水泥混凝土弯坡斜桥沥青混凝土铺装结构力学特性研究

陈勇鸿，黄仁国，胡 冰

(湖南省娄新高速公路建设开发有限公司，湖南娄底 417000)

水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装层破坏常表现为层间剪切破坏、起皮拥抱，纵横裂缝等。结合桥梁结构理论和路面设计的方法，根据不同的桥梁形式以及具体结合湖南省娄新高速公路部分水泥混凝土桥特大桥纵坡大且平面线形为弯坡斜桥，用有限元方法空间进行实体建模，根据其破坏特征，对汽车荷载作用下水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装层层间剪应力、法向分离拉拔力以及接触层间摩擦滑动算和受力机理分析，为深入开展适用于湖南娄新高速公路水泥混凝土弯坡斜桥沥青混凝土铺装层间处置研究提供理论依据。

1 基本假设和模型建立

1.1 基本假设

1)桥梁梁体、铺装层和防水层都处于无裂缝工作状态。

2)所有材料符合线弹性假设。

3)铺装层、防水层和桥梁主体一起承受汽车荷载作用。

4)除接触分析外，铺装层、桥面板和防水层间完全连续接触。

5)在层间接触分析中，假设接触层间摩擦滑动。

1.2 有限元分析模型

1.2.1 单元选用

计算分析采用空间实体建模，对于铺装层、桥梁上部结构、桥梁附属结构物如支座均采用8节点实体单元SOLID45模拟。单元的每个节点有3个平动自由度 UX，UY，UZ。

1.2.2 力学模型和有限元分析模型

考虑湖南娄新高速公路建设中弯坡斜桥主要采用T形梁桥的结构形式以及特大桥主要采用箱梁结构形式，根据娄新高速桥梁特点，选取不同桥型具有代表性尺寸，桥梁尺寸见表1，桥梁体、铺装层和支座采用空间八节点实体单元模拟。边界条件为橡胶支座支撑下的简支梁和连续梁，不考虑桥梁下部结构。经比较分析，连续梁远离负弯矩区划分至100 cm，单元数最多86 432个，节点数103 318(连续四跨T梁8 cm铺装层包括防水层时)。层间连续接触时采用耦合处理(上下对应节点位移一致)，滑动摩擦接触时采用接触分析。

表1 不同桥型尺寸

1.3 荷载及基本参数确定

1.3.1 纵横向布载形式

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTJ 021－89)(简称桥规)，取荷载组合为:汽车 +制动力+冲击力。采用汽超－20双车队单向并排行驶，分析比较铺装层拉应力、接触层间剪应力，确定按照横向偏载和使跨中弯矩最大的组合布载。

1.3.2 车轮接地形式

采用双轮接地形式，桥规规定重轮接地面积0.2 m×0.6 m，但过于笼统，参照有关研究成果:对于车轮接地面积可采用公式A=0.008P+15和p=P/A确定A和p(A为轮胎接地面积，P为轴重，p为轮胎接地压强)。跨中140 kN重轴车轮接地形式确定为:双轮接地，单轮宽18 cm，轮隙10 cm，接地长24 cm，接地压强0.91 MPa(考虑冲击作用，表2)。荷载组合根据桥规取汽超－20+制动力 +冲击力，假定有一辆重车紧急制动，取制动系数0.5(重力的倍数)。

1.3.3 材料基本参数

见表3。

表2 不同轴重对应的单轮接地面积和接地应力

表3 材料基本参数

2 沥青混凝土铺装结构荷载应力分析

2.1 沥青混凝土模量对铺装结构受力的影响

沥青混凝土铺装层模量随外界气温变化和荷载作用时间的改变变化很大，温度越高，模量越低;温度越 低，模 量 越 高。以 500、1 800、5 000、20 000 MPa作为4个模量代表值。计算箱梁铺装层在不同模量状态下的拉应力表明(图1):在模量低于5 000 MPa时，拉应力最大值σ1由汽车制动直接产生，随着铺装层厚度增大而增大(变形增大);当模量较高时(≥5 000 MPa)，随着厚度增加σ1减小，对于箱梁最大值出现在肋板梗翼和顶面板交接的变厚度位置;对于T梁最大值在翼缘板相接的位置，肋板顶面σ1也比较大。模量越大，应力越大。

图1 不同模量时铺装层顶面拉应力与铺装层厚度的关系

对跨中段分析知简支桥梁相对连续梁层间剪应力和铺装层顶面拉应力都要大，层间τyz最大值在重车后轴140 kN车轮底靠前，τxy最大值在车轮横向边缘，向外侧迅速减小，局部效应明显。从表4的计算结果知:AC模量对影响很小;AC模量从150 MPa到 20 000 MPa，增大 48.56%，增大16.905%增大24.32%增大16.562%，影响较大。见图2～图4。

表4 铺装层和防水层间应力随AC模量变化

图2 应力值随模量变化曲线图

图3 应力值随模量变化曲线

图4 应力值随模量变化曲线

2.2 不同作用状态下铺装层应力比较分析

以简支箱梁10 cm铺装层为分析对象，对不同条件下的铺装体系分别进行计算比较。弯坡斜桥的平面线形为弯坡斜桥同时纵向又位于长下坡(竖曲线)末端，车辆驶入该路段时，一般需经过高速(制动)— 低速(加速)— 高速的过程，在转弯上坡时，铺装层除承受上述剪应力外，还将承受离心力和重力的作用，并在铺装层中产生指向路缘的横桥向剪应力和指向下坡的顺桥向剪应力，再加上转向行驶，车辆对路面的剪应力急剧增加，加大了铺装层的破坏。

2.2.1 有无制动力的影响

在制动作用下，τxy、τyz都比无制动时要大，σy相差很小。无制动时，横桥向剪应力τxy大于纵桥向τyz，有制动时恰恰相反(表5)。

2.2.2 设有纵坡的桥梁桥面铺装层

当桥梁处在路线纵坡段时，桥面板承受法向压力减小导致横向变形减小、而顺桥向水平力(制动力和重力分量的综合)增大。随着纵坡增大，铺装层表面顺桥向剪应力、拉应力增大;层间拉应力σy、随纵坡增大而减小(见表6)。

2.2.3 曲线梁桥铺装层

简支梁箱梁处在半径R=400 m，超高4%的圆曲线段，车速80 km/h，布载方式同直线桥梁，离心力0.102 1 MPa。计算得铺装层表面水平面内最大合成剪应力0.449 MPa，稍大于顺桥向剪应力，偏离行车方向11.810;铺装层和防水层间最大剪应力合成值0.285 3 MPa，相对顺桥向剪应力相差很小。层间法向拉拔力和直线梁桥相比变化很小，可以忽略(表7)。

表5 制动力对铺装层的影响MPa

表6 纵坡对铺装结构受力的影响MPa

表7 曲线梁桥铺装层MPa

3 小结

通过针对不同桥型空间实体建模，分析水泥混凝土桥沥青混凝土铺装层汽车荷载作用下受力规律，得出以下主要结论:

1)铺装层模量变化对层间法向拉拔力影响很小，对层间剪应力影响较大。

2)当铺装层模量较低，最大拉应力由制动力直接产生;模量较高时，T梁在翼缘板交接处和肋板顶面产生很大横桥向拉应力，箱梁在顶面板变厚度处(肋板旁梗翼)对应铺装层产生很大横桥向拉应力，易导致纵向裂缝。在T梁翼缘板交接处横桥向与顺桥向剪应力也都较大，所以要特别注意增强T梁之间的接缝处理来提高横向稳定性。

3)不考虑制动力时，横桥向剪应力大于纵桥向剪应力;考虑制动力时，横桥向剪应力小于纵桥向剪应力。

4)纵坡桥梁铺装层相对平坡而言，主要是在制动力作用下铺装层顶面出现较大顺桥向剪应力，所以要注意加强铺装层表面抗滑和耐磨性能。

5)曲线桥梁层间应力相对直线桥梁铺装层而言，受力差别不明显。

［1］钱振东，黄 卫，茅 荃，等.南京长江第二大桥钢桥面铺装层受力分析研究［J］.公路交通科技，2001(6):43 －46.

［2］谢水友.车轮荷载接地研究［D］.西安:长安大学，2003.

［3］张占军.水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装结构研究［D］.西安:长安大学，2000.