自应力混凝土桥面铺装

蒋蕾

摘要：在桥梁体系中，桥面铺装层既是主体结构的保护层，也是桥梁体系与外部荷载直接接触的受力层，其质量及健康程度直接影响到行车安全和舒适程度以及桥梁主体结构的耐久性。钢纤维自应力混凝土因自应力混凝土的硬化膨胀受钢纤维三个方向的限制而产生一定的预压应力，混凝土基体更加致密，其抗裂性能和耐久性都得到很大的提升，是桥面铺装的理想材料。

关键词：自应力混凝土；桥面铺装

1桥面铺装设计

水泥混凝土和沥青混凝土钢筋混凝土桥梁、预应力钢筋混凝土桥梁的桥面铺装层通常使用的材料。桥面铺装问题是桥梁专业和道路专业的共同问题，但多年来一直不被人们重视。目前的桥面铺装设计都是按照道路和桥梁各自的需求进行设计，通常是在前人的设计经验基础上进行的，不具有结构性的功能要求和设计目的。

2自应力混凝土

自应力混凝土是膨胀混凝土的主要分支之一。由于膨胀混凝土在混凝土的硬化过程中生成硫铝酸钙水化物—钙矾石，体积发生膨胀，在纤维、钢筋或者其他界面约束的限制下，混凝土膨胀受限，在混凝土内部获得一定化学自应力。目前有两种常用方法可获得这种化学预应力：一种是将适量膨胀剂加入普通混凝土，可以产生不到1MPa的自应力，这种膨胀混凝土称为补偿收缩混凝土；另一种是直接使用自应力水泥代替普通水泥配制混凝土，此时混凝土膨胀变形比较大，可以产生2～8MPa自应力，即自应力混凝土。

3自应力混凝土桥面铺装

混凝土是一种成分复杂、性能多样的弹塑性复合材料，而加入钢纤维的钢筋混凝土，其非线性程度更高，采用弹性理论分析其内部应力与变形己远远满足不了精度的要求。上世纪后半段，计算机技术和有限元理论得到充分发展，这为混凝土的非线性分析提供了有效的解决手段。通过钢筋混凝土的非线性分析，可以得到混凝土结构完整的破坏过程，从而得到破坏过程中各种材料参数和力学性能的发展和变化，为工程设计和科学研究提供更多更可靠的依据。

3.1研究方案

由于仅在桥梁铺装层铺装钢筋钢纤维自应力混凝土，且主要研究其对桥梁支座负弯矩区抗弯能力的贡献，因此本段数值模拟主要从以下两点开展研究：

（1）以钢筋钢纤维自应力混凝土代替普通混凝土作为桥面铺装，对比二者在荷载作用下支座负弯矩区的抗弯能力；

（2）因桥梁支座处最容易产生负弯矩，支座负弯矩区桥面铺装最易开裂，因此考虑将钢筋钢纤维自应力混凝土仅铺装在支座负弯矩区的工况，研究不同铺装长度对桥梁支座负弯矩区的抗彎性能的影响，从而确定连续混凝土桥梁中合理的钢筋钢纤维自应力混凝土铺装长度，为实际工程做参考。

3.2混凝土非线性分析

随着科学的进步和人类的发展，人们正不断地追求更极致的体验：更快的交通工具，更加精致的仪器，更高的楼房，跨度更大的桥梁等等，这就要求工程设计师在设计阶段就能精确预测工程的技术性能，需要准确计算结构的静动力强度，以及各种变量对工程结构的影响，譬如温度场、电磁场、渗流等。近年来，随着计算机技术和数值方法的发展，有限单元法逐渐兴起，成为解决复杂工程的分析计算问题提供了有效途径。

上世纪50年代，波音公司在进行机翼的应力分析时，首先将连续的机翼离散为若干三角形进行分析，并获得成功。1960年前后，我国的冯康教授以及美国的R.W.Clough教授分别独立提出“有限单元”这一名词，有限元技术就此诞生。在发展初期，因其精简的原理和朴素的基本思想，有限元技术被学术界的许多权威嗤之以鼻，诸如Journal of Applied Mechanics等知名刊物都拒绝接受相关文章。而如今，有限元分析的思想己经成为数值计算的主流，应用范围越来越广。计算机技术的不断发展，助其在实际工程问题中的应用成为现实，诸多有限元分析软件层出不穷。

有限单元法的基本思想是将一个连续的结构体离散为有限个微小单元，相邻的单元通过单元间的节点相连。当划分的单元足够小时，在每个单元中，结构的变形和应力趋于简单，此时通过计算机可以容易求出节点处应力和变形。单元内部的应力和变形通过函数插值获得，进而得到整个结构的变形和内力。这样以来，求解结构内部变量的无穷自由度问题将转化为求解节点变形和应力的有限自由度问题。划分单元越小越多，结果越精确，但是计算量也迅速增加，对计算机硬件要求越高，计算时间也越久。因此，在实际工程结构的数值模拟当中，在计算精度与计算量之间要取舍有度。

3.3单元选择及基本参数

SOLID65单元是SOLID45单元的加强版，是做混凝土非线性分析最常用的单元。与SOLID45单元相比，SOLID65单元最重要的方面是加入了对混凝土材料非线性的处理，即可以自定义混凝土的应力应变曲线。此外，还增加了混凝土开裂和压碎的描述，可以模拟混凝土的开裂（三个正交方向）、徐变、压碎、塑性变形。在混凝土的数值模拟中，用SOLID65单元模拟混凝土，可以用自带的钢筋常数考虑配筋，也可以用线单元比如LINK180单元或者LINK8等单元模拟钢筋的作用。该单元为八节点实体单元，每个节点有三个自由度，其几何模型如图1所示。

本文选用LINK180单元模拟配筋。LINK180单元是工程中常用的杆单元，它是一种三维杆单元，轴向可承受拉压应力，但不承受弯矩可以用来模拟析架、索杆、连杆、弹簧等。LINK180的单元几何模型如图2所示。

4结束语

文章将钢筋钢纤维自应力混凝土应用于桥面铺装层，在提高铺装层基本耐久性的同时，针对其有利于桥梁结构体系受力的结构潜能进行了试验研究及模拟分析，结果表明钢纤维自应力混凝土是理想的桥面铺装材料。

（作者单位：江苏中路工程技术研究院有限公司）