力[6-7]，對于瀝青鋪裝層內部動水行為還鮮有研究. 為此，本文將在鋪裝結構內部動水壓力破壞機理及影響因素分析的基礎上，采用LS-DYNA有限元分析軟件，建立橋面鋪裝瀝青鋪裝層內部飽水裂縫模型，對內部動水行為進行流固耦合仿真模擬.

1　內部動水壓力作用機理及影響因素

已有研究[4,8-9]成果表明，內部動水壓力對鋪裝結構的破壞作用遠大于表面動水壓力. 表面動水壓力的作用更多體現在將表面自由水，通過空隙或微裂縫壓入鋪裝結構內部，然后在內部動水壓力的作用下使瀝青鋪裝層相繼出現斑狀泛油、內部松散、開裂、坑槽等病害[10]. 內部動水壓力首先會擊穿集料表面的瀝青膜，造成瀝青結合料與集料的粘附性降低，嚴重時甚至從集料表面剝落而成為自由瀝青在水中自然上浮，自由瀝青在車輛輪胎經過和離開時產生的沖刷和真空抽吸作用下[10]，逐漸向鋪裝結構表面遷移、積聚并形成斑狀泛油現象.

隨著自由瀝青的向上遷移，瀝青鋪裝層內部集料間的粘結力、瀝青混凝土強度都會逐漸降低，且泛油越嚴重，粘結力與強度的喪失就越多. 此時，在車輛荷載以及溫度荷載的作用下，鋪裝結構內部松散或表面開裂就出現了. 鋪裝結構內部松散的發生使瀝青鋪裝層的有效厚度減小，降低了橋面鋪裝的整體抗力. 隨著內部松散的繼續發展，瀝青鋪裝上層會出現裂塊很小的開裂，開裂進一步加快了瀝青鋪裝下層的松散進程，并最終導致瀝青鋪裝層出現坑洞. 所以，瀝青鋪裝層出現的斑狀泛油、內部松散、開裂和坑洞是一個完整的水損害過程，這是動水壓力沒有穿透瀝青鋪裝層時的情況. 當瀝青鋪裝層存在貫穿裂縫或整體空隙率太大時，動水壓力將穿透整個瀝青層到達混凝土調平層表面，當調平層因為干縮或溫縮而存在裂縫時，水會進入調平層并腐蝕調平層鋼筋，進而使調平層產生更大的開裂. 同時，動水壓力對調平層的沖刷作用還會帶走部分細料，在車輛輪胎過后的抽吸作用下細料被帶至表面形成泛白病害，影響汽車駕駛員的觀感. 國內外基于多孔介質理論的研究發現，車速和荷載是影響路面結構內部孔隙水壓力的最主要因素[4,7]. 因此，本文著重分析車速和荷載對鋪裝結構內部動水壓力的影響.

2　模型的建立及參數的設置

2.1模型及邊界條件

本文運用LS-DYNA有限元分析軟件，對存在于瀝青鋪裝上層中部的飽水裂縫建立二維有限元模型，微裂縫長度取為0.008 m，與水平方向傾角為10°，采用ALE(arbitrary La-grangian-Eulerian)流固耦合方法進行分析. 由于裂縫尺寸微小，為了盡可能減小模型邊界條件對計算結果的影響，經各方面綜合考慮及試算[6]，將模型尺寸取為0.1 m×0.04 m. 模型中，水和瀝青鋪裝上層材料均采用實體歐拉單元，同時采用*MAT_NULL空白材料模型來模擬動水壓力的作用. 瀝青鋪裝及裂縫模型如下圖1所示.

(a)劃分網格前

(b)劃分網格后

(1)

式中：C為us-up曲線截距，在此取C=1 480 m/s；s1、s2、s3為us-up曲線斜率系數，分別取s1=2.56，s2=-1.986，s3=0.226 8；γ0為Gruneisen常數，取γ0=0.50；α為γ0一階體積修正；μ=ρ/ρ0-1；E=2.859×10-6[11].

模型中瀝青鋪裝層密度取2 400 kg/m3，厚度為4 cm，彈性模量取1 400 MPa，泊松比取0.25，模型中各材料單元均采用Plane162. 模型邊界條件設置為：左右兩側邊界無約束，下邊界為全約束，即認為瀝青鋪裝下層、混凝土調平層和橋面板對裂縫區域受力無影響，而模型上邊界施加均布車輛荷載[6].

2.2車輛動態荷載描述

目前，對于橋面鋪裝結構的受力分析多以靜荷載為主，而實際情況則是在車輛行駛過程中，鋪裝結構表面的不平整會使車輛輪胎對鋪裝結構產生振動沖擊作用，進而使輪胎的接地壓力瞬間增大，加速鋪裝結構的破壞. 黃立葵等[12]對車輛動荷載進行了深入研究，建立了荷載與平整度、車速的關系，并提出了動荷系數的概念，其計算公式為

(2)

式中：D為動荷系數；v為車速，km/h；a為表征路表平整度的量，新建路面取a=0.035.

為了盡可能真實的模擬車輛動荷載的作用，本文應用穩態正弦波動荷載來表征車輛動態荷載，計算公式為

(3)

式中：pt為不同時刻的車輛荷載，MPa；pmax為動荷載峰值，MPa，由pmax=p·D來確定，其中p為靜荷載；T為荷載作用周期，s，由T=12R/v來確定，其中R為輪胎接地等效圓半徑，v為車速，60、80、100、120 km/s車速所對應的荷載作用周期分別為0.076、0.057、0.046、0.038 s. 不同靜荷載條件下的荷載峰值見表1所示.

表1不同靜載條件下的動載峰值

Tab.1Peak value of dynamic load under different static load conditions

車速/(km·h-1)pmax/MPa0.7MPa0.9MPa1.1MPa1.3MPa1.5MPa600.8891.1431.3971.6511.905800.9171.1791.4411.7031.9651000.9451.2151.4851.7552.0251201.0011.2871.5731.8592.145

3　流固耦合計算結果分析

根據前文建立的流固耦合模型、設置的邊界條件以及施加的動態荷載，分別在不同車速、不同荷載條件下，對瀝青鋪裝層中的微裂縫進行受力分析. 以標準荷載0.7 MPa、速度100 km/h為代表，圖2～4為模型的應力分布云圖.

圖2　X方向拉應力分布云圖

圖3　Y方向拉應力分布云圖

圖4　剪應力分布云圖

由應力分布云圖可知，車輛動載作用下，當鋪裝結構內部存在微裂縫時，裂縫周圍及尖端部位將出現應力集中現象；鋪裝結構X、Y向最大拉應力出現在裂縫上下部，最大壓應力和最大剪應力則均出現在裂縫尖端部位，這些力均有將微裂縫進一步撕裂、使裂縫增寬、增長的趨勢. 同時，裂縫尖端4個單元的受壓情況與動載的變化情況密切相關，其中尚未開裂的兩個單元所受X、Y向壓應力遠大于已開裂的兩個單元，這說明尚未開裂兩個單元極有可能被撕裂而使裂縫進一步擴大.

以上分析是在代表荷載和代表車速下進行的，為了進一步分析車速、荷載對鋪裝結構受力的影響，下面分別在不同車速、不同荷載條件下對模型的受力情況進行分析. 不同條件下裂縫尖端X、Y向最大壓應力如圖5所示.

由圖5可知，不同速度下，隨著靜荷載的增加，X、Y向壓應力均呈線性規律增加，以100 km/h速度下的壓應力為例，1.5 MPa靜荷載下X、Y向壓應力分別為0.461、1.075 MPa，較0.7 MPa下的0.215、0.502 MPa分別增加了114%、115%；當靜荷載一定時，壓應力同樣隨著速度的增加而增加，以1.3 MPa靜荷載下壓應力為例，120 km/h速度下X、Y向壓應力分別為0.409、0.954 MPa，較60 km/h下的0.376、0.877 MPa分別增加了9%、8%. 二者相比，靜荷載對壓應力的影響更大，因此要嚴格控制超載、超限車輛的通行.

圖5　不同荷載不同速度條件下X、Y向壓應力變化情況

Fig.5Changes of X and Y direction compressive stress under different load and speed conditions

由前文計算可知，微裂縫最大壓應力出現在裂縫尖端尚未開裂的兩個單元上，由于壓應力的方向與模型中坐標軸的方向相反，因此X、Y向壓應力均有使裂縫擴大的作用. 在100 km/h速度、1.3 MPa靜荷載下，X、Y向最大壓應力分別高達0.399 MPa和0.932 MPa，微裂縫在如此大的壓應力反復作用下會迅速擴大，加速鋪裝結構的破壞，減少橋面鋪裝的壽命.

不同條件下裂縫尖端最大剪應力圖6所示. 由圖6可知，裂縫尖端最大剪應力與壓應力有著相似的變化規律，即隨著靜荷載和車速的增大而增大，且剪應力與靜荷載和車速均呈線性規律變化，兩者相比，靜荷載對剪應力的影響較車速更大. 在100 km/h速度、1.3 MPa靜荷載下，裂縫尖端最大剪應力達到了0.306 MPa，微裂縫在如此大剪應力反復作用下同樣會迅速擴展，加速鋪裝結構的破壞.

為了進一步分析鋪裝結構微裂縫的受力情況，表2列出了對裂縫的擴展影響較大的Y向最大拉應力pY在不同車速條件下的變化情況.

由表2可知，當靜荷載一定時，不同速度下裂縫周圍Y向最大拉應力幾乎不變；而車速一定時，隨著靜荷載的增加，拉應力也呈增加趨勢變化，以100 km/h速度為例，1.5 MPa靜荷載下拉應力為0.074 MPa，較0.7 MPa靜荷載下的0.034 MPa增加了118%，這說明荷載水平是影響裂縫周圍拉應力的主要因素. 同時，微裂縫周圍所受Y向拉應力較裂縫尖端壓應力和剪應力小一個數量級，因此裂縫周圍Y向拉應力不是導致微裂縫擴展的主要原因.

圖6　不同荷載不同速度條件下剪應力變化情況

Fig.6Changes of shear stress under different load and speed conditions

表2不同車速條件下裂縫周圍Y向最大拉應力

Tab.2The maximum Y direction tensile stress around the crack under different speed conditions

靜荷載/MPapY/MPa60km/h80km/h100km/h120km/h0.70.0350.0340.0340.0340.90.0440.0440.0440.0441.10.0540.0540.0540.0541.30.0640.0640.0640.0641.50.0740.0740.0740.074

4　結　論

1)車輛動荷載作用下，飽水微裂縫所受最大壓應力和最大剪應力均位于裂縫尖端，而最大拉應力則位于裂縫周圍，這些力共同促使裂縫進一步擴展.

2)隨著車速和荷載值的增加，飽水裂縫尖端最大壓應力和最大剪應力均近似呈線性規律增加，在高達1.075 MPa的Y向壓應力和0.361 MPa剪應力的反復作用下，裂縫會迅速擴展，加速鋪裝結構的破壞；裂縫周圍所受Y向拉應力較小，且主要受荷載水平的影響，受車速影響較小，裂縫周圍Y向拉應力不是導致微裂縫擴展的主要原因.

3)導致瀝青鋪裝層內飽水微裂縫擴展、惡化的最主要因素是車輛的超載，交通管理部門應嚴格限制超載超限車輛的上路.

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(編輯魏希柱)

Dynamic water behavior simulation of bridge deck pavement with cracks

WAN Chenguang, SHEN Aiqin, WANG Deqiang

(School of Highway，Chang’an University，Xi’an 710064，China)

In order to figure out the mechanical response of bridge deck pavement with cracks，under internal dynamic water pressure，using the LS-DYNA finite element analysis software，a model of asphalt pavement with crack was established to analyze the stress state of crack. The results showed that under the action of vehicle dynamic load，the maximum pressure and shear stress of the micro cracks are located at the crack tip，while the maximum tensile stress is located around the crack；the maximum pressure and shear stress have a good linear correlation with the vehicle speed and load level，in the case of 120 km/h velocity and 1.5 MPa load level，the maximum X direction, Y direction pressure and shear stress respectively reach to 0.472 MPa, 1.101 MPa and 0.361 MPa, under which micro cracks will expand rapidly. The main factor leading to the expansion of the water filled micro cracks in asphalt pavement is the overloading of vehicles, so the traffic management department should strictly limit the overloading of vehicles.

bridge deck pavement; water damage; crack; dynamic load; internal dynamic water pressure

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.09.011

2015-07-20

中央高校基本科研業務費專項資金(310821165004)

萬晨光(1988—)，男，博士研究生;

申愛琴(1957—)，女，教授，博士生導師

萬晨光，610510686@qq.com

U443.33

A

0367-6234(2016)09-0060-05