瀝青鋪裝層厚度對混凝土橋面層間粘結(jié)性能的影響

何 浩,洪敏強(qiáng),汪華坡,王智康

(1.鄂州市臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)工程管理中心,鄂州 436099;2.湖北省招標(biāo)股份有限公司,武漢 430071)

交通事業(yè)的發(fā)展帶動了車流量的增加,引起超載現(xiàn)象的頻發(fā)。在此背景下行車荷載引發(fā)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)破壞的問題變得越來越嚴(yán)重。層間粘結(jié)問題若不引起重視將繼續(xù)引發(fā)推移、擁抱等大規(guī)模病害,危及行車安全及橋梁主體結(jié)構(gòu)的安全[1]。橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)屬于多層復(fù)合結(jié)構(gòu),主要包括瀝青鋪裝層(多層)、防水粘結(jié)層和調(diào)平層等[2]。由于各層所用材料不同,因此在荷載或環(huán)境作用下各層的受力與變形不協(xié)調(diào)。瀝青鋪裝層作為橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的上覆蓋層,直接承受車輪的碾壓與沖擊,并將荷載分散到下層結(jié)構(gòu)中去[3],其厚度會直接影響防水粘結(jié)層的受力狀態(tài)。評價(jià)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)性能時(shí),通常采用拉拔試驗(yàn)和層間剪切試驗(yàn)[4],評價(jià)指標(biāo)包括抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,一般采用層間剪應(yīng)力和層間法向拉應(yīng)力作為控制指標(biāo)。該文擬利用數(shù)值模擬方法分析局部輪載作用下瀝青鋪裝層對混凝土橋面層間粘結(jié)性能的影響,為混凝土橋梁瀝青橋面鋪裝設(shè)計(jì)和正常使用提供參考。

1 混凝土箱梁整橋模型的建立

以某跨徑30 m的簡支混凝土箱梁瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)為研究對象,進(jìn)行合理的簡化,建立混凝土箱梁整橋有限元模型。在建立有限元模型過程中,遵循以下假定:將鋪裝上層、鋪裝下層、防水粘結(jié)層、調(diào)平層、箱梁看作連續(xù)均勻、各向同性的彈性材料,各層間始終保持變形協(xié)調(diào),看作完全連續(xù)的材料。依據(jù)文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)資料[5],基本材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

根據(jù)上述假定和材料參數(shù),建立箱梁整橋有限元模型如圖1所示。箱梁采用簡支約束。我國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中所采用的車輛荷載為汽車超-20級550 kN重車荷載,取其后軸一側(cè)車輪,荷載作用區(qū)域?yàn)殚L0.6 m、寬0.2 m的矩形,采用集度為0.7 MPa的均布荷載。剎車水平力大小取豎向荷載的0.5倍。

2 瀝青鋪裝層厚度對層間粘結(jié)性能的影響

我國公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定,高速公路和一級公路水泥混凝土橋面瀝青混合料鋪裝層厚度不宜小于70 mm,宜采用兩層或兩層以上的結(jié)構(gòu),瀝青混合料鋪裝上層厚度不宜小于30 mm[6]。在此基礎(chǔ)上分別考慮鋪裝上層和鋪裝下層厚度變化,基于上述混凝土整橋有限元模型和車輛荷載進(jìn)行仿真計(jì)算層間粘結(jié)應(yīng)力,進(jìn)而對比分析橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的層間應(yīng)力變化規(guī)律。其中調(diào)平層和防水粘結(jié)層相連的界面上的剪應(yīng)力峰值與拉應(yīng)力峰值記為τ1max和σ1max,防水粘結(jié)層內(nèi)部的剪應(yīng)力峰值和拉應(yīng)力峰值記為τ2max和σ2max,鋪裝下層和防水粘結(jié)層相連的界面上的剪應(yīng)力峰值和拉應(yīng)力峰值記為τ3max和σ3max,取三者中剪應(yīng)力峰值的最大值τmax和拉應(yīng)力峰值最大值σmax作為層間粘結(jié)分析的控制指標(biāo)。

2.1 瀝青鋪裝上層厚度的影響

橋面鋪裝層間應(yīng)力峰值隨瀝青鋪裝上層厚度的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2(a)可知,調(diào)平層上表面剪應(yīng)力峰值τ1max、防水粘結(jié)層內(nèi)部剪應(yīng)力峰值τ2max和鋪裝下層下表面剪應(yīng)力峰值τ3max均隨著鋪裝上層厚度的增大而減小,這是因?yàn)殇佈b上層厚度的增加使得荷載擴(kuò)散范圍增大,局部集中的力變得更加分散。其中,τ1max的減小幅度為16.7%,τ2max的減小幅度為14.7%,τ3max的減小幅度為13.9%,這說明鋪裝上層厚度的增加對層間抗剪性能的提升起到了較為明顯的作用。τ1max減小幅度最大是因?yàn)榉浪辰Y(jié)層也起到了擴(kuò)散荷載的作用。

表2 層間法向拉應(yīng)力峰值

2.2 瀝青鋪裝下層厚度的影響

橋面鋪裝層間應(yīng)力峰值隨瀝青鋪裝上層厚度的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3(a)可知,與鋪裝上層相同,隨著鋪裝下層厚度的增大,調(diào)平層上表面剪應(yīng)力峰值τ1max、防水粘結(jié)層內(nèi)部剪應(yīng)力峰值τ2max和鋪裝下層下表面剪應(yīng)力峰值τ3max均發(fā)生不同程度的減小,其中τ1max、τ2max和τ3max的減小幅度分別為16.0%、13.9%和8.4%。這說明鋪裝下層厚度的增加亦可改善橋面鋪裝的層間抗剪性能,其原因也是厚度的增加使上部的荷載傳遞到防水粘結(jié)層時(shí)擴(kuò)散的面積更大。值得注意的是,τ1max的減小速度是τ3max的兩倍,當(dāng)鋪裝下層厚度增大到8 cm時(shí),τ3max已經(jīng)超過τ1max,這表明剪切作用下的薄弱界面已經(jīng)從調(diào)平層上表面轉(zhuǎn)移至鋪裝下層下表面。這種剪切作用下薄弱界面轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象在鋪裝上層厚度變化中亦有發(fā)生,只是程度不如在鋪裝下層厚度變化下來得快。

表3 層間法向拉應(yīng)力峰值

3 結(jié) 語

通過數(shù)值模擬分析表明,瀝青鋪裝層厚度對混凝土橋面層間粘結(jié)性能具有一定的影響。隨著瀝青鋪裝層厚度的增大可以使得層間剪應(yīng)力和法向拉應(yīng)力發(fā)生重分配,當(dāng)瀝青鋪裝上層厚度從3 cm增加到7 cm時(shí),防水粘結(jié)層內(nèi)部剪應(yīng)力減小幅度為14.7%,平均層間法向拉應(yīng)力減小幅度為17.5%;當(dāng)瀝青鋪裝下層厚度從4 cm增加到8 cm時(shí),防水粘結(jié)層內(nèi)部剪應(yīng)力減小幅度為13.9%,平均層間法向拉應(yīng)力減小幅度為16.4%。因此,通過調(diào)整瀝青鋪裝層厚度,可以在一定范圍內(nèi)提升瀝青橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的層間抗剪性能和抗拉性能。