層間接觸狀態(tài)對橋面鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

萬晨光++申愛琴 薛翠真++趙學(xué)穎??

摘要：為解決混凝土橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計時對調(diào)平層與瀝青鋪裝層層間真實接觸狀態(tài)考慮不足的問題，采用理論推導(dǎo)和室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法，應(yīng)用層間接觸系數(shù)來評價不同層間處治措施下的層間接觸狀態(tài)，同時采用ANSYS軟件對不同接觸條件下的力學(xué)響應(yīng)進行分析.結(jié)果表明，植石措施下的層間接觸系數(shù)值最大，為0.607，這與其表面構(gòu)造深度大有關(guān)；部分連續(xù)層間接觸狀態(tài)下瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)明顯較完全連續(xù)接觸條件惡化，以拉毛措施下的瀝青鋪裝層剪應(yīng)力為例，XY向、YZ向剪應(yīng)力最大值分別為0.412 MPa和0.421 MPa，較完全連續(xù)條件下的0.195 MPa和0.222 MPa分別增加了111%和91%，說明以完全連續(xù)層間接觸條件進行鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計是不合理的；四種混凝土表面處治措施下，各鋪裝層所受最大應(yīng)力變化不大，但與完全連續(xù)狀態(tài)相比，瀝青鋪裝層的受力狀況明顯惡化，說明在鋪筑實體工程時要盡可能增強調(diào)平層與瀝青鋪裝層的層間接觸狀態(tài).

關(guān)鍵詞：公路建設(shè)；橋面鋪裝；部分連續(xù)式雙層梁；層間接觸系數(shù)；力學(xué)響應(yīng)

中圖分類號：U443.33 文獻標識碼：A

水泥混凝土橋橋面鋪裝典型結(jié)構(gòu)由水泥混凝土調(diào)平層、防水粘結(jié)層和瀝青鋪裝層組成[1].其中防水粘結(jié)層是設(shè)在調(diào)平層和瀝青鋪裝層層間，起粘結(jié)、防水作用的一層結(jié)構(gòu)層.由于上下層材料性質(zhì)的巨大差異和施工缺陷的存在，使得防水粘結(jié)層常出現(xiàn)粘結(jié)不足的問題，成為橋面鋪裝的病害多發(fā)區(qū)[2-3]，橋面鋪裝層間壽命已成為影響鋪裝結(jié)構(gòu)整體壽命的重要制約因素[4].

目前，我國在進行橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計時，并沒有考慮層間的真實粘結(jié)狀態(tài)，而是假設(shè)各結(jié)構(gòu)層層間為完全連續(xù)[5-6]，這往往導(dǎo)致計算出的應(yīng)力應(yīng)變值偏小，使鋪裝結(jié)構(gòu)處于受力不利狀態(tài)，進而使得橋面鋪裝真實壽命遠遠小于設(shè)計壽命[7].為此，本文針對橋面鋪裝水泥混凝土調(diào)平層和瀝青鋪裝層層間受力特點，采用理論推導(dǎo)和室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法，應(yīng)用層間接觸系數(shù)來評價不同層間處理措施下的層間接觸狀態(tài)，同時運用ANSYS有限元軟件對不同接觸狀態(tài)進行模擬，并對其受力情況進行對比分析.本文的研究成果可以為橋面鋪裝層間處理措施和防水粘結(jié)層材料的選擇提供依據(jù)，同時為混凝土橋橋面鋪裝設(shè)計方法的提出提供參考.

1層間接觸系數(shù)理論與試驗研究

1.1層間接觸系數(shù)力學(xué)模型

層間接觸系數(shù)在此定義為混凝土橋橋面鋪裝調(diào)平層與瀝青鋪裝層層間粘結(jié)狀態(tài)的評價指標，其值反映了鋪裝結(jié)構(gòu)的協(xié)同受力能力.層間接觸系數(shù)的推導(dǎo)采用與加鋪新層的水泥混凝土路面相似的力學(xué)分析方法，即新舊層中性面相對位置對路面結(jié)構(gòu)受力有很大影響[8]，用瀝青混凝土+水泥混凝土雙層梁中性軸的相對位置來反映其層間接觸狀況.完全分離式雙層梁和完全連續(xù)式雙層梁的中性軸位置是容易確定的[9]，然而部分連續(xù)式雙層梁則不然，上下層中性軸的位置隨層間粘結(jié)狀態(tài)的好壞而改變，層間粘結(jié)狀態(tài)越好，兩個中性軸就越接近，層間完全連續(xù)時，中性軸就會重合[10].據(jù)此，采用如下部分連續(xù)式雙層梁力學(xué)模型[10]，X軸為層間完全連續(xù)時中性軸的位置，Y軸為梁跨中位置.

圖1中：L為梁跨徑；E1，E2和h1，h2分別為上下梁的彈性模量和高度；h0為梁頂面與X軸間距；設(shè)α為部分連續(xù)式雙層梁中性軸對X軸的偏離系數(shù)，則上、下層梁中性軸與X軸的距離分別為（h0-h12）α，（h1+h22-h0）α.取層間接觸系數(shù)β=1-α，由建立的模型可知，該系數(shù)與雙層梁層間接觸狀態(tài)有很好的關(guān)聯(lián)性：β=1時， 上下梁中性軸與X軸重合，此時雙層梁為完全連續(xù)狀態(tài)；β=0時，雙層梁為完全分離狀態(tài)；0<β<1時，雙層梁為部分連續(xù)接觸狀態(tài).

1.4層間接觸系數(shù)試驗研究

1.4.1試件成型

采用標準車轍板試模成型水泥混凝土板，為模擬真實施工現(xiàn)場，分別在混凝土表面進行拉毛、刻槽、銑刨和植石處理（如圖2所示），其表面構(gòu)造深度分別為0.8 mm，0.6 mm，1.2 mm和1.4 mm；然后在標準條件下養(yǎng)護7 d；在處理過的混凝土板表面噴灑防水粘結(jié)層，本文選用SBS改性瀝青同步碎石封層作為防水粘結(jié)層，改性瀝青灑布量分別取1.2 kg/m2，1.6 kg/m2和2.0 kg/m2，除植石措施不撒布碎石外，其余處治措施碎石撒布量統(tǒng)一取為5.5 kg/m2；之后將混凝土板放入10 cm厚車轍板試模，加鋪瀝青混凝土并碾壓成型，在室溫下冷卻；最后，將雙層板切割成5 cm寬的雙層小梁.

圖2混凝土表面處理措施

Fig.2Surface treatments of concrete slab

植石處理措施是近年來興起的一種新型復(fù)合路面層間處治措施，在與拉毛、刻槽等層間處治路段的對比中取得了非常良好的效果，由于橋面鋪裝結(jié)構(gòu)與復(fù)合路面結(jié)構(gòu)及受力特點十分相似，因此考慮可將植石方法應(yīng)用于橋面鋪裝層間處治措施，以期獲得良好效果.具體處治方法是在水泥混凝土板初凝之前及時、均勻的撒布一層單一粒徑（4.75～9.5 mm）的集料，覆蓋率為75 %左右，然后施加一定的荷載將集料壓入混凝土，使集料的埋入深度達到粒徑的2/3，以使混凝土表面形成粗糙構(gòu)造.

測試瀝青混凝土和水泥混凝土模量時，還需分別制作單層小梁，在此不再贅述.

1.4.2層間接觸系數(shù)測試

試驗在25 ℃條件下進行，由小梁加載曲線可知，瀝青混凝土小梁和水泥混凝土小梁均在0.5倍破壞荷載之前近似處于彈性狀態(tài)，因此在進行彈性模量測試時，加載荷載均取為小梁試件的0.5倍破壞荷載，彈性模量測試結(jié)果如表1所示.

在進行部分連續(xù)雙層梁抗彎剛度測試時，加載荷載取為0.5倍水泥混凝土小梁破壞荷載，然后分別對不同混凝土表面處理措施及不同改性瀝青灑布量的雙層梁試件進行抗彎剛度測試，并將測試結(jié)果代入式（2）進行層間接觸系數(shù)計算，由于在試驗時不可避免地會存在由試件制作不均勻等問題而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)離散性較大的現(xiàn)象，本研究每組試件數(shù)量取為12個，通過增加平行試驗數(shù)量，舍棄與平均值偏離較大的數(shù)據(jù)，作為試驗最終結(jié)果，在此，僅列出最終結(jié)果如表2所示.

由試驗結(jié)果可知，拉毛、銑刨和植石三種措施下均在1.6 kg/m2瀝青灑布量時層間接觸系數(shù)取得最大值，而刻槽措施則在1.2 kg/m2下取得最大值，四種措施層間接觸系數(shù)大小排序為：植石>銑刨>拉毛>刻槽，這與銑刨、植石措施下混凝土表面構(gòu)造深度大、上下層能更好的進行齒合交互作用，而同時拉毛、刻槽措施下混凝土表面構(gòu)造深度小有關(guān).

對于刻槽措施，其最佳瀝青灑布量位于1.0～1.4 kg/m2之間；對于拉毛措施，瀝青灑布量為1.2 kg/m2時層間接觸系數(shù)明顯大于2.0 kg/m2時的接觸系數(shù)，說明拉毛處治措施下最佳瀝青灑布量位于1.2～1.6 kg/m2之間；對于銑刨和植石措施，瀝青灑布量為2.0 kg/m2時層間接觸系數(shù)則明顯大于1.2 kg/m2時的接觸系數(shù)，這說明該處理措施下最佳瀝青灑布量位于1.6～2.0 kg/m2之間，這與銑刨和植石措施下混凝土表面構(gòu)造深度大有關(guān).

2層間接觸狀態(tài)對鋪裝結(jié)構(gòu)受力的影響

2.1橋面鋪裝有限元模型的建立

選取銅黃高速（銅川黃陵）沮河特大連續(xù)剛構(gòu)橋為研究對象，對于橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，連續(xù)剛構(gòu)橋中跨跨中為關(guān)鍵截面[1]，因此選取中跨跨中附近13 m長的梁段作為本文的研究對象，進行橋面鋪裝結(jié)構(gòu)受力分析.該梁段高度在3.5～3.54 m之間，由圣維南原理可知，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)僅在距模型兩端部一定范圍內(nèi)受邊界條件的影響，因此模型中間部位的結(jié)果是可以反映鋪裝結(jié)構(gòu)的真實受力情況.

所建橋面鋪裝模型結(jié)構(gòu)、材料屬性均與室內(nèi)試驗中復(fù)合梁保持一致，溫度與模量測試試驗溫度保持一致，模型各部采用的材料單元及參數(shù)見表3.

本文所建輪胎模型以米其林315/80R22.5子午線重型車用輪胎為原型，該模型可以在不同的軸重、胎壓條件下對橋面鋪裝結(jié)構(gòu)進行加載.鑒于銅黃高速重載車輛眾多，在進行計算時后軸輪組軸重取為140 kN，輪胎胎壓取為0.8 MPa.

由于各部分所需計算精度不同，因此在進行網(wǎng)格劃分時尺寸設(shè)置也不盡相同：梁體網(wǎng)格尺寸為15 cm×15 cm×10 cm，鋪裝結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸為10 cm×10 cm×5 cm，輪胎模型網(wǎng)格尺寸為5 cm×5 cm×5 cm.后軸雙輪組輪胎模型尺寸和輪胎內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖3～4所示，建好的整體模型和輪胎模型如圖5所示.

模型的邊界條件設(shè)置為：模型兩端均進行Y向約束，即模型兩端沿橋梁豎向位移為零，X方向（橫橋向）和Z方向（縱橋向）不進行約束.

2.2鋪裝結(jié)構(gòu)受力分析

為了分析混凝土調(diào)平層與瀝青鋪裝層層間接觸狀態(tài)對橋面鋪裝結(jié)構(gòu)受力的影響，在前述層間接觸系數(shù)試驗的基礎(chǔ)上，將調(diào)平層與瀝青鋪裝層的層間接觸狀態(tài)分別設(shè)置為光滑（層間接觸系數(shù)無限趨近于零）、拉毛、刻槽、銑刨和植石所分別對應(yīng)的層間接觸系數(shù)（其余各層間設(shè)為完全連續(xù)接觸狀態(tài)），計算各結(jié)構(gòu)層的受力情況.對于層間接觸系數(shù)與ANSYS中摩擦系數(shù)的轉(zhuǎn)化，借鑒了董開亮等[12]的研究成果，由試算結(jié)果可知，該轉(zhuǎn)化方式是合理且可行的.

同時，為了對層間接觸系數(shù)的合理性進行驗證，還計算了層間接觸系數(shù)為1（層間完全連續(xù)）時鋪裝結(jié)構(gòu)受力情況，并與完全粘結(jié)狀態(tài)下的受力情況進行對比分析.計算時假設(shè)車輛處于80 km/h的勻速行駛狀態(tài)，通過線速度和輪胎模型半徑來確定輪胎模型圍繞圓心的角速度值，同時在輪胎與鋪裝結(jié)構(gòu)表面間設(shè)置摩擦對，摩擦系數(shù)統(tǒng)一設(shè)定為0.05[13].

不同層間接觸狀態(tài)下，模型跨中附近橋面鋪裝各結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力對比情況分別見圖6和圖7.

由圖6和圖7可得出如下結(jié)論：

1）當層間接觸系數(shù)為1，即調(diào)平層與瀝青鋪裝層層間完全連續(xù)時，各鋪裝層所受最大橫、縱向拉應(yīng)力與完全粘結(jié)條件下的各力基本相同，最大誤差不超過3%.這說明層間接觸系數(shù)的定義、公式推導(dǎo)以及以層間接觸系數(shù)來評價層間接觸狀態(tài)是合理的.

2）對于完全連續(xù)與完全光滑兩種層間接觸狀態(tài)，瀝青鋪裝層所受橫、縱向拉應(yīng)力最大值差別不大.而對于混凝土調(diào)平層，完全連續(xù)接觸狀態(tài)下的橫、縱向拉應(yīng)力值分別為0.185 MPa和0.127 MPa，較完全光滑接觸狀態(tài)下的0.103 MPa和0.032 MPa分別增加了79%和297%.究其原因，在于完全光滑接觸狀態(tài)下，瀝青鋪裝層與混凝土調(diào)平層間應(yīng)力傳遞作用受到很大的影響，僅能傳遞壓應(yīng)力，進而使得調(diào)平層所受拉應(yīng)力大大減小.

3）對于四種不同層間處治措施，各鋪裝層所受橫、縱向拉應(yīng)力最大值差別不大，且大致表現(xiàn)出隨著層間接觸系數(shù)的增大，橫、縱向拉應(yīng)力值呈小幅降低趨勢變化.

4）與理想結(jié)合狀態(tài)下的應(yīng)力響應(yīng)情況相比，四種層間處理措施下瀝青鋪裝層所受最大拉應(yīng)力明顯增大.以拉毛處治措施為例，瀝青鋪裝層橫、縱向拉應(yīng)力最大值分別為0.579 MPa和0.562 MPa，分別較理想結(jié)合狀態(tài)下的0.429 MPa和0.383 MPa增加了35%和47%.這表明材料性質(zhì)存在巨大差異的瀝青鋪裝層與混凝土調(diào)平層層間粘結(jié)狀況對瀝青鋪裝層所受拉應(yīng)力影響顯著，當層間粘結(jié)不足時，瀝青鋪裝層拉應(yīng)力受力狀況明顯惡化.另外，對于混凝土調(diào)平層，由于層間力的傳遞作用受到影響，四種層間處治措施下調(diào)平層所受橫、縱向拉應(yīng)力均較理想接觸狀態(tài)下有所減小.

圖8和圖9分別為各種層間接觸條件下，跨中部分各鋪裝結(jié)構(gòu)所受最大XY向、YZ向剪應(yīng)力的對比情況.

由圖8和圖9可得出如下結(jié)論：

1）當層間接觸系數(shù)為1，即調(diào)平層與瀝青鋪裝層層間完全連續(xù)時，各鋪裝層所受最大XY，YZ向剪應(yīng)力與完全粘結(jié)條件下的各力基本相同，最大誤差不超過5%.這再次說明層間接觸系數(shù)的定義、公式推導(dǎo)以及以層間接觸系數(shù)來評價層間接觸狀態(tài)是合理的.

2）對于完全連續(xù)與完全光滑兩種層間接觸狀態(tài)，完全光滑條件下瀝青鋪裝層所受XY向、YZ向剪應(yīng)力均較完全連續(xù)條件有大幅增加.完全光滑條件下XY向、YZ向剪應(yīng)力最大值分別為0.683 MPa和0.612 MPa，分別較完全連續(xù)條件下的0.195 MPa和0.222 MPa增加了251%和176%.而對于混凝土調(diào)平層，情況則恰好相反，完全光滑條件下XY向、YZ向剪應(yīng)力為0.033 MPa和0.029 MPa，分別較完全連續(xù)條件下的0.106 MPa和0.133 MPa降低了69%和78%.

3）對于四種不同的層間處治措施，各鋪裝層所受XY向、YZ向剪應(yīng)力最大值差別不大，但卻與拉應(yīng)力變化情況表現(xiàn)出相反的變化規(guī)律，即隨著層間接觸系數(shù)的增大，剪應(yīng)力值大致呈小幅增加趨勢變化.

4）四種層間處理措施下瀝青鋪裝層XY向、YZ向剪應(yīng)力均較完全連續(xù)條件下剪應(yīng)力有大幅提高.以拉毛措施下的瀝青鋪裝層為例，XY向、YZ向剪應(yīng)力最大值分別為0.412 MPa和0.421 MPa，較完全連續(xù)條件下的0.195 MPa和0.222 MPa分別增加了111%和91%.說明層間粘結(jié)條件不足時，瀝青鋪裝層所受XY向和YZ向剪應(yīng)力均有大幅增加，這就大大增加了瀝青鋪裝層出現(xiàn)車轍、推移及擁包病害的可能性.

3結(jié)語

1）通過室內(nèi)試驗和理論計算表明，采用層間接觸系數(shù)作為混凝土調(diào)平層與瀝青鋪裝層層間接觸狀態(tài)評價指標是合理的.

2）四種混凝土表面處治措施下，植石措施的層間接觸系數(shù)最大，說明該措施下的層間接觸狀態(tài)最好，這與其混凝土表面構(gòu)造深度大有關(guān)，其次是銑刨處治措施.

3）在進行橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計時，將調(diào)平層與瀝青鋪裝層層間假設(shè)為完全連續(xù)的層間接觸狀態(tài)是不合理的.

4）四種混凝土表面處治措施下，各鋪裝層所受最大應(yīng)力變化不大，但與完全連續(xù)狀態(tài)相比，瀝青鋪裝層的受力狀況明顯惡化，說明在鋪筑實體工程時要盡可能增強調(diào)平層與瀝青鋪裝層的層間接觸狀態(tài).

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