水泥混凝土橋面鋪裝層最不利荷載位置的確定

徐永麗，程培峰，孫志明

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱150040)

我國瀝青混合料橋面鋪裝早期破壞嚴(yán)重［1］，逐漸引起人們的重視，傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)只重視橋梁結(jié)構(gòu)自身的受力性能，以至于目前橋梁設(shè)計(jì)方法日趨成熟但是對橋面鋪裝層卻不做專門的力學(xué)分析，我國目前的路面設(shè)計(jì)規(guī)范對瀝青混凝土鋪裝層設(shè)計(jì)僅從所用材料和厚度上根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)做了指導(dǎo)性說明，沒有具體的設(shè)計(jì)理論和方法［2］。關(guān)于橋面鋪裝的研究較多，然而大多集中在材料和層間粘結(jié)材料［3］，然而由于主梁的不同形式使橋面鋪裝結(jié)構(gòu)受力更為復(fù)雜，有必要針對結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析，本文以T型簡支梁橋?yàn)閷ο蚍治霾煌晌幌聻r青混凝土鋪裝層切應(yīng)力狀況變化規(guī)律，作為橋面鋪裝體系力學(xué)行為的基礎(chǔ)。

1 混凝土梁模型的建立

1.1 基本假定

(1)本文假設(shè)瀝青混凝土是均勻、連續(xù)、各向同性材料，采用線彈性理論分析鋪裝層內(nèi)各種力學(xué)響應(yīng)。

(2)混凝土橋面系是均勻、連續(xù)、各向同性材料。

(3)在瀝青混凝土鋪裝層與水泥混凝土鋪裝層之間設(shè)置一層1 mm的實(shí)體單元夾層，用以分析膠結(jié)界面的受力特性。

(4)瀝青混凝土鋪裝層與水泥混凝土鋪裝層、水泥混凝土鋪裝層與橋面板之間為完全連續(xù)狀態(tài)。

(5)在兩側(cè)計(jì)算跨徑處分別施加固定支座和移動支座約束。

(6)考慮混凝土梁和瀝青鋪裝層的自重，但是忽略橋梁振動的影響。

1.2 計(jì)算荷載及模型參數(shù)

車輛荷載采用標(biāo)準(zhǔn)車型BZZ－100，軸重100 kN，車輪壓力0.7 MPa。為方便有限元計(jì)算分析按面積等效原則將雙輪荷載轉(zhuǎn)換為正方形，車輪與路面的接觸面理想化為18.9 cm×18.9 cm的正方形［4］，雙輪輪心間距28.9 cm，雙輪組軸距1.8 m。盡考慮車輪荷載的豎向壓力而不考慮由于正常行駛或制動時產(chǎn)生的水平力。計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of the model

參照文獻(xiàn)中的典型鋼筋混凝土T型梁橋具體尺寸，以及具體配筋情況建模［5－6］。T型梁計(jì)算跨徑19.5 m，橋梁全長19.96 m，橋面凈寬度7 m，由5片T梁組成。按照以上計(jì)算參數(shù)建立荷載作用下有限元模型如圖1所示。其中單元類型為:主梁、素混凝土層，瀝青混凝土鋪裝層均采用三維8節(jié)點(diǎn)等6面體單元;鋼筋采用線單元。以x軸方向?yàn)闄M橋向，z軸方向?yàn)榭v橋向，y軸方向?yàn)闃蛄焊叨确较颉?/p>

圖1 計(jì)算模型全圖Fig.1 The whole picture of the model

圖2 5種不同工況荷載位置圖Fig.2 Five different load locations

2 橫向最不利荷載位置確定

根據(jù)橋面的結(jié)構(gòu)和計(jì)算荷載的尺寸特點(diǎn)，分別在支點(diǎn)處橫向布置5種不同工況的荷位如圖2所示。其中工況一和工況四輪載分別位于1號梁和2號梁翼緣板中間;工況二輪載作用于一側(cè)T梁的翼板邊緣;工況三輪載對稱分布于T梁接縫處。工況五輪載對稱分布于2號梁腹板兩側(cè)。

按照如圖2所示5種荷載工況進(jìn)行加載，由于本文的基本假定為瀝青混凝土鋪裝層與水泥混凝土鋪裝層、水泥混凝土鋪裝層與橋面板之間為完全連續(xù)狀態(tài)，以至于在瀝青混凝土鋪裝層得層底追隨混凝土主梁變形而不出現(xiàn)拉應(yīng)力，所以分別計(jì)算鋪裝層內(nèi)以及界面處最大縱、橫向切應(yīng)力，用切應(yīng)力作為控制鋪裝層產(chǎn)生破壞的指標(biāo)。計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 最大縱向切應(yīng)力變化圖Fig.3 The variation of maximum longitudinal shear stress

圖4 最大橫向切應(yīng)力變化圖Fig.4 The variation of maximum transverse shear stress

分析比較圖3和圖4可以得到以下結(jié)論:鋪裝層內(nèi)縱、橫向切應(yīng)力沿鋪裝深度方向非線性增大，分別在在鋪裝層4cm和5cm處達(dá)到最大;縱、橫切應(yīng)力無論在何種工況下均在層底界面處產(chǎn)生突變，且橫向切應(yīng)力突變較大，其中工況二的橫向切應(yīng)力突變最大，為112.5%;工況三處的橫向切應(yīng)力明顯低于其他工況，約是其他工況的85%;除工況三以外的其他荷載工況橫向最大切應(yīng)力峰值均略大于縱向切應(yīng)力，所以在支點(diǎn)截面橫向最大切應(yīng)力為主要控制指標(biāo)。橫向最不利位置為縱向切應(yīng)力與橫向切應(yīng)力均為最大的工況二。

3 縱向最不利荷載位置確定

根據(jù)上述橫向的最不利荷載工況二，按照支點(diǎn)、1/8、1/4、3/8、跨中5種荷位進(jìn)行縱向最不利布載，其中在1/4跨和跨中處設(shè)有橫隔板。縱、橫向切應(yīng)力變化計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 縱向不同荷位縱向切應(yīng)力變化圖Fig.5 The variation of longitudinal shear stress at different load locations

分析比較圖5和圖6可知:在縱向不同荷位作用下縱向最大切應(yīng)力有顯著變化，其中最大的1/8荷位為最小的跨中荷位的1.43倍，而橫向最大切應(yīng)力變化不顯著，所以縱向最不利荷位由縱向最大切應(yīng)力控制。從圖5中不難發(fā)現(xiàn)最大縱向切應(yīng)力在越接近支座越大，在支座處由于力主要由支座承受車輪荷載反而縱向切應(yīng)力降低。所以縱向最不利荷載位置位于靠近支座附近的1/8截面。

圖6 縱向不同荷位橫向切應(yīng)力變化圖Fig.6 The variation of transverse shear stress at different load locations

4 結(jié)論

本文對鋼筋混凝土簡支T型梁橋以及橋面鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，對橫向5種工況，縱向支點(diǎn)、1/8、1/4、3/8、跨中等荷位作用下橋面鋪裝層的力學(xué)行為，得到以下結(jié)論:

(1)在僅受垂直荷載作用下，橋面鋪裝的縱橫向最大切應(yīng)力出現(xiàn)在距鋪裝層表面4～6 cm。

(2)在任何荷載工況下縱、橫向切應(yīng)力均在層底界面處產(chǎn)生突變。

(3)最不利荷載位于橫橋向偏載，作用于一側(cè)T梁的翼板邊緣;縱橋向接近支座的位置，本文定于1/8截面處。

［1］楊育生，陳淵召，汪日燈.瀝青混合料橋面鋪裝層間工作狀態(tài)確定及新型防水粘結(jié)材料研究［J］.公路，2009，(4):119 －123.

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［4］梁 濤.動載作用下瀝青路面三維有限元分析［J］.北方交通，2009，(11):35 －37.

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