混凝土橋?yàn)r青鋪裝層力學(xué)性能

白繼玲，吳書(shū)維

（1.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044004；2.運(yùn)城中學(xué)，山西 運(yùn)城 044000）

混凝土橋?yàn)r青鋪裝層力學(xué)性能

白繼玲1，吳書(shū)維2

（1.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044004；2.運(yùn)城中學(xué)，山西 運(yùn)城 044000）

本文采用ansys15.0對(duì)混凝土橋?yàn)r青鋪裝層進(jìn)行了力學(xué)分析，對(duì)工程實(shí)際中的橋梁進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，建立的合適的有限元幾何模型，主要研究上下瀝青鋪裝層厚度及材料的彈性模量對(duì)溫縮應(yīng)力影響。

混凝土橋；瀝青鋪裝層；有限元分析；溫縮應(yīng)力

為了改善鋪裝層的設(shè)計(jì)，提高橋梁的使用壽命，我國(guó)許多工作人員提出了眾多的解決方法。羅立峰[1]、季節(jié)[2]、盧哲安[3]等人的研究有效的改善了橋梁的裂縫現(xiàn)象。本文筆者將通過(guò)有限元模擬及力學(xué)分析對(duì)改善鋪裝層提出了自己的意見(jiàn)。

1 工程概況

本工程為某省公路大橋，該橋位于交通要道，是一座規(guī)模大、技術(shù)含量高的大型混凝土多塔斜拉橋。該橋設(shè)計(jì)時(shí)速為 120km/h，設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)載荷為汽車超—20級(jí)，掛車—120級(jí)，其主橋參數(shù)為：42m+42m+300m+300m+42m+42m，主梁全長(zhǎng)768.5m，橋面寬度為32.8m。橋身主梁采用的是雙邊三角箱預(yù)應(yīng)力混凝土材料，橫隔梁與斜拉索對(duì)應(yīng)布置，橋邊跨間距為6.5m，中間跨間距為7.5m，主梁在中塔處與中塔固結(jié)，邊塔處于半漂浮狀態(tài)。橋面的鋪裝體系有三部分構(gòu)成，分別為：水泥混凝土板，防水層和瀝青混凝土鋪裝上下層。

2 橋面鋪裝的有限元模擬及力學(xué)分析

2.1 有限元模型的建立

本次使用的有限元軟件為美國(guó)ANSYS公司研制的ansys15.0版本，ansys軟件是主流有限元模擬軟件之一，具由功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)便，最重要的是計(jì)算結(jié)果可靠，能夠加快計(jì)算速度等優(yōu)點(diǎn)。為了建立有限元分析模型，我們首先應(yīng)該在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，把工程中的橋梁簡(jiǎn)化為可以進(jìn)行有限元計(jì)算的數(shù)學(xué)模型。為此，對(duì)上述工程中的橋梁做一下幾種簡(jiǎn)化：

①假設(shè)瀝青與混凝土等實(shí)際工程原料為連續(xù)、均勻的各向同性彈性材料；②橋梁兩端一端為固結(jié)約束，一端為滑動(dòng)約束；③混凝土橋面整體為連續(xù)、均勻的各向同性的彈性材料；④鋪裝層與橋面之間是連續(xù)的，即應(yīng)力連續(xù)和應(yīng)變連續(xù)；⑤所有的材料均為線彈性材料，且最大變形處于彈性范圍。

在有限元分析計(jì)算中，單元網(wǎng)格的大小直接影響著計(jì)算結(jié)果的精度，但網(wǎng)格的疏密程度又關(guān)乎著計(jì)算時(shí)間，雖然網(wǎng)格越小，計(jì)算結(jié)果會(huì)較為精準(zhǔn)，但是這同時(shí)會(huì)提高計(jì)算的耗時(shí)。因此合理的選擇網(wǎng)格的大小對(duì)有限元計(jì)算至關(guān)重要。本研究中，混凝土橋?yàn)r青鋪裝層分析簡(jiǎn)化模型為:5 m*3 m*0.6 m，單元網(wǎng)格尺寸為：2 cm*2 cm*5 cm，具體模型見(jiàn)圖1。

圖1 混凝土橋?yàn)r青鋪裝層有限元簡(jiǎn)化模型

2.2 鋪裝層結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)對(duì)低溫縮裂性能影響分析

2.2.1 鋪裝層厚度的影響

在研究鋪裝層厚度對(duì)其抗低溫縮裂性能的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)由于鋪裝層的上下層所處的環(huán)境狀況不同，這可能導(dǎo)致它們對(duì)抗低溫縮裂性能存在差異，所以分別對(duì)鋪裝上層和鋪裝下層厚度進(jìn)行分析。其中，在進(jìn)行鋪裝上層變化影響分析時(shí)，固定鋪裝下層厚度為5cm，鋪裝上層的變化范圍取3～8cm，計(jì)算結(jié)果如圖2所示；同理，在進(jìn)行鋪裝下層變化影響分析時(shí)，固定鋪裝上層厚度為4cm，鋪裝上層的變化范圍取3～8cm。鋪裝層厚度結(jié)果分析：可見(jiàn)不論是鋪裝上層還是鋪裝下層，其溫縮應(yīng)力隨厚度的變化趨勢(shì)十分相似，都呈現(xiàn)出鋪裝層的溫縮應(yīng)力先隨厚度的增大而降低，當(dāng)厚度達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，溫縮應(yīng)力又隨厚度的增大而增大。由此可推斷，對(duì)鋪裝層的抗溫縮開(kāi)裂性能而言，整個(gè)鋪裝層厚度存在一個(gè)臨界值，當(dāng)鋪裝層厚度超過(guò)這個(gè)臨界值時(shí)，鋪裝層內(nèi)部的溫縮應(yīng)力隨著整體厚度的增大而增大，當(dāng)鋪裝層厚度小于這個(gè)臨界值時(shí)，鋪裝層內(nèi)部的溫縮應(yīng)力隨著整體厚度的增大而減小，因此合理的選擇鋪裝層的厚度對(duì)提高路面的抗溫縮開(kāi)裂性能有利。

2.2.2 鋪裝層彈性模量的影響

彈性模量作為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的重要指標(biāo)，其值的大小直接影響著材料抵抗變形的能力。在研究鋪裝層模量對(duì)其抗低溫縮裂性能的影響時(shí)，也分別對(duì)鋪裝上層和鋪裝下層模量進(jìn)行分析。其中，在進(jìn)行鋪裝上層變化影響分析時(shí)，固定鋪裝下層模量為4000 MPa，鋪裝上層的變化范圍取2600～3600 MPa；同理，在進(jìn)行鋪裝下層變化影響分析時(shí)，固定鋪裝上層模量為4000 MPa，鋪裝上層的變化范圍取 2600～3600 MPa。隨著橋面上層鋪裝層彈性模量的增大，其相應(yīng)的內(nèi)部溫縮應(yīng)力隨著上升。這可能是因?yàn)殇佈b層上層是主要承載界面，當(dāng)鋪裝上層模量增加時(shí)，其在整個(gè)鋪裝層內(nèi)所占的剛度逐漸增加，從而在溫度作用下鋪裝層內(nèi)的應(yīng)力將逐漸集中在鋪裝上面層，因此，鋪裝層的溫縮應(yīng)力也隨著上面層模量的增大而上升。相反地，在橋面鋪裝下層，鋪裝層內(nèi)部的溫縮應(yīng)力隨著下層厚度的增大而降低，這可能歸因于當(dāng)鋪裝下層模量逐漸加大時(shí)，其在整個(gè)鋪裝層中鋪裝下層的剛度所占比例不斷加大，相應(yīng)地，鋪裝上層所占比例逐漸下降，其受力也逐漸減小，從而表現(xiàn)出鋪裝層內(nèi)的溫縮應(yīng)力隨下面層模量的增大而降低。當(dāng)鋪裝上層模量由26OOMPa逐漸增加到36OOMPa時(shí)，相應(yīng)的鋪裝層內(nèi)部溫縮應(yīng)力也由最初的1.8925MPa上升至2.3882MPa，增幅達(dá)20.7%;可見(jiàn)，鋪裝上層模量的改變，對(duì)鋪裝層內(nèi)部溫縮應(yīng)力的影響較為明顯，而鋪裝下層模量由 260OMPa逐漸增加到3600MPa時(shí)，相應(yīng)的鋪裝層內(nèi)部溫縮應(yīng)力也由2.3861MPa下降至 2.2892MPa，減小幅度僅為1.43%，可見(jiàn)，鋪裝下層模量的改變，對(duì)鋪裝層內(nèi)部溫縮應(yīng)力幾乎沒(méi)有影響。因此，通過(guò)減小鋪裝上層的彈性模量來(lái)降低鋪裝層內(nèi)的溫縮應(yīng)力，從而達(dá)到改善橋面鋪裝層的抗低溫縮裂性能。

3 結(jié)論

本文使用有限元方法研究了鋪裝層厚度與材料參數(shù)對(duì)抗低溫縮略的影響，結(jié)果表明：上、下鋪裝層對(duì)溫度應(yīng)力都有較大的影響，且存在一個(gè)臨界值。當(dāng)鋪裝層厚度恰好為此臨界值時(shí)，此時(shí)溫縮應(yīng)力最小，抗低溫能力最好；上層的鋪裝材料的彈性模量對(duì)溫縮應(yīng)力也有較大的影響，減小上層鋪裝材料的彈性模型可也有效的改善瀝青鋪裝層的抗低溫能力，但是下層鋪裝材料彈性模型的影響就不怎么明顯。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)該適當(dāng)調(diào)整上下層鋪裝材料的厚度，適當(dāng)降低上層鋪裝材料的彈性模型，以期達(dá)到良好的抗溫縮能力，延長(zhǎng)橋的使用壽命。

[1]羅立峰,鐘鳴,黃成造.橋面鋪裝設(shè)計(jì)理論的研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2002,(4):91-96.

[2]季節(jié),龍佩恒,王毅娟 等.用有效活載撓度確定鋼筋混凝土橋面鋪裝層的厚度[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2001,(3):61-64.

[3]盧哲安,易賢仁.高速公路橋涵橋面鋪裝層力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1998,(4):92-95.

Mechanical analysis of concrete bridge asphalt pavement

BAI Ji-ling1,WU Shu-wei2
(1.Shanxi Conservancy Technical College，Yuncheng Shanxi 044004; 2.Yuncheng Middle School，Yuncheng Shanxi 044000)

Ansys15.0 on concrete bridge asphalt pavement mechanical analysis is carried out using，on bridge in practical engineering were appropriate simplification，for bridge deck asphalt pavement layer laying thickness and material provides a theoretical basis to increase the service life and increase the driving stability and good effect of the bridge deck.

Concrete bridge; Asphalt pavement; Finite element analysis; Thermal shrinkage stress

：A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.01.062

1672–7304(2016)01–0133–02

（責(zé)任編輯：吳 芳）

白繼玲（1980-），女，山西朔州人，研究方向：無(wú)線電、物理。