表層裂縫對鋼橋面鋪裝層的影響分析

謝偉偉

(福州市規(guī)劃設計研究院 福建福州 350000)

0 引言

大型鋼橋交通量較大,鋼橋面鋪裝極易在重載車輛的反復碾壓等外界因素條件下出現(xiàn)表層裂縫，瀝青鋪裝層較多都帶裂縫工作。如果對鋪裝層結(jié)構(gòu)在帶裂縫情況下的具體受力狀況缺乏清晰的了解，就難以掌握鋪裝層受力狀態(tài)和變形規(guī)律。因此，有必要對鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)在荷載作用下的具體應力、應變狀態(tài)進行深入分析。

為研究分析帶裂縫情況下大跨徑鋼橋鋪裝層與鋼橋面板之間的受力狀態(tài)和變形狀況規(guī)律，對車載作用下瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)的力學響應進行分析，并精確分析鋼橋面鋪裝層在行車荷載作用時的力學響應特性,本研究以虎門大橋鋼橋面鋪裝模型為案例，使用有限元軟件Abaqus建立相應鋼橋結(jié)構(gòu)模型，施加車輪荷載，對帶裂縫工作鋪裝層和鋼橋面板在荷載作用下的力學特性進行分析。

1 力學計算模型和分析方法

建立合理的有限元力學分析計算模型，對鋼橋結(jié)構(gòu)特性和鋪裝材料特性做合理假定：

①僅考慮車輛活載作用。

②假設粘結(jié)層與鋪裝層形成一個整體，鋪裝層與鋼橋面板的接觸狀態(tài)為完全連續(xù)。

③瀝青鋪裝層和正交異性鋼橋面板均為連續(xù)、均勻、各向同性的彈性材料，采用線彈性理論分析瀝青鋪裝體系的荷載應力和應變。

④根據(jù)圣維南原理，鋼橋面鋪裝荷載作用存在局部效應，作用點對鋪裝層遠端的受力影響很小，可以忽略不計[1]。

虎門大橋鋼橋面鋪裝模型的受力分析，采用有限元數(shù)值計算方法建立局部正交異性鋼橋面鋪裝模型。在分析計算模型中,將環(huán)氧瀝青鋪裝層、粘結(jié)層和其下部鋼結(jié)構(gòu)組成部分(鋼橋面板、縱向加勁肋和橫隔板)視為承受車輛荷載的一個系統(tǒng)，縱向包括3跨，橋面頂板設置 11個縱向加勁肋，橋面底板設置16個L型加勁肋。采用靜力彈性分析，應用有限元軟件Abaqus建立力學計算模型，研究鋪裝層內(nèi)部受力狀態(tài)，并基于裂縫病害的情況下，分析比較該鋪裝層內(nèi)部受力狀態(tài)和應力、應變的變化情況，分析模型如圖1所示。橫隔板編號為A、B，從左到右縱向加勁肋編號為1～11。

圖1 有限元模型三維圖

鋪裝層采用雙層環(huán)氧瀝青混合料，每層35mm厚。將環(huán)氧瀝青混合料視為彈性材料，結(jié)合虎門大橋所處的溫度狀況，鋪裝層彈性模量E取5000MPa,泊松比取0.25。在鋪裝上、下層間和下面層、橋面頂板上表面之間設置粘結(jié)層，粘結(jié)層設置為Shell單元，厚度為0，彈性模量設為5000MPa，泊松比設為0.25。橋面頂板采用12mm厚，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。橫隔板厚度10mm，間隔4m，加勁肋厚度為8mm，模型尺寸細節(jié)如表1所示，頂板縱向加勁肋尺寸如圖2所示。

表1 有限元模型尺寸

圖2 頂板縱向加勁肋尺寸(單位:mm)

采用圖3形式的平面荷載布置進行計算，只取其中的后軸雙側(cè)雙輪荷載進行加載。由于車輛行駛過程中，車輪本身存在著變形，考慮溫度、鋪裝平整度等外界條件對輪載面積的影響，較多研究將車輪荷載視為矩形截面[1-4]。為使計算效果更精確，簡化模型，將車輪荷載布置成雙輪荷載，荷載面積取200mm×200mm，雙輪間隔100mm。

圖3 荷載布置(單位:mm)

荷載施加位置分別設置在中跨橫隔板中間和B橫隔板上方的鋪裝層表面。橫隔板中間的橫向位置則分別為6號縱向加勁肋正上方①，使荷載間隔中心在縱向加勁肋中心位置；6號加勁肋右上方②，使左輪左側(cè)位于縱向加勁肋左肋正上方；6號加勁肋右側(cè)肋部上方與6、7號加勁肋的中部③，使車輪間隔中心在6號加勁肋右肋正上方。同樣的，將橫隔板上方瀝青鋪裝層表面的同位置加載情形分別設為④、⑤、⑥。具體荷載平面分布如圖4所示，荷載橫斷面如圖5所示。

圖4 荷載平面分布

圖5 荷載橫向布置情況

2 Abaqus有限元分析

分析中采用C3D8R線性縮減積分，全部采用六面體網(wǎng)格進行分析計算，鋪裝上層和鋪裝下層均分為3層劃分單元網(wǎng)格。各層間的接觸狀態(tài)設置為Tie(綁定約束)，使模型中上下相互接觸的兩層連續(xù)連接[1,3-4]。邊界條件縱向設為端部固支約束，橫向的右側(cè)邊界設為對稱約束，左側(cè)邊界設為自由狀態(tài)，單元尺寸100mm×100mm×9mm，如圖6所示。

圖6 邊界條件設置

3 裂縫對鋪裝層受力的影響

根據(jù)大跨徑鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層裂縫的主要類型和破壞情況，縱縫多出現(xiàn)在加勁肋上方的鋪 裝層表面，橫向裂縫則多出現(xiàn)在橫隔板頂部的鋪裝表層[5-7]?？v縫長度不等，橫縫長一般為300mm～400mm，后期可擴展到700mm～1400mm或以上。裂縫的寬度一般為1mm～5mm，縱、橫向裂縫最大寬度范圍在5～10mm，發(fā)生脫層的狀況下將繼續(xù)擴展。經(jīng)過調(diào)查分析，鋼橋面瀝青鋪裝的最主要裂縫為第一類裂縫，即出現(xiàn)在正交異性鋼橋面板縱向加勁肋、橫隔板或縱隔板頂部的裂縫[7-8]。這類裂縫占比較大，一般為縱向裂縫，且分布于行車道輪跡帶附近。

縱向裂縫出現(xiàn)在橫向應變最大處，即輪載中心處，裂縫形態(tài)設為V型，從鋪裝表層向下發(fā)展。首先擬在6號加勁肋右邊肋部正上方的鋪裝上面層表面設置一條V型縱向裂縫，寬度上口設置為1mm，深度分別設置為2mm、5mm、10mm、20mm、30mm和45mm，長度設置為300mm，V型裂縫橫向示意如圖7所示。

圖7 V型裂縫示意圖

研究不同裂縫深度對裂縫擴張的影響，包括向鋪裝底層擴展和裂縫橫向張開的趨勢。荷載施加位置設置在中跨橫隔板中間的③位置，裂縫的位置設在荷載間隔中心的瀝青鋪裝層表面，計算結(jié)果如表2所示，豎向彎沉應力云紋圖及存在裂縫時的橫向拉應力分布,如圖8～圖9所示。

表2 裂縫深度對鋪裝層力學響應的影響

圖8 豎向彎沉應力云紋圖

圖9 鋪裝層橫向拉應力分布情況

鋪裝上層表面的橫向應變云紋圖和裂縫區(qū)域應變分布斷面云紋圖，如圖10～圖11所示。

圖10 鋪裝上層表面橫向應變云紋圖

圖11 裂縫區(qū)域應變分布斷面云紋圖

將圖10與圖11進行比較，可以發(fā)現(xiàn)裂縫兩側(cè)產(chǎn)生應力集中，當無裂縫時，應力集中于鋪裝上層的下表面，而出現(xiàn)裂縫之后，應力則集中于裂縫區(qū)域，加速了裂縫的豎向擴展。對于裂縫橫向擴張而言，最大橫向拉應變指標能反應荷載的影響。由表2得到中跨橫隔板中間最大橫向拉應變隨裂縫深度的變化，如圖12所示。計算結(jié)果表明在裂縫設為長300mm，寬1mm時：

圖12 中跨橫隔板中間橫向最大拉應變隨裂縫深度變化

(1)當裂縫深度小于5mm，隨著裂縫深度的加大，鋪裝層頂面的最大橫向拉應變增幅較大。

(2)當裂縫深度為5mm，最大橫向拉應變相比于無裂縫情況增加了153με，增幅為38%。

(3)當裂縫深度大于5mm，隨著裂縫深度繼續(xù)增大，裂縫逐漸貫穿鋪裝上層甚至擴展到鋪裝下層，最大橫向拉應變的值又回落到無裂縫情形。

這說明裂縫較小時，對鋪裝表層產(chǎn)生應力集中較為明顯，橫向拉應變較大，縱向裂縫有向兩側(cè)擴張的趨勢。而當裂縫豎向擴展到一定深度，則鋪裝表層的橫向拉應變較小，表明裂縫較深時，應力得到釋放，荷載使縱向裂縫向兩側(cè)擴張的趨勢不明顯。

裂縫的存在使得鋪裝層底部的最大橫向剪應力有所降低，這是因為V型裂縫的存在作為一個應力集中區(qū)域，將裂縫區(qū)域附近的應力吸收，一定程度上縮小了裂縫附近的鋪裝層剪應力。從沿厚度方向的應變云紋圖可以看到，裂縫區(qū)域鋪裝上層底部有著較大的應變作用，對上、下層間粘結(jié)層的剪切作用增加。

將無裂縫情況與存在10mm、30mm深裂縫的情況進行對比，得到鋪裝層表面的應變分析曲線，如圖13所示。曲線表明：

圖13 鋪裝層表面應變分析曲線

(1)不存在裂縫時，鋪裝層表面橫向拉應變較小。

(2)裂縫深度為10mm時，裂縫位置附近的荷載作用使鋪裝表層的最大拉應變增大較多，說明深度較小的裂縫將給鋪裝層受力變形造成不利影響。

(3)當裂縫深度擴展到30mm時，鋪裝表層的最大拉應變值又有所降低，但裂縫周圍荷載作用位置的鋪裝表層應變值依然比裂縫不存在情況增大顯著，說明裂縫較深時，應力雖然得到一定釋放，但裂縫仍然對鋪裝層有十分不利的影響。

(4)裂縫深度較小時，鋪裝表層橫向拉應變較大，而當裂縫達到20mm以上時，鋪裝層表面的最大拉應變又與裂縫不存在的情況相近，說明不同裂縫深度對鋪裝層受力狀態(tài)的影響不同，當裂縫深度較小時，鋪裝層受到的變形條件更加苛刻。

(5)當裂縫深度較大時，荷載對裂縫的橫向擴張影響不大，主要表現(xiàn)出使裂縫豎向方向的擴展，使得裂縫逐漸貫穿鋪裝層。

4 結(jié)論

研究了不同加載部位下的鋪裝層受力狀態(tài)，分析了鋼橋面鋪裝層存在裂縫時對鋪裝體系受力特性的影響。分析結(jié)果表明，鋪裝特性直接影響著裂縫病害的產(chǎn)生與發(fā)展，而裂縫病害的存在將不同程度上加快鋪裝層的破壞。研究得到鋼橋面鋪裝特性與裂縫病害的關(guān)聯(lián)性如下：

(1)在荷載作用下，鋪裝表層橫向拉應力與拉應變較大，橫向拉應力達到0.681MPa，橫向拉應變達到405με，易引起U型肋邊肋頂部的鋪裝層表面產(chǎn)生縱向裂縫。

(2)存在深度較小的裂縫時，荷載對裂縫的橫向擴張影響較大，這就要求對鋪裝層表面及時灌縫，以減少因應力集中使裂縫橫向擴張和縱向擴展。初期裂縫寬度有所增長，隨著裂縫深度的增加，裂縫寬度逐漸減少。說明鋪裝層存在裂縫病害的情形下，荷載作用將不斷加劇病害的規(guī)模。

(3)計算得到裂縫上口的應變值在30 000～90 000με之間，結(jié)合鋼橋面鋪裝特點、使用特性和虎門大橋所處的溫度、濕度狀況，要求灌縫材料在常溫下具有良好的拉伸變形性能，能夠完全填充裂縫空隙，滿足灌縫之后的變形性能要求；具有高強度，滿足填縫后整體性要求，使裂縫不再擴張；具有良好的溫度穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，滿足灌縫之后的耐久性要求。