橋隧耐久性柔性鋪裝結(jié)構(gòu)受力特性研究

王昊平 佟 蕾

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局,江蘇 南京 210004； 2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 211800)

隨著國內(nèi)交通運(yùn)輸行業(yè)的迅速發(fā)展，我國隧道的數(shù)量和規(guī)模總體上不斷增長。截至2018年年底，我國“五縱五橫”綜合運(yùn)輸大通道基本貫通，綜合交通網(wǎng)絡(luò)初步形成，隧道里程約1.724萬km。國內(nèi)外學(xué)者對隧道結(jié)構(gòu)和施工方法的研究較多，對于隧道鋪裝結(jié)構(gòu)則通常采用隧道相鄰的接線瀝青路面中上面層[1-3]。但是，隧道鋪裝作為行車界面，是隧道服務(wù)能力的關(guān)鍵，其性能指標(biāo)和參數(shù)在很大程度上決定了隧道的建設(shè)環(huán)保性和運(yùn)營安全性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隧道鋪裝的重要性逐漸引起關(guān)注。

因此，論文基于有限元軟件，根據(jù)提出的關(guān)鍵指標(biāo)，分析結(jié)構(gòu)在不同材料模量和結(jié)構(gòu)層厚度下的動(dòng)力特性，基于力學(xué)響應(yīng)規(guī)律對隧道鋪裝結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化，并對提出的鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗永久變形能力驗(yàn)算。

1 隧道鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

1.1 模型建立

1.1.1參數(shù)確定

路面研究模型由上面層+下面層+鋼筋混凝土板(29 cm)+隧道結(jié)構(gòu)底板(14 cm)組成，結(jié)構(gòu)和材料組合參數(shù)見表1。其中彈性模量值參考了《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中為各種瀝青混合料推薦的回彈模量值。

表1 結(jié)構(gòu)層厚度及材料參數(shù)

1.1.2施加荷載

根據(jù)JTG D50—2017公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，路面采用雙輪單軸載100 kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸軸載，即BZZ-100。為了便于分析計(jì)算，將車輪荷載簡化成當(dāng)量的圓形均布荷載，單個(gè)輪壓作用范圍取18 cm×20 cm，雙輪間距為32 cm，如圖1所示。

研究表明，前軸單輪引起的豎向位移、橫向拉應(yīng)變、縱向拉應(yīng)變均小于后軸雙輪的作用，對前軸單輪的作用不需要進(jìn)行單獨(dú)考慮。

1.1.3約束條件

1.2 關(guān)鍵指標(biāo)

1)粘結(jié)層是保證瀝青混凝土之間以及與水泥混凝土的界面聯(lián)結(jié)和連續(xù)協(xié)同受力的關(guān)鍵技術(shù)之一，對于保證鋪裝結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。根據(jù)已有成果分析[4,5]，將層間最大剪應(yīng)力和層間最大拉應(yīng)力作為評估粘結(jié)層的抗剪和抗拉強(qiáng)度的指標(biāo)。

2)對于隧道鋪裝的混合料，由輪載和溫度引起的瀝青混凝土豎向應(yīng)力變形和瀝青混凝土與水泥混凝土板的協(xié)同變形是最應(yīng)引起重視的兩個(gè)指標(biāo)。

1.3 受力分析

1.3.1基于材料模量變化的結(jié)構(gòu)受力特性分析

論文采用ABAQUS有限元模擬軟件，通過模量變化模擬不同瀝青鋪裝層材料組合對鋪裝結(jié)構(gòu)受力特性，優(yōu)化鋪裝結(jié)構(gòu)提供參考。提出4組模量組合分別為：組合Ⅰ：500 MPa+500 MPa；組合Ⅱ：1 000 MPa+1 000 MPa；組合Ⅲ：1 500 MPa+1 500 MPa；組合Ⅳ：2 000 MPa+2 000 MPa。路表橫向拉應(yīng)變分析見圖3。隨著上下瀝青層模量的提高，路表橫向拉應(yīng)變減小，橫向抗推移、抗車轍性能大幅提升。

由圖4可知，隨著上下面層模量的提高，上面層豎向壓應(yīng)力略有提高，但壓應(yīng)變顯著降低75%；下面層豎向壓應(yīng)力略有降低，且壓應(yīng)變顯著降低77%。因此提高上下面層模量，可有效控制車轍變形，提高鋪裝整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性。

由圖5可知，隨著上下面層模量的提高，層間剪應(yīng)力略有升高，因此需配套采用高性能粘結(jié)層材料，保證層間粘結(jié)性能和結(jié)構(gòu)整體性。

1.3.2基于結(jié)構(gòu)層厚度變化的受力特性分析

現(xiàn)有各系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)不能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，僅能對某一范圍內(nèi)的內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)控，不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間自動(dòng)核查及對一項(xiàng)業(yè)務(wù)全過程的監(jiān)控。如國庫支付系統(tǒng)僅能對財(cái)政資金支付進(jìn)行，而資金支付的財(cái)務(wù)核算是否合法、合規(guī)，需要到水利財(cái)務(wù)業(yè)務(wù)管理信息系統(tǒng)才能核查；達(dá)到政府采購規(guī)定限額的事項(xiàng)是否執(zhí)行政府采購程序,是否納入政府采購預(yù)算、計(jì)劃，需要到政府采購信息系統(tǒng)核查；資金支付是否在預(yù)算范圍內(nèi)，又需與預(yù)算軟件及批復(fù)文件等進(jìn)行核對。

改變上下面層結(jié)構(gòu)組合厚度，選取(Ⅰ)4 cm上面層+6.5 cm下面層(原隧道鋪裝方案)、(Ⅱ)3 cm上面層+7.5 cm 下面層兩種典型結(jié)構(gòu)組合形式，分析不同結(jié)構(gòu)組合形式的力學(xué)響應(yīng)，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同結(jié)構(gòu)組合厚度的力學(xué)計(jì)算結(jié)果

由表2可知，面層結(jié)構(gòu)組合形式變化對上、下面層層底拉應(yīng)力影響均較顯著，面層組合形式由(Ⅰ)變化到(Ⅱ)，最大剪應(yīng)力和豎向位移變化微小，面層拉應(yīng)力顯著增大，上面層層底拉應(yīng)力增大13.04%，下面層層底拉應(yīng)力增大41.43%。因此，組合結(jié)構(gòu)(Ⅱ)相比組合結(jié)構(gòu)(Ⅰ)的抗剪性能提升不明顯，但對粘結(jié)層及防水粘結(jié)層材料提出更高要求，且拉應(yīng)力增加更易產(chǎn)生裂縫。

2 鋪裝結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

隧道鋪裝原設(shè)計(jì)為“4 cm阻燃改性瀝青混凝土SMA-13+6.5 cm阻燃改性瀝青混凝土Sup-20”，論文對不同厚度組合結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)果顯示，降低上面層厚度，增加下面層厚度使鋪裝抗剪性能和豎向抗車轍性能有所提升，但同時(shí)對粘結(jié)層及防水粘結(jié)層材料性能要求更高，對其抗滑性能也提出了更高要求。

為此，論文提出采用不改變厚度組合，只提高下面層模量的方案提升鋪裝結(jié)構(gòu)的抗車轍性能與抗剪性能，提出“4 cm阻燃瀝青混凝土SMA-13+6.5 cm高強(qiáng)密水瀝青混凝土HMAC-13”的鋪裝方案(見表3)。

表3 溫拌組合式高模量瀝青鋪裝優(yōu)化方案

溫拌瀝青混合料作為高節(jié)能低排放的新型混合料，可以有效降低粉塵等物質(zhì)的排放量[6-8]。因此，優(yōu)化后的鋪裝結(jié)構(gòu)在保持高品質(zhì)的基礎(chǔ)上，對減少資源浪費(fèi)也具有十分重要的意義。

3 抗永久變形能力研究

基于鋪裝結(jié)構(gòu)30年的設(shè)計(jì)目標(biāo)，本節(jié)從鋪裝結(jié)構(gòu)耐久性角度出發(fā)，主要針對隧道原設(shè)計(jì)鋪裝結(jié)構(gòu)組合及優(yōu)化結(jié)構(gòu)組合分別開展永久變形能力研究。

3.1 參數(shù)確定

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，標(biāo)準(zhǔn)條件下路基回彈模量取值范圍為20 MPa～290 MPa，本次計(jì)算取100 MPa；瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量根據(jù)SMA-13，HMAC-13的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行取值，分別為12 413 MPa和18 619 MPa。水泥混凝土動(dòng)態(tài)模量取值為35 000 MPa。開級配、半開級配瀝青混合料泊松比取0.40，密級配瀝青混合料取0.25，水泥混凝土取值為0.2；南京地區(qū)基準(zhǔn)等效溫度Tξ為22.1 ℃，隧道鋪裝結(jié)構(gòu)瀝青混合料層厚度為105 mm，計(jì)算得到瀝青混合料層等效溫度Tpef為23.78 ℃。

3.2 鋪裝結(jié)構(gòu)永久變形能力計(jì)算

根據(jù)規(guī)范規(guī)定的分層方法，將鋪裝結(jié)構(gòu)的瀝青層按層厚分為5個(gè)分層，通過計(jì)算各分層的頂部豎向壓應(yīng)力、永久變形修正系數(shù)及永久變形量，得到瀝青混合料層永久變形量見表4。

表4 隧道原鋪裝結(jié)構(gòu)永久變形量計(jì)算

瀝青混合料層永久變形量為各層瀝青混合料的變形量之和，計(jì)算分別得到原鋪裝結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)的瀝青混合料層永久變形量，具體見圖6。

從圖6可以看出，原鋪裝方案在預(yù)測的高交通量、低交通量條件下，瀝青混合料層的永久變形量分別為32.97 mm，29.10 mm，大于《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的容許永久變形量要求；而優(yōu)化方案在高交通量、低交通量條件下，瀝青混合料層的永久變形量分別為18 mm，15.9 mm，預(yù)計(jì)在第25年左右達(dá)到15 mm。優(yōu)化后的鋪裝結(jié)構(gòu)變形量大幅度降低，增強(qiáng)鋪裝結(jié)構(gòu)的耐久性。

4 結(jié)語

1)通過分析已有的研究成果，提出以橫向拉應(yīng)變、豎向壓應(yīng)力/壓應(yīng)變和層間剪應(yīng)力為關(guān)鍵指標(biāo)，通過分析不同鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律發(fā)現(xiàn)，隨著模量的增加，面層的橫向拉應(yīng)變和豎向壓應(yīng)變顯著降低，鋪裝層的豎向壓應(yīng)力和層間剪應(yīng)力變化較小。

2)基于鋪裝結(jié)構(gòu)的受力特性，提出了高模量瀝青組合式鋪裝方案，即“4 cm阻燃瀝青混凝土SMA-13+不粘輪乳化瀝青粘結(jié)層+6.5 cm高強(qiáng)密水瀝青混凝土HMAC-13+二階環(huán)氧樹脂防水粘結(jié)層”。該結(jié)構(gòu)能夠有效控制車轍變形，提升鋪裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但是對粘結(jié)層材料的要求較高。

3)計(jì)算隧道原鋪裝結(jié)構(gòu)和論文提出的優(yōu)化結(jié)構(gòu)永久變形量，通過對比分析發(fā)現(xiàn)高模量瀝青組合式鋪裝結(jié)構(gòu)明顯降低了結(jié)構(gòu)的永久變形量，提高了隧道鋪裝結(jié)構(gòu)的抗永久變形能力，增強(qiáng)了鋪裝結(jié)構(gòu)的耐久性。