環(huán)境溫度下鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)脫層擴(kuò)展機(jī)理分析

王守松 鄭占裁

1.泉州信息工程學(xué)院 福建泉州 362000；2.福建潤(rùn)安建設(shè)工程有限公司 福建福州 350000

脫層破壞是粘結(jié)層破壞的常見的形式，從出現(xiàn)脫層到出現(xiàn)大面積的脫層需要一個(gè)發(fā)展的過(guò)程。目前，對(duì)鋼橋面鋪裝的破壞研究，據(jù)文獻(xiàn)查閱，只有關(guān)于鋪裝層疲勞裂縫擴(kuò)展的研究[1]。在其他學(xué)科領(lǐng)域，關(guān)于脫層的研究主要是研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的脫層。在現(xiàn)實(shí)中，鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)脫層的擴(kuò)展受多方面因素的影響，包括車載和環(huán)境氣候條件等相互作用的結(jié)果[2]。在高溫作用下，鋼橋面鋪裝的材料性能會(huì)出現(xiàn)退化，粘結(jié)層的粘結(jié)強(qiáng)度變?nèi)酰菀讓?dǎo)致粘結(jié)層的脫層破壞。本文將針對(duì)環(huán)境高溫下鋪裝體系脫層擴(kuò)展的情況進(jìn)行分析。

1 有限元模擬

關(guān)于脫層破壞的實(shí)現(xiàn)方法，在ANSYS軟件中主要是采用生死單元進(jìn)行模擬，在單元選擇上，對(duì)于簡(jiǎn)化成二維的模型一般采用彈簧單元，對(duì)于大面積接觸的三維模型采用接觸單元。[3]本文的研究是鋼橋面鋪裝粘結(jié)層的脫層擴(kuò)展研究，屬于有大面積接觸的三維模型，所以本文采用ANSYS的接觸單元來(lái)模擬粘結(jié)層，通過(guò)殺死摩擦應(yīng)力大于一定值的接觸單元來(lái)模擬脫層。在模擬計(jì)算過(guò)程中，設(shè)定一個(gè)粘結(jié)層破壞的層間接觸應(yīng)力極限值，但接觸單元內(nèi)的溫度應(yīng)力大于應(yīng)力極限值時(shí)單元將會(huì)被殺死，然后進(jìn)入下一階段的計(jì)算，通過(guò)多次計(jì)算及殺死相應(yīng)的單元來(lái)模擬脫層擴(kuò)展的情況。表1為本文研究模型采用的基本參數(shù)。

表1 模型基本參數(shù)

2 脫層擴(kuò)展模擬

基于鄭玉芳、王守松[4]在界面脫層的鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析中對(duì)幾種界面脫層形式的模擬。本文將針對(duì)完全粘結(jié)、貫穿脫層、間隔脫層和旁邊脫層等不同脫層形式，在環(huán)境高溫荷載下進(jìn)行脫層擴(kuò)展的模擬研究。

2.1 完全粘結(jié)脫層擴(kuò)展

圖1表示完全粘結(jié)情況下進(jìn)行多次脫層擴(kuò)展的圖示，圖中紅色部分表示完全粘結(jié)，藍(lán)色表示脫層。在a（完全粘結(jié)）情況下通過(guò)ANSYS軟件中進(jìn)行第一次模型計(jì)算，選出層間接觸應(yīng)力大于設(shè)定極限值的接觸單元進(jìn)行殺死后得到b的脫層情況，相當(dāng)于在完全粘結(jié)情況下經(jīng)過(guò)一段時(shí)間高溫荷載的作用，鋼橋面鋪裝產(chǎn)生脫層，脫層的情況如b圖示。b→d的情況依此類推。表2列出了鋪裝結(jié)構(gòu)在脫層的各個(gè)程度下的最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力。

表2 鋪裝層最大正應(yīng)力及最大剪應(yīng)力

圖1 完全粘結(jié)脫層擴(kuò)展

通過(guò)統(tǒng)計(jì)每次模擬時(shí)摩擦應(yīng)力超過(guò)極限應(yīng)力的單元數(shù)，來(lái)分析拓展擴(kuò)展的速度。從a→b過(guò)程，超過(guò)極限應(yīng)力的單元數(shù)為500，占粘結(jié)層所有單元的5%；b→c過(guò)程，脫層單元數(shù)量為688個(gè)，占總粘結(jié)單元數(shù)的7.2%；c→d過(guò)程，脫層單元數(shù)為697個(gè)，脫層單元占總粘結(jié)單元數(shù)為7.9%?？傮w來(lái)看在高溫荷載下脫層擴(kuò)展的的速率比較均衡，屬于穩(wěn)步擴(kuò)展。

從應(yīng)力上分析，鋪裝層的最大正應(yīng)力的變化不大，說(shuō)明完全粘結(jié)下的脫層對(duì)鋪裝層的最大正應(yīng)力的影響小，可以忽略。鋪裝層表面和底面的最大剪應(yīng)力隨脫層擴(kuò)展出現(xiàn)增大。

2.2 貫穿脫層擴(kuò)展

圖2所示為橋面鋪裝初始處在貫穿脫層狀態(tài)下的脫層擴(kuò)展情況。表3給出了貫穿脫層擴(kuò)展各階段的鋪裝層最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力。

圖2 貫穿脫層擴(kuò)展

表3 鋪裝層的最大正應(yīng)力及最大剪應(yīng)力

從a→b過(guò)程，超過(guò)極限應(yīng)力的單元數(shù)為560，占粘結(jié)層所有單元的6.5%；b→c過(guò)程，脫層單元數(shù)量為732個(gè)，占總粘結(jié)單元數(shù)的7.8%；c→d過(guò)程，脫層單元數(shù)為703個(gè)，脫層單元占總粘結(jié)單元數(shù)為8.1%?？傮w來(lái)看在高溫荷載下脫層擴(kuò)展的的速率比較均衡，屬于穩(wěn)步擴(kuò)展，擴(kuò)展的速率大于完全粘結(jié)下的擴(kuò)展速率。

從應(yīng)力上分析，鋪裝層表面的橫向和縱向最大正應(yīng)力受脫層破壞影響小，鋪裝層底面的橫向最大正應(yīng)力受到的影響較小，鋪裝層底面的縱向最大正應(yīng)力由于貫穿脫層的出現(xiàn)，有較大的變化，隨著脫層的擴(kuò)展，鋪裝層底面的縱向最大正應(yīng)力逐漸減小[3-5]。

2.3 間隔脫層擴(kuò)展

圖3所示為間隔脫層情況下的脫層擴(kuò)展情況。表4列出了間隔脫層擴(kuò)展在各擴(kuò)展階段時(shí)的鋪裝層最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力。

表4 鋪裝層最大正應(yīng)力及最大剪應(yīng)力

圖3 間隔脫層擴(kuò)展

從a→b，超過(guò)極限應(yīng)力的單元數(shù)為698，占粘結(jié)總單元數(shù)的7.3%；b→c，脫層單元數(shù)量為794個(gè)，占總粘結(jié)單元數(shù)的8.1%；c→d，脫層單元數(shù)為786個(gè)，脫層單元占總粘結(jié)單元數(shù)為9%?？傮w來(lái)看，在高溫荷載下脫層擴(kuò)展的的速率比較均衡，屬于穩(wěn)步擴(kuò)展，擴(kuò)展的速率大于完全粘結(jié)下的擴(kuò)展速率。

從應(yīng)力上分析，間隔脫層擴(kuò)展對(duì)鋪裝層表面的最大正應(yīng)力的影響小，可以忽略。鋪裝層底面的縱向最大正應(yīng)力由于脫層的出現(xiàn)，有較大的變化。隨著脫層的擴(kuò)展，鋪裝層表面和底面的最大剪應(yīng)力都出現(xiàn)增大的情況。

3 結(jié)語(yǔ)

本章借助ANSYS的生死單元，對(duì)超過(guò)一定摩擦應(yīng)力值的單元進(jìn)行殺死，通過(guò)對(duì)生死單元命令的循環(huán)利用模擬脫層擴(kuò)展。主要分析了完全粘結(jié)及在不同的脫層形式下（貫穿脫層、間隔脫層和旁邊脫層）的脫層擴(kuò)展速率及應(yīng)力分析。

在溫度荷載作用下，鋼橋面鋪裝的脫層擴(kuò)展開始于粘結(jié)層的邊界以及初始脫層的邊界，從邊界向內(nèi)擴(kuò)展，脫層擴(kuò)展的速度均勻。其中間隔脫層擴(kuò)展的速度最快，相對(duì)來(lái)說(shuō)完全粘結(jié)時(shí)的脫層擴(kuò)展較慢。