混凝土橋瀝青鋪裝層力學性能

白繼玲，吳書維

（1.山西水利職業(yè)技術(shù)學院，山西 運城 044004；2.運城中學，山西 運城 044000）

混凝土橋瀝青鋪裝層力學性能

白繼玲1，吳書維2

（1.山西水利職業(yè)技術(shù)學院，山西 運城 044004；2.運城中學，山西 運城 044000）

本文采用ansys15.0對混凝土橋瀝青鋪裝層進行了力學分析，對工程實際中的橋梁進行了適當?shù)暮喕幚?，建立的合適的有限元幾何模型，主要研究上下瀝青鋪裝層厚度及材料的彈性模量對溫縮應力影響。

混凝土橋；瀝青鋪裝層；有限元分析；溫縮應力

為了改善鋪裝層的設計，提高橋梁的使用壽命，我國許多工作人員提出了眾多的解決方法。羅立峰[1]、季節(jié)[2]、盧哲安[3]等人的研究有效的改善了橋梁的裂縫現(xiàn)象。本文筆者將通過有限元模擬及力學分析對改善鋪裝層提出了自己的意見。

1 工程概況

本工程為某省公路大橋，該橋位于交通要道，是一座規(guī)模大、技術(shù)含量高的大型混凝土多塔斜拉橋。該橋設計時速為 120km/h，設計的標準載荷為汽車超—20級，掛車—120級，其主橋參數(shù)為：42m+42m+300m+300m+42m+42m，主梁全長768.5m，橋面寬度為32.8m。橋身主梁采用的是雙邊三角箱預應力混凝土材料，橫隔梁與斜拉索對應布置，橋邊跨間距為6.5m，中間跨間距為7.5m，主梁在中塔處與中塔固結(jié)，邊塔處于半漂浮狀態(tài)。橋面的鋪裝體系有三部分構(gòu)成，分別為：水泥混凝土板，防水層和瀝青混凝土鋪裝上下層。

2 橋面鋪裝的有限元模擬及力學分析

2.1 有限元模型的建立

本次使用的有限元軟件為美國ANSYS公司研制的ansys15.0版本，ansys軟件是主流有限元模擬軟件之一，具由功能強大，操作簡便，最重要的是計算結(jié)果可靠，能夠加快計算速度等優(yōu)點。為了建立有限元分析模型，我們首先應該在保證計算結(jié)果準確性的前提下，把工程中的橋梁簡化為可以進行有限元計算的數(shù)學模型。為此，對上述工程中的橋梁做一下幾種簡化：

①假設瀝青與混凝土等實際工程原料為連續(xù)、均勻的各向同性彈性材料；②橋梁兩端一端為固結(jié)約束，一端為滑動約束；③混凝土橋面整體為連續(xù)、均勻的各向同性的彈性材料；④鋪裝層與橋面之間是連續(xù)的，即應力連續(xù)和應變連續(xù)；⑤所有的材料均為線彈性材料，且最大變形處于彈性范圍。

在有限元分析計算中，單元網(wǎng)格的大小直接影響著計算結(jié)果的精度，但網(wǎng)格的疏密程度又關(guān)乎著計算時間，雖然網(wǎng)格越小，計算結(jié)果會較為精準，但是這同時會提高計算的耗時。因此合理的選擇網(wǎng)格的大小對有限元計算至關(guān)重要。本研究中，混凝土橋瀝青鋪裝層分析簡化模型為:5 m*3 m*0.6 m，單元網(wǎng)格尺寸為：2 cm*2 cm*5 cm，具體模型見圖1。

圖1 混凝土橋瀝青鋪裝層有限元簡化模型

2.2 鋪裝層結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)對低溫縮裂性能影響分析

2.2.1 鋪裝層厚度的影響

在研究鋪裝層厚度對其抗低溫縮裂性能的影響時，發(fā)現(xiàn)由于鋪裝層的上下層所處的環(huán)境狀況不同，這可能導致它們對抗低溫縮裂性能存在差異，所以分別對鋪裝上層和鋪裝下層厚度進行分析。其中，在進行鋪裝上層變化影響分析時，固定鋪裝下層厚度為5cm，鋪裝上層的變化范圍取3～8cm，計算結(jié)果如圖2所示；同理，在進行鋪裝下層變化影響分析時，固定鋪裝上層厚度為4cm，鋪裝上層的變化范圍取3～8cm。鋪裝層厚度結(jié)果分析：可見不論是鋪裝上層還是鋪裝下層，其溫縮應力隨厚度的變化趨勢十分相似，都呈現(xiàn)出鋪裝層的溫縮應力先隨厚度的增大而降低，當厚度達到某個臨界值時，溫縮應力又隨厚度的增大而增大。由此可推斷，對鋪裝層的抗溫縮開裂性能而言，整個鋪裝層厚度存在一個臨界值，當鋪裝層厚度超過這個臨界值時，鋪裝層內(nèi)部的溫縮應力隨著整體厚度的增大而增大，當鋪裝層厚度小于這個臨界值時，鋪裝層內(nèi)部的溫縮應力隨著整體厚度的增大而減小，因此合理的選擇鋪裝層的厚度對提高路面的抗溫縮開裂性能有利。

2.2.2 鋪裝層彈性模量的影響

彈性模量作為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的重要指標，其值的大小直接影響著材料抵抗變形的能力。在研究鋪裝層模量對其抗低溫縮裂性能的影響時，也分別對鋪裝上層和鋪裝下層模量進行分析。其中，在進行鋪裝上層變化影響分析時，固定鋪裝下層模量為4000 MPa，鋪裝上層的變化范圍取2600～3600 MPa；同理，在進行鋪裝下層變化影響分析時，固定鋪裝上層模量為4000 MPa，鋪裝上層的變化范圍取 2600～3600 MPa。隨著橋面上層鋪裝層彈性模量的增大，其相應的內(nèi)部溫縮應力隨著上升。這可能是因為鋪裝層上層是主要承載界面，當鋪裝上層模量增加時，其在整個鋪裝層內(nèi)所占的剛度逐漸增加，從而在溫度作用下鋪裝層內(nèi)的應力將逐漸集中在鋪裝上面層，因此，鋪裝層的溫縮應力也隨著上面層模量的增大而上升。相反地，在橋面鋪裝下層，鋪裝層內(nèi)部的溫縮應力隨著下層厚度的增大而降低，這可能歸因于當鋪裝下層模量逐漸加大時，其在整個鋪裝層中鋪裝下層的剛度所占比例不斷加大，相應地，鋪裝上層所占比例逐漸下降，其受力也逐漸減小，從而表現(xiàn)出鋪裝層內(nèi)的溫縮應力隨下面層模量的增大而降低。當鋪裝上層模量由26OOMPa逐漸增加到36OOMPa時，相應的鋪裝層內(nèi)部溫縮應力也由最初的1.8925MPa上升至2.3882MPa，增幅達20.7%;可見，鋪裝上層模量的改變，對鋪裝層內(nèi)部溫縮應力的影響較為明顯，而鋪裝下層模量由 260OMPa逐漸增加到3600MPa時，相應的鋪裝層內(nèi)部溫縮應力也由2.3861MPa下降至 2.2892MPa，減小幅度僅為1.43%，可見，鋪裝下層模量的改變，對鋪裝層內(nèi)部溫縮應力幾乎沒有影響。因此，通過減小鋪裝上層的彈性模量來降低鋪裝層內(nèi)的溫縮應力，從而達到改善橋面鋪裝層的抗低溫縮裂性能。

3 結(jié)論

本文使用有限元方法研究了鋪裝層厚度與材料參數(shù)對抗低溫縮略的影響，結(jié)果表明：上、下鋪裝層對溫度應力都有較大的影響，且存在一個臨界值。當鋪裝層厚度恰好為此臨界值時，此時溫縮應力最小，抗低溫能力最好；上層的鋪裝材料的彈性模量對溫縮應力也有較大的影響，減小上層鋪裝材料的彈性模型可也有效的改善瀝青鋪裝層的抗低溫能力，但是下層鋪裝材料彈性模型的影響就不怎么明顯。因此，在實際工程中，應該適當調(diào)整上下層鋪裝材料的厚度，適當降低上層鋪裝材料的彈性模型，以期達到良好的抗溫縮能力，延長橋的使用壽命。

[1]羅立峰,鐘鳴,黃成造.橋面鋪裝設計理論的研究[J].華南理工大學學報:自然科學版,2002,(4):91-96.

[2]季節(jié),龍佩恒,王毅娟 等.用有效活載撓度確定鋼筋混凝土橋面鋪裝層的厚度[J].北京建筑工程學院學報,2001,(3):61-64.

[3]盧哲安,易賢仁.高速公路橋涵橋面鋪裝層力學性能的試驗研究[J].武漢工業(yè)大學學報,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

（責任編輯：吳 芳）

白繼玲（1980-），女，山西朔州人，研究方向：無線電、物理。