基于ABAQUS的水泥混凝土橋面薄層鋪裝體系關(guān)鍵技術(shù)研究

張易辰 尹文華 張業(yè)茂 張洪濤 王海峰

（1.寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,寧夏 銀川 750001；2.南京工程學(xué)院,江蘇 南京 211167；3.寧夏公路管理中心,寧夏 銀川 750001；4.寧夏公路數(shù)字信息化工程技術(shù)研究中心,寧夏 銀川 750001)

在公路工程建設(shè)當(dāng)中，橋梁是重要的組成部分。目前江蘇省部分公路中橋梁總長占路面總長的10%～15%，橋梁的質(zhì)量對(duì)于整個(gè)公路的使用都具有十分重要的影響。此外，橋面鋪裝層是橋梁重要的功能性結(jié)構(gòu)，一方面，它直接承受著行車荷載的作用，影響著行車舒適性、安全性；另一方面，橋面鋪裝層能夠防止雨水下滲對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)形成腐蝕，承擔(dān)著重要的保護(hù)作用[1]。因此，鋪裝層性能的優(yōu)劣，將直接影響到整個(gè)橋面的運(yùn)營質(zhì)量、服務(wù)水平與橋梁使用壽命。水泥混凝土橋梁是國內(nèi)常見的公路橋梁形式之一，對(duì)于其上部鋪裝層而言，瀝青鋪裝層由于性能好、噪聲小、行車舒適度高等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用，如果說橋梁結(jié)構(gòu)是橋梁的“形體”，那么橋面鋪裝即是橋梁的“臉面”。然而，從國內(nèi)已建成通車運(yùn)營的橋面使用狀況來看，水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層普遍出現(xiàn)了一系列病害，如車轍、推移、擁包、坑槽等[2]。

1 水泥混凝土橋面環(huán)保型薄層瀝青鋪裝性能指標(biāo)

本次水泥混凝土橋面薄層瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)中，將防水黏結(jié)層層間抗剪強(qiáng)度、層間黏結(jié)強(qiáng)度作為橋面鋪裝體系性能的主要控制指標(biāo)。

1.1 層間抗剪強(qiáng)度

對(duì)于水泥混凝土薄層瀝青鋪裝體系設(shè)計(jì)而言，若通過試驗(yàn)測得長期老化后的鋪裝層間的極限抗剪強(qiáng)度并要求不小于層間最大剪應(yīng)力則可以控制橋面在長期運(yùn)營后鋪裝層間不發(fā)生剪切失效。對(duì)于水泥混凝土橋面薄層瀝青鋪裝體系，若控制整個(gè)使用周期內(nèi)瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)層間不發(fā)生剪切失效，則防水黏結(jié)層材料抗剪強(qiáng)度應(yīng)滿足以下要求：

1.2 層間黏結(jié)強(qiáng)度

對(duì)于水泥混凝土橋面薄層瀝青鋪裝體系設(shè)計(jì)，若通過試驗(yàn)測得長期老化后的鋪裝層間的黏結(jié)強(qiáng)度，并要求不小于層間豎向最大拉應(yīng)力則可以控制橋面在長期運(yùn)營后鋪裝層間不發(fā)生黏結(jié)失效[3]。對(duì)于水泥混凝土橋面薄層瀝青鋪裝體系而言，若控制整個(gè)使用周期內(nèi)瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)層 間不發(fā)生黏結(jié)失效，則防水黏結(jié)層材料抗拉強(qiáng)度應(yīng)滿足以下要求：

1.3 室內(nèi)指標(biāo)與現(xiàn)場檢測指標(biāo)間的關(guān)系研究

通過對(duì)前期室內(nèi)附著力拉拔試驗(yàn)與復(fù)合件拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到如表1所示的室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果。需要說明的是，兩種試驗(yàn)的撒布量均采用最佳撒布量 0.8 kg/m2。

表1 室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果匯總(MPa)

通過對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，得到附著力拉拔儀測得的黏結(jié)強(qiáng)度與復(fù)合件拉拔試驗(yàn)測得的強(qiáng)度，如圖1所示。附著力拉拔強(qiáng)度與復(fù)合件拉拔強(qiáng)度關(guān)系，如表1所示。

圖1 附著力拉拔強(qiáng)度與復(fù)合件拉拔強(qiáng)度關(guān)系圖（0.8 kg/m2）

2 水泥混凝土橋面薄層瀝青鋪裝體系黏彈性力學(xué)響應(yīng)研究

ABAQUS 是一套功能強(qiáng)大的工程模擬的有限元軟件，可以模擬典型工程材料的性能，廣泛應(yīng)用于橋梁設(shè)計(jì)時(shí)三維仿真模型中。以下將基于ABAQUS進(jìn)行水泥混凝土橋面薄層鋪裝體系關(guān)鍵技術(shù)的探討。

2.1 有限元模型建立

2.1.1 基本假設(shè)

（1）假定水泥混凝土橋面板為大剛度、均勻的、各向同性的彈性半空間體。

（2）假設(shè)瀝青鋪裝層材料為各向同性、均勻的黏彈性體。

（3）假設(shè)瀝青層、防水黏結(jié)層與橋面板彼此之間為黏結(jié)滑移狀態(tài)。

（4）橋面鋪裝層為滿足與梁板的協(xié)同作用，僅承受活載作用下由于自身協(xié)同水泥混凝土橋面環(huán)保型薄層瀝青鋪裝體系研究變形所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變，忽略施工條件等人為因素的影響。

（5）在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，主要考慮鋪裝體系內(nèi)部的受力情況，橋墩與承臺(tái)的變形不在考慮范圍內(nèi)[4]。

2.1.2 模型設(shè)置與荷載形式

（1）模型設(shè)置

橋面鋪裝體系分為水泥橋面、防水黏結(jié)層、瀝青鋪裝層三層，其中模擬本次計(jì)算采用的模型橋梁為雙向四車道，單車道寬度為 3.75 m，算上橋面分隔帶、養(yǎng)護(hù)專用道、欄桿寬度與硬路肩在內(nèi)，橋面對(duì)稱一幅雙車道寬度為 9.0 m。橋梁模型采用簡支T形梁，主要參數(shù)如表2所示。

表2 簡支T形梁橋主要尺寸參數(shù)

（2）荷載形式

計(jì)算中車輛荷載速度取60 km/h，則荷載作用時(shí)間T取為0.076 s，分析時(shí)段取為0.2 s（見圖2）。

圖2 車輛動(dòng)荷載時(shí)程變化曲線

大車輛在正常行駛時(shí)，水平力按豎向力 乘以0.7的系數(shù)進(jìn)行計(jì)算最為合適。在荷載設(shè)置中將超載系數(shù)設(shè)為50%，以考察超載情況對(duì)橋面鋪裝體系力學(xué)性能的影響。

2.1.3 最不利荷載位置分析

（1）橫向最不利位置

橋梁設(shè)計(jì)為雙向四車道，包括橋面分隔帶、養(yǎng)護(hù)專用道、欄桿寬度在內(nèi)，對(duì)稱一幅寬度設(shè)置為9.0 m。橋面上一個(gè)行車道的寬度為3.75 m，為了分析車輛的橫向布置對(duì)橋面鋪裝層受力的影響，找到在相鄰行車道間潛在的橫向最不利位置，并考慮橋面車輛行駛的實(shí)際情況，在此選擇1 m為分析步長，從距邊緣0.5 m處開始向中間移動(dòng)，荷載分別布置荷位1、荷位2、荷位3、荷位4，荷位5、荷位6，具體布置如圖3所示。

圖3 車輛的橫向荷位布置圖（左幅橋面）

表3 橫向荷位的變化對(duì)瀝青鋪裝層的應(yīng)力應(yīng)變的影響

（2）縱向最不利位置

分析橋梁縱向不利荷位，是在橫向位置確定的基礎(chǔ)上，沿橋梁縱向分別在橋墩支點(diǎn)荷位8、荷位9、荷位10、荷位11，具體的布置位置如圖4所示，通過計(jì)算分析瀝青混凝土面層的應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律。

圖4 ABAQUS 模型中縱向最不利荷載分段施加

對(duì)瀝青鋪裝層的最大主應(yīng)力、最大橫向拉應(yīng)力、最大縱向拉應(yīng)力、最大橫向拉應(yīng)變、最大縱向拉應(yīng)變分別計(jì)算，得到縱向荷位變化對(duì)瀝青鋪裝層的應(yīng)力應(yīng)變的影響情況，如表4所示。

表4 縱向荷位的變化對(duì)瀝青鋪裝層的應(yīng)力應(yīng)變的影響

對(duì)簡支T形梁橋面鋪裝層縱向最不利荷位的分析可知，瀝青混凝土面層最大橫、縱向拉應(yīng)力都出現(xiàn)在荷位10處，所以選擇橋梁縱向3/8跨處作為縱向最不利荷載位置。

（3）最不利位置確定

以9 m一幅橋面寬度、20 m跨徑的簡支T形梁橋?yàn)槔汕拔姆治隹芍瑱M向最不利位置位于荷載中心距橋邊界1.4 m 處；縱向最不利位置位于橋梁縱向3/8跨處。因此，可將計(jì)算力學(xué)指標(biāo)考察的最不利位置定位于兩處交叉處。

2.2 瀝青鋪裝體系動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算方案

在分別確定簡支T形梁橋的最不利位置后，將鋪裝層厚度、鋪裝層材料溫度、車輛荷載進(jìn)行正交組合，得到水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層力學(xué)響應(yīng)計(jì)算方案[5]，如表5所示。

表5 瀝青鋪裝體系力學(xué)響應(yīng)計(jì)算方案

2.3 瀝青鋪裝體系動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果分析

2.3.1 瀝青鋪裝層最大橫向拉應(yīng)力

各工況下瀝青鋪裝層最大橫向拉應(yīng)力隨瀝青鋪裝層厚度、溫度條件的變化情況如圖5所示，其中車輛荷載包括常載與超載50%兩種情況。

圖5 瀝青鋪裝層內(nèi)最大橫向拉應(yīng)力變化情況

對(duì)超載下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行回歸，得到簡支T形梁橋與連續(xù)箱梁橋?yàn)r青層內(nèi)最大橫向拉應(yīng)力與鋪裝層厚度統(tǒng)計(jì)回歸關(guān)系，如圖6所示。

圖6 瀝青鋪裝層厚度與層內(nèi)最大橫向拉應(yīng)力統(tǒng)計(jì)回歸圖

針對(duì)不同瀝青鋪裝層厚度、不同溫度條件下的水泥混凝土橋面瀝青鋪裝體系，應(yīng)要求瀝青鋪裝層材料的抗拉強(qiáng)度滿足。其中，瀝青鋪裝層最大橫向拉應(yīng)力y滿足與鋪裝層厚度x的統(tǒng)計(jì)回歸關(guān)系。當(dāng)鋪裝層瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度小于這個(gè)限度時(shí)，橋面鋪裝層就容易產(chǎn)生荷載型裂縫[6]。

2.3.2 防水黏結(jié)層間最大剪應(yīng)力

各工況下防水黏結(jié)層間最大剪應(yīng)力 隨瀝青鋪裝層厚度、溫度條件的變化情況（見圖8、圖9），其中車輛荷載包括常載與超載 50%兩種情況。

圖7 防水黏結(jié)層間最大剪應(yīng)力變化情況

圖8 防水黏結(jié)層間最大剪應(yīng)力與鋪裝層厚度統(tǒng)計(jì)回歸

針對(duì)不同瀝青鋪裝層厚度、不同溫度條件下的水泥混凝土橋面瀝青鋪裝體系，應(yīng)要求防水黏結(jié)層間抗剪強(qiáng)度滿足，其中最大剪應(yīng)力y滿足與鋪裝層厚度x的統(tǒng)計(jì)回歸關(guān)系。當(dāng)防水黏結(jié)層的層間抗剪強(qiáng)度小于該限度時(shí)，在車輛作用下層間就容易發(fā)生相對(duì)滑移引起剪切破壞。

2.3.3 防水黏結(jié)層間最大豎向拉應(yīng)力

各工況下防水黏結(jié)層間最大豎向拉應(yīng)力 隨瀝青鋪裝層厚度、溫度條件的變化情況（見圖9、圖10），其中車輛荷載包括常載與超載50%兩種情況。

圖9 防水黏結(jié)層間最大豎向拉應(yīng)力變化情況

圖10 防水黏結(jié)層間最大豎向拉應(yīng)力與鋪裝厚度的統(tǒng)計(jì)回歸

針對(duì)不同瀝青鋪裝層厚度、不同溫度條件下的水泥混凝土橋面瀝青鋪裝體系，應(yīng)要求防水黏結(jié)層的層間黏結(jié)強(qiáng)度滿足，其中黏結(jié)層間最大豎向拉應(yīng)力y應(yīng)滿足與鋪裝層厚度x的回歸關(guān)系。

綜上，根據(jù)水泥混凝土橋面瀝青鋪裝體系動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果，提出水泥混凝土橋面薄層鋪裝體系的力學(xué)指標(biāo)要求，如表6所示。

表6 水泥混凝土橋橋面薄層鋪裝體系力學(xué)指標(biāo)要求

3 鋪裝方案設(shè)計(jì)流程

3.1 基礎(chǔ)資料搜集

調(diào)查、搜集橋梁所在地區(qū)的地質(zhì)水文條件、氣候特征、降水量等基礎(chǔ)資料，包括當(dāng)?shù)爻Ｓ玫匿佈b層材料類型，同時(shí)確定橋梁在路網(wǎng)中的位置和地位，并重點(diǎn)對(duì)橋梁所銜接的公路路面結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行調(diào)查。

3.2 橋面鋪裝結(jié)構(gòu)初擬

基于層間力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)鋪裝層厚度的要求，結(jié)合橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)及水泥橋面板界面處理水平，初步擬定水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)和厚度方案。

3.3 鋪裝層原材料檢測、配合比設(shè)計(jì)及路用性能試驗(yàn)

對(duì)水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層原材料（瀝青、集料）進(jìn)行室內(nèi)指標(biāo)檢測，當(dāng)檢測結(jié)果不滿足要求時(shí)，應(yīng)重新選擇材料，直至檢測結(jié)果滿足要求，所測結(jié)果應(yīng)滿足相應(yīng)技術(shù)規(guī)范的要求。

3.4 防水黏結(jié)層材料初選及原材料檢測

在遵循方案選擇原則的前提下，按照橋面鋪裝體系力學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)幾種防水黏結(jié)層材料進(jìn)行初選，并對(duì)進(jìn)行比選的防水黏結(jié)層材料指標(biāo)（物化性能、力學(xué)性能）進(jìn)行檢測，所測結(jié)果應(yīng)滿足相應(yīng)技術(shù)規(guī)范的要求，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行開展鋪裝體系結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)。

3.5 橋面薄層瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)

本部分包括兩部分內(nèi)容：（1）開展模擬薄層橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的復(fù)合試件室內(nèi)試驗(yàn)，得到防水黏結(jié)層材料的層間抗剪強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度，并基于試驗(yàn)結(jié)果確定防水黏結(jié)層材料的最佳撒布量，為橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場實(shí)施提供數(shù)據(jù)支持；（2）進(jìn)行模擬橋面運(yùn)行環(huán)境的加速老化試驗(yàn)，通過室內(nèi)試驗(yàn)得到老化后的防水黏結(jié)層的層間抗剪強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度。

3.6 橋面鋪裝結(jié)構(gòu)確定

驗(yàn)算各設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)是否滿足鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，若不能滿足，則需要調(diào)整鋪裝結(jié)構(gòu)組合、更換強(qiáng)度更好的結(jié)構(gòu)層、更換材料或配合比；重新試驗(yàn)確定各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，再進(jìn)行驗(yàn)算，直到各設(shè)計(jì)指標(biāo)同時(shí)滿足要求為止，最終確定橋面鋪裝體系結(jié)構(gòu)參數(shù)[7]。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 資料收集及橋面鋪裝結(jié)構(gòu)初擬

實(shí)體工程在交通量上屬于中交通，所處地區(qū)位于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，1月平均氣溫為3.5 ℃，極端最低氣溫-9.8 ℃；7月平均氣溫為28.2 ℃，極端最高氣溫可達(dá)38～40 ℃；年平均降水量1 063 mm，全年降水量多集中在4月—9月。選擇SMA-13作為鋪裝層材料進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)，考慮到依托工程水泥橋面板處理水平，擬定橋面瀝青鋪裝層厚度為 5 cm。

經(jīng)室內(nèi)目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)，得到最佳瀝青用量為5.6%，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、氣候條件、交通情況，最佳瀝青用量可適當(dāng)調(diào)整。配合比為1#∶2#∶4#∶礦粉=36%∶42%∶12%∶10%，聚丙烯腈纖維內(nèi)摻量為瀝青混合料的2‰，通過浸水馬歇爾試驗(yàn)驗(yàn)證抗水損害性能滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

4.2 鋪裝層瀝青混合料路用性能試驗(yàn)

4.2.1 高溫車轍試驗(yàn)

與瀝青路面相比，橋面鋪裝層的厚度較小，與水泥混凝土板的黏結(jié)能力差，從而更容易產(chǎn)生病害。因此，對(duì)于橋面鋪裝層的高溫穩(wěn)定性的要求比正常路段瀝青面層要高[8]。

瀝青混合料的高溫性能主要受最大公稱粒徑、級(jí)配、瀝青種類、瀝青用量和添加劑等多種因素影響，從表8可以看出，改性瀝青SMA-13混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到5 601次/mm，顯著高于技術(shù)規(guī)范要求。

表8 高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果

4.2.2 低溫彎曲試驗(yàn)

對(duì)改性瀝青SMA-13混合料進(jìn)行溫度10 ℃，速率50 mm/min的條件下的低溫彎曲試驗(yàn)，試件分4個(gè)平行試件，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從表10的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，改性瀝青SMA-13混合料具有良好的低溫抗裂性能，滿足規(guī)范技術(shù)要求。

4.3 設(shè)計(jì)指標(biāo)驗(yàn)證及鋪裝結(jié)構(gòu)確定

通過對(duì)橋面薄層瀝青鋪裝體系結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，分別對(duì)各類防水黏結(jié)層材料的設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表10所示。

表10 設(shè)計(jì)指標(biāo)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

由表10可以看出，水性環(huán)氧防水黏結(jié)層材料的抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、老化后抗剪強(qiáng)度、老化后抗拉強(qiáng)度均分別滿足水泥混凝土橋面薄層鋪裝體系力學(xué)指標(biāo)要求，因此確定其為水泥混凝土橋面薄層瀝青鋪裝的防水黏結(jié)層材料類型。

通過上述一系列鋪裝方案設(shè)計(jì)流程，確定水泥混凝土橋面環(huán)保型薄層瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)方案如圖11所示。

圖11 水泥混凝土橋面薄層瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)方案

5 結(jié)語

文章依托某實(shí)體工程[9-10]，進(jìn)行基于ABAQUS的混凝土橋面薄層鋪裝設(shè)計(jì)理論與方法研究，主要結(jié)論如下：

（1）提出將防水黏結(jié)層間黏結(jié)強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度作為橋面鋪裝體系性能的主要控制指標(biāo)，解決混凝土橋面薄層鋪裝環(huán)保型瀝青材料選型問題。

（2）對(duì)簡支T形梁橋的最不利位置進(jìn)行考察，結(jié)果表明，以9 m 半幅寬度、20 m跨徑的簡支T形梁橋?yàn)槔瑱M向位于荷載中心距離橋邊界1.4 m處，縱向位于橋梁縱向3/8跨處。

（3）通過黏彈性力學(xué)響應(yīng)計(jì)算，得到鋪裝層最大橫向拉應(yīng)力、防水黏結(jié)層間最大剪應(yīng)力與最大豎向拉應(yīng)力，分別表征鋪裝層材料的抗拉強(qiáng)度、防水黏結(jié)層材料的抗剪強(qiáng)度與黏結(jié)強(qiáng)度。

（4）提出混凝土橋面薄層鋪裝方案設(shè)計(jì)流程，并依托某實(shí)體工程選擇SMA13作為鋪裝層材料進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)，擬定橋面瀝青鋪裝層厚度為5 cm。通過鋪裝層瀝青混合料路用性能試驗(yàn)確定水泥混凝土橋面環(huán)保型薄層瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)方案。