混凝土箱形梁橋橋面瀝青鋪裝受力特性分析

賴俊羽 張黎明 李增源

摘要：文章以一座混凝土箱梁橋?yàn)檠芯繉ο?，建立有限元?shí)體模型，計(jì)算分析了不同荷載工況下橋面鋪裝的應(yīng)力分布特點(diǎn)，分析不同粘結(jié)層模量、不同粘結(jié)層厚度對箱梁橋橋面瀝青鋪裝受力的影響，得出了有益結(jié)論，可為同類型橋梁的瀝青鋪裝設(shè)計(jì)、研究提供參考。

關(guān)鍵詞：混凝土箱形梁橋;瀝青鋪裝;有限元分析

中圖分類號：U443.31文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.023

文章編號：1673-4874（2019）09-0079-02

0引言

混凝土箱形梁橋橋面瀝青鋪裝屬于典型的“剛?cè)釓?fù)合”式路面結(jié)構(gòu)，受橋梁結(jié)構(gòu)特性影響，其更容易出現(xiàn)各類病害，也一直是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。本文以一座混凝土箱梁橋?yàn)檠芯繉ο?，建立有限元?shí)體模型，計(jì)算分析了不同荷載工況下橋面鋪裝的應(yīng)力分布特點(diǎn)，分析不同粘結(jié)層模量、不同粘結(jié)層厚度對箱梁橋?yàn)r青鋪裝受力的影響，得出了有益結(jié)論，可為同類型橋梁的瀝青鋪裝設(shè)計(jì)、研究提供參考。

1計(jì)算建模

某高速公路連接線跨江橋采用連續(xù)梁橋型，單箱單室直腹板斷面，頂板寬12.25m、底板寬6.50m，根部梁高6m，跨中梁高3m，梁底曲線為1.8次拋物線.因橋面鋪裝層在車輪荷載作用下具有較強(qiáng)的局域性，計(jì)算選用箱梁跨中13m梁段進(jìn)行建模分析（含兩個間距7m的橫隔板）。模型單元劃分：梁體單元按60mm×60mm、粘結(jié)層按15am×15mnq、鋪裝層按30mm×30mm。為減少橋梁約束條件影響，模型兩端固結(jié)。有限元實(shí)體模型如圖1所示。

本橋橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為橋梁各部結(jié)構(gòu)混凝土+0.5cm防水粘結(jié)層+6cm瀝青鋪裝下層+4cm瀝青鋪裝上層，計(jì)算參數(shù)見表1。

計(jì)算荷載按規(guī)范取標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，接地壓強(qiáng)為0.7MPa，同時考慮行駛車輛緊急剎車時的水平荷載，以豎向荷載乘以車輪與路面間的摩阻系數(shù)（取0.5）計(jì)算。計(jì)算中，輪胎接地形狀以兩個中心間距相同的正方形面積等效圓面積，如圖2所示。結(jié)合橋面板及箱梁內(nèi)各部結(jié)構(gòu)組成及尺寸特點(diǎn)，荷載布置考慮如圖3所示的三種荷載工況。

2 計(jì)算分析

2.1拉應(yīng)力分析

橋梁瀝青鋪裝層最大拉應(yīng)力是控制鋪裝層開裂的一項(xiàng)重要指標(biāo)，分別計(jì)算三種荷載工況下瀝青鋪裝上、下層和粘結(jié)層的最大主拉應(yīng)力υ、最大橫向拉應(yīng)力υ、最大縱向拉應(yīng)力υ（見表2）。

分析表2計(jì)算結(jié)果可知，箱梁橋面瀝青鋪裝各層在各荷載工況下最大橫向拉應(yīng)力大子最大縱向拉應(yīng)力，最大橫向拉應(yīng)力在最大主拉應(yīng)力的合成中占主導(dǎo)地位;當(dāng)荷載由橫隔板向L/2跨處移動時，最大橫向拉應(yīng)力、最大主拉應(yīng)力逐漸增大，最大縱向拉應(yīng)力則逐漸減少;最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在荷載位于跨中時的瀝青鋪裝上層。

2.2剪應(yīng)力分析

分別計(jì)算三種荷載工況下橋面瀝青鋪裝各層間的最大橫向剪應(yīng)力τ、最大縱向剪應(yīng)力τ，以及粘結(jié)層內(nèi)部最大剪應(yīng)力τ，如表3所示。

分析表3可知，同一荷載工況下，箱梁橋面瀝青鋪裝各層間的最大橫向剪應(yīng)力明顯大干最大縱向剪應(yīng)力，分析原因主要是大箱梁縱、橫向剛度及邊界條件的差異導(dǎo)致。不同荷載工況下，箱梁橋面瀝青鋪裝各層間最大剪應(yīng)力值差異較少，其原因是大箱梁相對其他結(jié)構(gòu)，具有較大的整體剛度，從而減少了最大剪應(yīng)力分布差異。最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在荷載位于跨中時的粘結(jié)層與橋面板間。

3粘結(jié)層模量影響分析

瀝青改性類防水粘結(jié)材料的模量值一般處于10-300MPa之間，選取10MPa、100MPa、150MPa、200MPa、250MPa和300MPa六種模量，分別計(jì)算橋面瀝青鋪裝層的最大主拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力，分析粘結(jié)層不同模量下鋪裝層應(yīng)力變化情況，計(jì)算結(jié)果如圖4-5所示。

由圖4、圖5分析可知，粘結(jié)層模量逐漸增大，橋面瀝青鋪裝上層、鋪裝下層內(nèi)的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力均呈下降趨勢，而粘結(jié)層的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力呈增大趨勢。這主要是因?yàn)槟Ａ吭龃?，粘結(jié)層的剛度也增大，變形能力降低。

4粘結(jié)層厚度影響分析

通常情況下，橋面瀝青鋪裝粘結(jié)層的厚度約在5-10mm之間，分別選取粘結(jié)層5mm、6mm、7mm、8mm、9mm和10mm六種厚度，以剪應(yīng)力為指標(biāo)，計(jì)算分析粘結(jié)層厚度對瀝青鋪裝層受力的影響（見表4和圖6）。

從表4、圖6的計(jì)算分析結(jié)果可知，粘結(jié)層厚度從5mm增大到10mm，橋梁瀝青鋪裝層各層間的剪應(yīng)力僅少量減少，即說明粘結(jié)層的厚度對橋梁瀝青鋪裝層的受力影響較小。因此，在實(shí)際施工中，橋面足量均勻?yàn)⒉家粚游⒈》浪辰Y(jié)層即可。

5 結(jié)語

（1）混凝土箱形梁橋橋面瀝青鋪裝最大拉應(yīng)力、層間最大剪應(yīng)力均橫向大于縱向，最大主拉應(yīng)力位于瀝青鋪裝上層，最大剪應(yīng)力位于粘結(jié)層與橋面板間，均為跨中最不利荷載工況。

（2）隨著粘結(jié)層模量的增大，粘結(jié)層內(nèi)拉應(yīng)力、剪應(yīng)力均增大，其它各層拉應(yīng)力、剪應(yīng)力減少。

（3）橋面瀝青鋪裝受力受粘結(jié)層厚度變化影響不大，在施工中足量均勻?yàn)⒉家粚游⒈》浪辰Y(jié)層即可。