混凝土桥沥青铺装层力学性能

白继玲，吴书维

（1.山西水利职业技术学院，山西 运城 044004；2.运城中学，山西 运城 044000）

混凝土桥沥青铺装层力学性能

白继玲1，吴书维2

（1.山西水利职业技术学院，山西 运城 044004；2.运城中学，山西 运城 044000）

本文采用ansys15.0对混凝土桥沥青铺装层进行了力学分析，对工程实际中的桥梁进行了适当的简化处理，建立的合适的有限元几何模型，主要研究上下沥青铺装层厚度及材料的弹性模量对温缩应力影响。

混凝土桥；沥青铺装层；有限元分析；温缩应力

为了改善铺装层的设计，提高桥梁的使用寿命，我国许多工作人员提出了众多的解决方法。罗立峰[1]、季节[2]、卢哲安[3]等人的研究有效的改善了桥梁的裂缝现象。本文笔者将通过有限元模拟及力学分析对改善铺装层提出了自己的意见。

1 工程概况

本工程为某省公路大桥，该桥位于交通要道，是一座规模大、技术含量高的大型混凝土多塔斜拉桥。该桥设计时速为 120km/h，设计的标准载荷为汽车超—20级，挂车—120级，其主桥参数为：42m+42m+300m+300m+42m+42m，主梁全长768.5m，桥面宽度为32.8m。桥身主梁采用的是双边三角箱预应力混凝土材料，横隔梁与斜拉索对应布置，桥边跨间距为6.5m，中间跨间距为7.5m，主梁在中塔处与中塔固结，边塔处于半漂浮状态。桥面的铺装体系有三部分构成，分别为：水泥混凝土板，防水层和沥青混凝土铺装上下层。

2 桥面铺装的有限元模拟及力学分析

2.1 有限元模型的建立

本次使用的有限元软件为美国ANSYS公司研制的ansys15.0版本，ansys软件是主流有限元模拟软件之一，具由功能强大，操作简便，最重要的是计算结果可靠，能够加快计算速度等优点。为了建立有限元分析模型，我们首先应该在保证计算结果准确性的前提下，把工程中的桥梁简化为可以进行有限元计算的数学模型。为此，对上述工程中的桥梁做一下几种简化：

①假设沥青与混凝土等实际工程原料为连续、均匀的各向同性弹性材料；②桥梁两端一端为固结约束，一端为滑动约束；③混凝土桥面整体为连续、均匀的各向同性的弹性材料；④铺装层与桥面之间是连续的，即应力连续和应变连续；⑤所有的材料均为线弹性材料，且最大变形处于弹性范围。

在有限元分析计算中，单元网格的大小直接影响着计算结果的精度，但网格的疏密程度又关乎着计算时间，虽然网格越小，计算结果会较为精准，但是这同时会提高计算的耗时。因此合理的选择网格的大小对有限元计算至关重要。本研究中，混凝土桥沥青铺装层分析简化模型为:5 m*3 m*0.6 m，单元网格尺寸为：2 cm*2 cm*5 cm，具体模型见图1。

图1 混凝土桥沥青铺装层有限元简化模型

2.2 铺装层结构及材料参数对低温缩裂性能影响分析

2.2.1 铺装层厚度的影响

在研究铺装层厚度对其抗低温缩裂性能的影响时，发现由于铺装层的上下层所处的环境状况不同，这可能导致它们对抗低温缩裂性能存在差异，所以分别对铺装上层和铺装下层厚度进行分析。其中，在进行铺装上层变化影响分析时，固定铺装下层厚度为5cm，铺装上层的变化范围取3～8cm，计算结果如图2所示；同理，在进行铺装下层变化影响分析时，固定铺装上层厚度为4cm，铺装上层的变化范围取3～8cm。铺装层厚度结果分析：可见不论是铺装上层还是铺装下层，其温缩应力随厚度的变化趋势十分相似，都呈现出铺装层的温缩应力先随厚度的增大而降低，当厚度达到某个临界值时，温缩应力又随厚度的增大而增大。由此可推断，对铺装层的抗温缩开裂性能而言，整个铺装层厚度存在一个临界值，当铺装层厚度超过这个临界值时，铺装层内部的温缩应力随着整体厚度的增大而增大，当铺装层厚度小于这个临界值时，铺装层内部的温缩应力随着整体厚度的增大而减小，因此合理的选择铺装层的厚度对提高路面的抗温缩开裂性能有利。

2.2.2 铺装层弹性模量的影响

弹性模量作为衡量材料产生弹性变形难易程度的重要指标，其值的大小直接影响着材料抵抗变形的能力。在研究铺装层模量对其抗低温缩裂性能的影响时，也分别对铺装上层和铺装下层模量进行分析。其中，在进行铺装上层变化影响分析时，固定铺装下层模量为4000 MPa，铺装上层的变化范围取2600～3600 MPa；同理，在进行铺装下层变化影响分析时，固定铺装上层模量为4000 MPa，铺装上层的变化范围取 2600～3600 MPa。随着桥面上层铺装层弹性模量的增大，其相应的内部温缩应力随着上升。这可能是因为铺装层上层是主要承载界面，当铺装上层模量增加时，其在整个铺装层内所占的刚度逐渐增加，从而在温度作用下铺装层内的应力将逐渐集中在铺装上面层，因此，铺装层的温缩应力也随着上面层模量的增大而上升。相反地，在桥面铺装下层，铺装层内部的温缩应力随着下层厚度的增大而降低，这可能归因于当铺装下层模量逐渐加大时，其在整个铺装层中铺装下层的刚度所占比例不断加大，相应地，铺装上层所占比例逐渐下降，其受力也逐渐减小，从而表现出铺装层内的温缩应力随下面层模量的增大而降低。当铺装上层模量由26OOMPa逐渐增加到36OOMPa时，相应的铺装层内部温缩应力也由最初的1.8925MPa上升至2.3882MPa，增幅达20.7%;可见，铺装上层模量的改变，对铺装层内部温缩应力的影响较为明显，而铺装下层模量由 260OMPa逐渐增加到3600MPa时，相应的铺装层内部温缩应力也由2.3861MPa下降至 2.2892MPa，减小幅度仅为1.43%，可见，铺装下层模量的改变，对铺装层内部温缩应力几乎没有影响。因此，通过减小铺装上层的弹性模量来降低铺装层内的温缩应力，从而达到改善桥面铺装层的抗低温缩裂性能。

3 结论

本文使用有限元方法研究了铺装层厚度与材料参数对抗低温缩略的影响，结果表明：上、下铺装层对温度应力都有较大的影响，且存在一个临界值。当铺装层厚度恰好为此临界值时，此时温缩应力最小，抗低温能力最好；上层的铺装材料的弹性模量对温缩应力也有较大的影响，减小上层铺装材料的弹性模型可也有效的改善沥青铺装层的抗低温能力，但是下层铺装材料弹性模型的影响就不怎么明显。因此，在实际工程中，应该适当调整上下层铺装材料的厚度，适当降低上层铺装材料的弹性模型，以期达到良好的抗温缩能力，延长桥的使用寿命。

[1]罗立峰,钟鸣,黄成造.桥面铺装设计理论的研究[J].华南理工大学学报:自然科学版,2002,(4):91-96.

[2]季节,龙佩恒,王毅娟 等.用有效活载挠度确定钢筋混凝土桥面铺装层的厚度[J].北京建筑工程学院学报,2001,(3):61-64.

[3]卢哲安,易贤仁.高速公路桥涵桥面铺装层力学性能的试验研究[J].武汉工业大学学报,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

（责任编辑：吴 芳）

白继玲（1980-），女，山西朔州人，研究方向：无线电、物理。