行車荷載作用下瀝青橋面鋪裝力學性能研究

摘要：

為研究行車荷載作用下瀝青橋面鋪裝力學性能，文章對現有的相關研究進行了總結，并依托某高速公路的瀝青橋面鋪裝混凝土連續箱梁橋實際工程，通過ABAQUS軟件進行數值模擬，分析了瀝青橋面鋪裝層在行車荷載作用下的豎向位移、豎向應力、水平應力和剪應力變化規律。結果表明：當車輛荷載達到峰值時，橋面的豎向位移值達到最大，隨著車輛行駛速度的減小，車輛荷載作用在橋面的時間延長，對橋面的影響也隨之增大；橋面鋪裝層的最大豎向應力出現在鋪裝層表面荷載中心位置，且隨著鋪裝層的深度逐漸增加而減小，不同的車輛行駛速度下橋面鋪裝層的最大豎向應力數值相差不大；在車輛荷載下，水平應力和剪應力隨荷載的變化呈現半正弦的變化規律，當車輛荷載到達峰值時，瀝青橋面鋪裝層中各個點的水平應力均達到最大值。

關鍵詞：瀝青橋面鋪裝；力學性能；有限元方法；數值模擬

中圖分類號：U443.33 A 21 067 4

0 引言

瀝青混合料因具有較高的整體強度、低振動、良好的穩定性等優點，在橋梁的橋面鋪裝工程中得到了廣泛的應用。但也因為瀝青材料自身的缺陷，使橋面的鋪裝層過早地出現病害，加之雨水入滲和車輛荷載的共同作用，對存在一定缺陷的橋面產生沖刷及吸附作用，大大降低了橋梁鋪裝層的使用壽命。

目前國內外學者對瀝青橋面鋪裝力學性能的研究取得了較多成果。周霄等［1］研究了不同橋面鋪裝體系的力學行為、鋪裝層厚度以及粘結層用量對橋面鋪裝層力學性能的影響。方金等［2］基于瞬態溫度場傳熱理論和熱力學邊界條件假設，建立了鋼橋面板在高溫澆筑瀝青混合料攤鋪過程中的時空溫度場、應力場、變形場的多場耦合模型，研究了施工工藝參數對在高溫澆筑中鋼橋面板溫度效應的影響。魯立［3］研究了兩種不同的橋面鋪裝層防水體系的防水性能，發現由Eliminator防水材料組成的防水體系和GS溶劑型粘結劑材料組成的防水體系均能滿足鋪裝層的防水要求。王振宇等［4］為研究車致作用下的橋面鋪裝層的病害成因，分析了橋面瀝青鋪裝層與混凝土層之間粘結作用的影響因素，結合數值模擬研究、現場測試與模型試驗數據，推導了界面層的力學本構關系，研究了車輛制動及橫向聯系失效下界面層的力學性能。萬寧等［5］為提高橋面瀝青鋪裝層的力學性能及使用壽命，利用了聚氨酯/環氧樹脂對瀝青混合料進行改良，研究了改性后的瀝青固化進程，測試了改性瀝青的儲存穩定性、粘附特性、力學性能及高低溫性能。李清華等［6］為解決水泥混凝土橋面鋪裝層的病害，進行了橋面薄層鋪裝的結構及力學性能研究，發現薄層的橋面鋪裝結構的路用性能表現更好。漆世虎等［7］通過有限元方法建立了橋面鋪裝的三維數值模型，研究了鋪裝層的模量以及縱橫方向的外力對鋪裝層的受力影響。

鑒于此，本文依托某高速公路的瀝青橋面鋪裝混凝土連續箱梁橋實際工程，通過ABAQUS軟件對其進行數值模擬，分析了瀝青橋面鋪裝層在行車荷載作用下的力學性能，為瀝青橋面鋪裝層施工提供借鑒。

1 工程背景與數值模型

1.1 ABAQUS簡介

ABAQUS作為應用相當廣泛的通用有限元軟件，在處理巖土工程問題時具有很明顯的優勢，如可以提供大量巖土材料常用的本構模型，還可以進行包括溫度場、滲流場等的多場耦合計算，交互性更好，操作更為簡便。其工作流程如圖1所示。

1.2 工程背景

該橋的跨徑為3× 40 m，橋梁基礎為樁基礎，橋墩為柱式墩，橋梁上部結構為裝配式預應力混凝土箱形連續梁，下部結構橋臺采用的是肋板臺，橋臺樁徑為 1.5 m，橋墩的直徑為 1.6 m。橋梁的主體結構由5個箱梁組成，梁高為 2.1 m，梁間距為 3.37 m。橋面分為四車道，包括3個普通車道和1個應急車道。本文使用ABAQUS軟件建立了該橋的三維數值模型，研究鋪裝層在車輛荷載作用下的力學響應。

1.3 數值模型的建立

根據橋梁的實際幾何參數，利用ABAQUS軟件建立數值模型如圖2所示。

利用ABAQUS軟件對該橋梁進行數值建模與計算分析時，一般對模型做出如下假設：

（1）瀝青混合料的本構模型采用粘彈性模型，假設其具有各向同性、連續性和均勻性。

（2）假設模型各部件之間的接觸為完全連續。

（3）計算過程中忽略橋梁的自重。

對模型進行網格劃分時，可考慮適當加密橋面鋪裝層的網格。模型的邊界條件設為：對橋梁兩邊的支座及橋臺的底部施加完全約束。

橋梁的橋面鋪裝層自上而下分別為：厚度為 4 cm的橡膠改性瀝青混凝土ARHM-13、厚度為 8 cm的橡膠改性瀝青混凝土ARHM-20、C50混凝土。其中，C50混凝土本構模型采用線彈性模型，ARHM-13和 ARHM-20的本構模型采用粘彈性模型，其參數取值如表1所示。

1.4 車輛荷載

相對于整個的橋面鋪裝層的面積，車輛在橋梁上行駛時，車輛荷載作用面積很小，為方便計算，可以取矩形區域代替真實的雙圓荷載區域。車輛荷載的變化情況采用Haversine波的形式，總分析時間取 0.2 s（如圖3所示）。

計算得到不同行車速度下荷載的作用時間，如表2所示。

2 行車荷載作用下瀝青橋面鋪裝動力響應分析

設置車速分別為 60 km/h、 80 km/h、 100 km/h的3組數值計算工況，對應的行駛時間分別為 0.076 8 s、 0.057 6 s、 0.046 1 s，根據圖3的Haversine 波形式，在 T/2時，車輛荷載達到峰值，此時橋面鋪裝層達到最不利狀態，因此僅需分析每組工況中的T/2時間點橋面鋪裝層的受力狀態，即 0.038 s、 0.057 6 s、 0.046 1 s。

2.1 豎向位移分析

根據數值計算結果，得到車輛不同行駛速度下的橋面跨中位置鋪裝層的豎向位移隨時間的變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知，當車速為 60 km/h時，最大豎向位移為 0.392 mm；當車速為 80 km/h時，最大豎向位移為 0.375 mm；當車速為 100 km/h時，最大豎向位移為 0.369 mm。由此可知，在不同的車輛行駛速度下，橋面在跨中位置的最大豎向位移值相差不大，當車輛荷載達到峰值時，橋面的豎向位移值也達到最大。隨著車輛行駛速度的減小，車輛荷載作用在橋面的時間延長，對橋面的影響也隨之增大。

2.2 豎向應力分析

根據數值計算結果可知，橋面鋪裝層的最大豎向應力出現在鋪裝層表面荷載中心位置。不同行駛速度下的橋面鋪裝層表面荷載中心位置不同深度的豎向應力隨時間的變化曲線，如圖5所示。

由圖5可知，在車速為 60 km/h的情況下，隨著鋪裝層深度的逐漸增加，其最大豎向應力逐漸減小。在深度為 0 m、 0.04 m和 0.12 m的情況下，最大豎向應力值分別為 1 136.1 kPa， 1 080.9 kPa和 853.1 kPa。車速為 80 km/h和 100 km/h的情況與車速為 60 km/h得到的規律相同，車速為 80 km/h時，且深度為 0 m、 0.04 m和 0.12 m的情況下，最大豎向應力值分別為 1 141.1 kPa， 1 086.9 kPa和 857.9 kPa。車速為 100 km/h時，且深度為 0 m、 0.04 m和 0.12 m的情況下，最大豎向應力值分別為 1 146.2 kPa， 1 092.7 kPa和 864.5 kPa。

在不同的車輛行駛速度下，橋面鋪裝層的最大豎向應力均出現在鋪裝層表面荷載中心位置，且隨著鋪裝層深度的逐漸增加而減小，不同車輛行駛速度下橋面鋪裝層的最大豎向應力數值相差不大。隨著車輛行駛速度的減小，車輛荷載作用在橋面的時間延長，對橋面的影響也隨之增大。

2.3 水平應力分析

水平應力是導致瀝青橋面鋪裝層出現裂縫的主要原因之一。在車輛荷載下，橋面鋪裝層內可能會產生較大的拉應力，當拉應力大于其材料的極限抗拉強度時，鋪裝層會出現裂縫，從而影響其使用壽命。根據數值計算結果，得到不同行駛速度下的橋面鋪裝層表面荷載中心位置不同深度的水平應力隨時間的變化曲線，如圖6所示。

由圖6可知，鋪裝層的上表面水平拉應力最大，當車速為 60 km/h時，最大水平拉應力為 357.1 kPa；當車速為 80 km/h時，最大水平拉應力為 360.4 kPa；當車速為 100 km/h時，最大水平拉應力為 364.7 kPa。上面層和下面層的交界面以及下面層的底面產生水平壓應力，在上面層和下面層的交界面位置，水平壓應力最大。當車速為 60 km/h時，最大水平拉應力為 324.5 kPa；當車速為 80 km/h時，最大水平拉應力為 328.7 kPa；當車速為 100 km/h時，最大水平拉應力為 335.3 kPa。

水平應力隨荷載的變化呈現半正弦的變化規律，當車輛荷載到達峰值時，瀝青橋面鋪裝層中各個點的水平應力均達到最大值，當車輛荷載結束時，各點的水平應力也趨近于0。與豎向位移和豎向應力的規律類似，隨著車輛行駛速度的減小，車輛荷載作用在橋面的時間延長，對橋面的影響也隨之增大。

2.4 剪應力分析

越來越多的研究表明，剪應力也是導致瀝青橋面鋪裝層出現損壞的主要原因之一。根據數值計算結果，得到不同行駛速度下的橋面鋪裝層表面荷載中心位置不同深度的剪應力隨時間的變化曲線，如圖7所示。

由圖7可知，隨著鋪裝層深度的增加，剪應力呈先增大再減小的趨勢，其中最大剪應力出現在上面層和下面層的交界面上。當車速為 60 km/h時，鋪裝層的上表面、上面層和下面層的交界面以及下面層底面的最大剪應力值分別為 143.9 kPa、 230.1 kPa和 192.9 kPa；當車速為 80 km/h時，鋪裝層的上表面、上面層和下面層的交界面以及下面層底面的最大剪應力值分別為 145.8 kPa、 233.1 kPa和 196.8 kPa；當車速為 100 km/h時，鋪裝層的上表面、上面層和下面層的交界面以及下面層底面的最大剪應力值分別為 147.9 kPa、 234.6 kPa和 200.2 kPa。

剪應力隨荷載的變化呈現半正弦的變化規律，當車輛荷載到達峰值時，瀝青橋面鋪裝層中各個點的剪應力均達到最大值，當車輛荷載結束時，各點的剪應力也趨近于0。

3 結語

本文依托某高速公路的瀝青橋面鋪裝混凝土連續箱梁橋實際工程，通過ABAQUS軟件進行數值模擬，分析了瀝青橋面鋪裝層在行車荷載作用下的力學性能，主要結論如下：

（1）當車輛荷載達到峰值時，橋面的豎向位移值達到最大。在不同的車輛行駛速度下，橋面在跨中位置的最大豎向位移值相差不大，隨著車輛行駛速度的減小，車輛荷載作用在橋面的時間延長，對橋面的影響也隨之增大。

（2）在不同的車輛行駛速度下，橋面鋪裝層的最大豎向應力均出現在鋪裝層表面荷載中心位置，且隨著鋪裝層的深度逐漸增加而減小，不同的車輛行駛速度下橋面鋪裝層的最大豎向應力數值相差不大。

（3）在車輛荷載下，橋面鋪裝層內可能會產生較大拉應力，當拉應力大于其材料的極限抗拉強度時，鋪裝層就會出現裂縫，從而影響其使用壽命。水平應力隨荷載的變化呈現半正弦的變化規律，當車輛荷載達到峰值時，瀝青橋面鋪裝層中各個點的水平應力均達到最大值，當車輛荷載結束時，各點的水平應力也趨近于0。

（4）在車輛荷載下，隨著鋪裝層深度的增加，剪應力呈先增大再減小的趨勢，其中最大剪應力出現在上面層和下面層的交界面上。當車輛荷載達到峰值時，瀝青橋面鋪裝層中各個點的剪應力均達到最大值，當車輛荷載結束時，各點的剪應力也趨近于0。

參考文獻

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收稿日期：2022-10-20