簡(jiǎn)支梁橋混凝土橋面鋪裝層應(yīng)力分布的影響參數(shù)1)

王丕祥 郭環(huán)宇 劉云

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

混凝土橋面鋪裝層為橋梁結(jié)構(gòu)的附屬結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，常出現(xiàn)磨損、剝離、露筋、裂縫等病害，更為嚴(yán)重的還會(huì)出現(xiàn)鼓包和橋面板與鋪裝層間滑移等破壞。這些病害不僅會(huì)影響車(chē)輛行車(chē)安全，還會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[1-5]?；炷翗蛎驿佈b，一般在鋪裝層與橋面板之間的結(jié)合處最薄弱[6-8]，鋪裝層的開(kāi)裂、剝落、脫空、橋面板與鋪裝層間滑移等破壞占很大比例。在車(chē)輛荷載及其沖擊作用下，橋面板與鋪裝層交界面結(jié)合能力弱時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)橋面板與鋪裝層間滑移，導(dǎo)致鋪裝層完全破壞；結(jié)合能力強(qiáng)時(shí)，則鋪裝層與橋面板接近于整體受力，鋪裝層能將外荷載直接傳遞給主梁，增加耐久性。因此，保證橋面板與鋪裝層間的粘結(jié)性能，是橋面鋪裝工作的關(guān)鍵[9-12]。本文以13 m簡(jiǎn)支空心板橋、T梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用ANSYS軟件建立橋梁空間有限元模型，分析車(chē)輛輪載作用、鋪裝層混凝土強(qiáng)度、鋪裝層厚度、橋面板與鋪裝層間粘結(jié)狀況對(duì)鋪裝層應(yīng)力分布的影響，旨在為簡(jiǎn)支梁橋混凝土橋面鋪裝層的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 橋面鋪裝層有限元模型的建立

1.1 模型基本假定

橋面混凝土鋪裝層，不僅承受荷載直接作用，還承受橋梁主梁變形對(duì)鋪裝層產(chǎn)生應(yīng)力的影響，受力情況十分復(fù)雜。綜合考慮鋪裝層結(jié)構(gòu)受力和材料特性，計(jì)算時(shí)作如下假定：①鋪裝層結(jié)構(gòu)均為均勻連續(xù)、各相同性材料，且主梁和鋪裝層作為整體一起承受外部荷載；②不考慮混凝土自重和開(kāi)裂影響；③橋面板與鋪裝層間完全連續(xù)接觸，并考慮鋪裝層滑移；④僅考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)計(jì)算，不考慮下部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)變形、支座位移等影響。

1.2 模型計(jì)算參數(shù)遴選

橋面混凝土鋪裝層、簡(jiǎn)支空心板、簡(jiǎn)支空心板鉸縫、T梁和T梁橫隔板，均采用SOLID65單元模擬；橋面鋪裝層與主梁頂面采用全接觸模擬；接觸面目標(biāo)面選取TARGE170單元，接觸面選取CONTA174單元進(jìn)行模擬。材料參數(shù)取值：①水泥混凝土鋪裝層彈性模量取34.5 GMPa；②簡(jiǎn)支空心板橋鉸縫、T梁橋橫隔板彈性模量均取32.5 GMPa；③簡(jiǎn)支空心板、T梁彈性模量取30.0 GMPa。混凝土材料泊松比均取0.2。

1.3 接觸摩擦模擬

橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，橋面板與鋪裝層間是介于完全接觸和完全滑動(dòng)之間的一種特殊狀態(tài)。在ANSYS中，利用庫(kù)倫摩擦理論，在接觸面建立目標(biāo)單元和接觸單元對(duì)應(yīng)的接觸對(duì)，實(shí)現(xiàn)橋面鋪裝層和橋面板層間的接觸摩擦模擬，并考慮不同摩擦系數(shù)(μ)對(duì)橋面板與鋪裝層間粘結(jié)滑移狀態(tài)的影響。

1.4 邊界條件設(shè)置及模型的建立

鋪裝層有限元模型建立的坐標(biāo)系，X向?yàn)闄M橋向、Y向?yàn)樨Q橋向、Z向?yàn)轫槝蛳颉＿吔鐥l件采用簡(jiǎn)支梁模擬，一端取為鉸支，約束主梁的Ux、Uy、Uz方向；另一端取為滑動(dòng)支撐，約束Uy方向。13 m跨徑水泥橋面鋪裝層簡(jiǎn)支梁橋有限元模型見(jiàn)圖1。

2 橋面鋪裝層力學(xué)性能的影響參數(shù)

2.1 車(chē)輛輪載作用

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，13 m跨徑簡(jiǎn)支空心板橋和T梁橋水泥混凝土鋪裝層，在車(chē)輛輪載作用下各應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在車(chē)輛車(chē)輪作用位置(見(jiàn)圖2、圖3)。

由圖2、圖3可見(jiàn)：13 m跨徑簡(jiǎn)支空心板橋和T梁橋水泥混凝土鋪裝層，在車(chē)輛荷載作用下各應(yīng)力分布規(guī)律相似?？招陌鍢蜾佈b層，第一主應(yīng)力(σ1)最大值為0.13 MPa、第二主應(yīng)力(σ2)最大值為0.04 MPa、橫橋向正應(yīng)力(σx)最大值為0.133 MPa、橫橋向剪應(yīng)力(τxy)最大值為0.033 MPa、順橋向剪應(yīng)力(τyz)最大值為0.086 MPa、橋面板與鋪裝層間剪應(yīng)力(τxz)最大值為0.108 MPa。T梁橋鋪裝層，第一主應(yīng)力(σ1)最大值為0.402 MPa、第二主應(yīng)力(σ2)最大值為0.128 MPa、橫橋向正應(yīng)力(σx)最大值為0.377 MPa、橫橋向剪應(yīng)力(τxy)最大值為0.06 MPa、順橋向剪應(yīng)力(τyz)最大值為0.074 MPa、橋面板與鋪裝層間剪應(yīng)力(τxz)最大值為0.124 MPa。橋面鋪裝層在車(chē)輪荷載作用，橫橋向約40 cm、縱向約100 cm范圍內(nèi)應(yīng)力較大，其余范圍應(yīng)力沿橫橋向和縱橋向均衰減很快，有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在鋪裝層內(nèi)，橫橋向剪應(yīng)力(τxy)、順橋向剪應(yīng)力(τyz)明顯小于橋面板與鋪裝層間剪應(yīng)力(τxz)；橋面板與鋪裝層間剪應(yīng)力(τxz)以車(chē)輪連線中點(diǎn)呈中心對(duì)稱(chēng)分布。

2.2 混凝土強(qiáng)度等級(jí)

目前，我國(guó)中小跨徑橋梁鋪裝層，主要是剛性鋪裝。根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，橋面鋪裝混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)大于C40。鋪裝層的混凝土強(qiáng)度等級(jí)選擇一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選取跟主梁強(qiáng)度等級(jí)相同或者高一個(gè)等級(jí)。本研究鋪裝層選取介于C30—C50之間不同強(qiáng)度等級(jí)，分析鋪裝層應(yīng)力分布變化規(guī)律(見(jiàn)表1)。

表1 2種橋梁水泥混凝土橋面不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)時(shí)鋪裝層的最大應(yīng)力變化

由表1可見(jiàn)：隨著鋪裝層混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，簡(jiǎn)支空心板橋，鋪裝層第一主應(yīng)力(σ1)從0.158 MPa下降到0.134 MPa、橫橋向正應(yīng)力(σx)從0.152 MPa降低到0.128 MPa，兩者分別降低15.2%、15.8%。隨著鋪裝層混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，簡(jiǎn)支T梁橋，鋪裝層第一主應(yīng)力(σ1)從0.443 MPa下降到0.402 MPa、橫橋向正應(yīng)力(σx)從0.418 MPa降低到0.377 MPa，兩者分別降低10.2%、10.9%。說(shuō)明鋪裝層第一主應(yīng)力(σ1)和橫橋向正應(yīng)力(σx)，隨著鋪裝層混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而明顯減??；而簡(jiǎn)支空心板橋和T梁橋鋪裝層的第二主應(yīng)力(σ2)以及其余各個(gè)剪應(yīng)力，僅略微降低，基本沒(méi)有變化。

2.3 鋪裝層厚度

實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)中，橋面鋪裝一般不會(huì)單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算分析，僅根據(jù)“規(guī)范推薦值”選取適宜的厚度。在對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求較低的小橋上，通常采用8～10 cm厚的剛性鋪裝層；而對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求較高的大中橋上，剛性橋面鋪裝層厚度通常采用6～16 cm。綜合考慮實(shí)際橋梁鋪裝層厚度情況，選擇鋪裝層厚度為4、8、12、16、20、24 cm，分析不同鋪裝層厚度對(duì)鋪裝層應(yīng)力的影響(見(jiàn)表2)。

由表2可見(jiàn)：2種橋梁的鋪裝層厚度由小到大，鋪裝層內(nèi)第一主應(yīng)力(σ1)、橫橋向正應(yīng)力(σx)、橋面板與鋪裝層間剪應(yīng)力(τxz)均明顯減小。在層厚較小時(shí)，鋪裝層內(nèi)各應(yīng)力值較大，能迅速傳遞至下方主梁頂板處。當(dāng)鋪裝層厚度在4～12 cm之間時(shí)，各應(yīng)力均有明顯降低；當(dāng)鋪裝層厚度大于12 cm后，各應(yīng)力基本保持不變。綜合分析可得，簡(jiǎn)支梁橋鋪裝層厚度采用12～16 cm時(shí)，鋪裝層應(yīng)力分布較均勻。

表2 2種橋梁水泥混凝土橋面不同鋪裝厚度時(shí)鋪裝層的最大應(yīng)力變化

2.4 橋面板與鋪裝層間結(jié)合能力

在車(chē)輛輪載及沖擊作用下，橋面板與鋪裝層交界面結(jié)合能力，主要取決于橋面板與鋪裝層間剪切力是否大于層間摩擦力。當(dāng)橋面板與鋪裝層間剪切力大于層間摩擦力時(shí)，出現(xiàn)橋面板與鋪裝層間滑移，導(dǎo)致鋪裝層完全破壞；當(dāng)橋面板與鋪裝層間剪切力小于層間摩擦力時(shí)，鋪裝層與橋面板完全粘結(jié)、形成整體，鋪裝層將外荷載傳遞給主梁。在ANSYS建立的簡(jiǎn)支梁橋有限元模型(含橋面鋪裝)中，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)澆筑的橋面板，由于強(qiáng)度等級(jí)較低(采用C30混凝土)，設(shè)置為接觸面；對(duì)于鋪裝層，由于強(qiáng)度等級(jí)較高(采用C50混凝土)，設(shè)置為目標(biāo)面。鋪裝層與橋面板之間分別取不同的摩擦系數(shù)(μ=0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5)，模擬各種不同的橋面板與鋪裝層間結(jié)合能力(見(jiàn)表3)。

表3 2種橋梁水泥混凝土橋面板與鋪裝層間摩擦系數(shù)不同時(shí)鋪裝層的最大應(yīng)力變化

由表3可見(jiàn)：隨著摩擦系數(shù)的增大，簡(jiǎn)支空心板橋鋪裝層的橫橋向正應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，且變化明顯；第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力、橋面板與鋪裝層間剪應(yīng)力，呈現(xiàn)先減小后逐漸趨于穩(wěn)定；順橋向剪應(yīng)力呈略微增大的趨勢(shì)，而橫橋向剪應(yīng)力呈略微減小的趨勢(shì)。隨著摩擦系數(shù)的增大，T梁橋鋪裝層的橫橋向正應(yīng)力、第一主應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，且變化明顯；第二主應(yīng)力呈現(xiàn)先減小后逐漸趨于穩(wěn)定；橋面板與鋪裝層間剪應(yīng)力、順橋向剪應(yīng)力、橫橋向剪應(yīng)力，均呈略微減小的趨勢(shì)。綜上分析可得，增大橋面板與鋪裝層間摩擦系數(shù)，能較大程度地降低鋪裝層應(yīng)力，且摩擦系數(shù)大于1.0時(shí)的橋面鋪裝層應(yīng)力分布比較均勻。

3 結(jié)論

13 m跨徑簡(jiǎn)支空心板橋和T梁橋水泥混凝土鋪裝層，在車(chē)輛輪載作用下，各應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在車(chē)輛車(chē)輪作用位置，橋面鋪裝層在車(chē)輪荷載作用橫橋向約40 cm、縱橋向約100 cm范圍內(nèi)應(yīng)力較大；鋪裝層橫橋向剪應(yīng)力、順橋向剪應(yīng)力明顯小于橋面板與鋪裝層間剪應(yīng)力，且橋面板與鋪裝層間剪應(yīng)力以車(chē)輪連線中點(diǎn)呈中心對(duì)稱(chēng)分布。

隨著鋪裝層混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，簡(jiǎn)支梁橋鋪裝層內(nèi)第一主應(yīng)力、橫橋向正應(yīng)力、橋面板和鋪裝層間剪切力均呈減小趨勢(shì)。

隨著橋面鋪裝層厚度的增加，簡(jiǎn)支梁橋鋪裝層內(nèi)第一主應(yīng)力、橫橋向正應(yīng)力均呈明顯減小趨勢(shì)，且鋪裝層厚度采用12～16 cm時(shí)鋪裝層內(nèi)應(yīng)力分布較為均勻。

隨著混凝土鋪裝層與主梁橋面板間摩擦系數(shù)的增加，簡(jiǎn)支梁橋鋪裝層第一主應(yīng)力、橫橋向剪應(yīng)力，呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。增大橋面板與鋪裝層間摩擦系數(shù)，能很大程度上降低鋪裝層內(nèi)應(yīng)力，且摩擦系數(shù)大于1.0時(shí)的橋面鋪裝層應(yīng)力分布較為均勻。