基于ABAQUS的水泥混凝土橋面薄層鋪裝體系關(guān)鍵技術(shù)研究

張易辰 尹文華 張業(yè)茂 張洪濤 王海峰

（1.寧夏公路勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司,寧夏 銀川 750001；2.南京工程學(xué)院,江蘇 南京 211167；3.寧夏公路管理中心,寧夏 銀川 750001；4.寧夏公路數(shù)字信息化工程技術(shù)研究中心,寧夏 銀川 750001)

在公路工程建設(shè)當(dāng)中，橋梁是重要的組成部分。目前江蘇省部分公路中橋梁總長占路面總長的10%～15%，橋梁的質(zhì)量對于整個公路的使用都具有十分重要的影響。此外，橋面鋪裝層是橋梁重要的功能性結(jié)構(gòu)，一方面，它直接承受著行車荷載的作用，影響著行車舒適性、安全性；另一方面，橋面鋪裝層能夠防止雨水下滲對橋梁主體結(jié)構(gòu)形成腐蝕，承擔(dān)著重要的保護作用[1]。因此，鋪裝層性能的優(yōu)劣，將直接影響到整個橋面的運營質(zhì)量、服務(wù)水平與橋梁使用壽命。水泥混凝土橋梁是國內(nèi)常見的公路橋梁形式之一，對于其上部鋪裝層而言，瀝青鋪裝層由于性能好、噪聲小、行車舒適度高等優(yōu)點而得到了廣泛的應(yīng)用，如果說橋梁結(jié)構(gòu)是橋梁的“形體”，那么橋面鋪裝即是橋梁的“臉面”。然而，從國內(nèi)已建成通車運營的橋面使用狀況來看，水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層普遍出現(xiàn)了一系列病害，如車轍、推移、擁包、坑槽等[2]。

1 水泥混凝土橋面環(huán)保型薄層瀝青鋪裝性能指標(biāo)

本次水泥混凝土橋面薄層瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)方案設(shè)計中，將防水黏結(jié)層層間抗剪強度、層間黏結(jié)強度作為橋面鋪裝體系性能的主要控制指標(biāo)。

1.1 層間抗剪強度

對于水泥混凝土薄層瀝青鋪裝體系設(shè)計而言，若通過試驗測得長期老化后的鋪裝層間的極限抗剪強度并要求不小于層間最大剪應(yīng)力則可以控制橋面在長期運營后鋪裝層間不發(fā)生剪切失效。對于水泥混凝土橋面薄層瀝青鋪裝體系，若控制整個使用周期內(nèi)瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)層間不發(fā)生剪切失效，則防水黏結(jié)層材料抗剪強度應(yīng)滿足以下要求：

1.2 層間黏結(jié)強度

對于水泥混凝土橋面薄層瀝青鋪裝體系設(shè)計，若通過試驗測得長期老化后的鋪裝層間的黏結(jié)強度，并要求不小于層間豎向最大拉應(yīng)力則可以控制橋面在長期運營后鋪裝層間不發(fā)生黏結(jié)失效[3]。對于水泥混凝土橋面薄層瀝青鋪裝體系而言，若控制整個使用周期內(nèi)瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)層 間不發(fā)生黏結(jié)失效，則防水黏結(jié)層材料抗拉強度應(yīng)滿足以下要求：

1.3 室內(nèi)指標(biāo)與現(xiàn)場檢測指標(biāo)間的關(guān)系研究

通過對前期室內(nèi)附著力拉拔試驗與復(fù)合件拉拔試驗數(shù)據(jù)進行分析，得到如表1所示的室內(nèi)試驗對比結(jié)果。需要說明的是，兩種試驗的撒布量均采用最佳撒布量 0.8 kg/m2。

表1 室內(nèi)對比試驗結(jié)果匯總(MPa)

通過對以上數(shù)據(jù)進行線性回歸，得到附著力拉拔儀測得的黏結(jié)強度與復(fù)合件拉拔試驗測得的強度，如圖1所示。附著力拉拔強度與復(fù)合件拉拔強度關(guān)系，如表1所示。

圖1 附著力拉拔強度與復(fù)合件拉拔強度關(guān)系圖（0.8 kg/m2）

2 水泥混凝土橋面薄層瀝青鋪裝體系黏彈性力學(xué)響應(yīng)研究

ABAQUS 是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件，可以模擬典型工程材料的性能，廣泛應(yīng)用于橋梁設(shè)計時三維仿真模型中。以下將基于ABAQUS進行水泥混凝土橋面薄層鋪裝體系關(guān)鍵技術(shù)的探討。

2.1 有限元模型建立

2.1.1 基本假設(shè)

（1）假定水泥混凝土橋面板為大剛度、均勻的、各向同性的彈性半空間體。

（2）假設(shè)瀝青鋪裝層材料為各向同性、均勻的黏彈性體。

（3）假設(shè)瀝青層、防水黏結(jié)層與橋面板彼此之間為黏結(jié)滑移狀態(tài)。

（4）橋面鋪裝層為滿足與梁板的協(xié)同作用，僅承受活載作用下由于自身協(xié)同水泥混凝土橋面環(huán)保型薄層瀝青鋪裝體系研究變形所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變，忽略施工條件等人為因素的影響。

（5）在進行數(shù)值模擬時，主要考慮鋪裝體系內(nèi)部的受力情況，橋墩與承臺的變形不在考慮范圍內(nèi)[4]。

2.1.2 模型設(shè)置與荷載形式

（1）模型設(shè)置

橋面鋪裝體系分為水泥橋面、防水黏結(jié)層、瀝青鋪裝層三層，其中模擬本次計算采用的模型橋梁為雙向四車道，單車道寬度為 3.75 m，算上橋面分隔帶、養(yǎng)護專用道、欄桿寬度與硬路肩在內(nèi)，橋面對稱一幅雙車道寬度為 9.0 m。橋梁模型采用簡支T形梁，主要參數(shù)如表2所示。

表2 簡支T形梁橋主要尺寸參數(shù)

（2）荷載形式

計算中車輛荷載速度取60 km/h，則荷載作用時間T取為0.076 s，分析時段取為0.2 s（見圖2）。

圖2 車輛動荷載時程變化曲線

大車輛在正常行駛時，水平力按豎向力 乘以0.7的系數(shù)進行計算最為合適。在荷載設(shè)置中將超載系數(shù)設(shè)為50%，以考察超載情況對橋面鋪裝體系力學(xué)性能的影響。

2.1.3 最不利荷載位置分析

（1）橫向最不利位置

橋梁設(shè)計為雙向四車道，包括橋面分隔帶、養(yǎng)護專用道、欄桿寬度在內(nèi)，對稱一幅寬度設(shè)置為9.0 m。橋面上一個行車道的寬度為3.75 m，為了分析車輛的橫向布置對橋面鋪裝層受力的影響，找到在相鄰行車道間潛在的橫向最不利位置，并考慮橋面車輛行駛的實際情況，在此選擇1 m為分析步長，從距邊緣0.5 m處開始向中間移動，荷載分別布置荷位1、荷位2、荷位3、荷位4，荷位5、荷位6，具體布置如圖3所示。

圖3 車輛的橫向荷位布置圖（左幅橋面）

表3 橫向荷位的變化對瀝青鋪裝層的應(yīng)力應(yīng)變的影響

（2）縱向最不利位置

分析橋梁縱向不利荷位，是在橫向位置確定的基礎(chǔ)上，沿橋梁縱向分別在橋墩支點荷位8、荷位9、荷位10、荷位11，具體的布置位置如圖4所示，通過計算分析瀝青混凝土面層的應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律。

圖4 ABAQUS 模型中縱向最不利荷載分段施加

對瀝青鋪裝層的最大主應(yīng)力、最大橫向拉應(yīng)力、最大縱向拉應(yīng)力、最大橫向拉應(yīng)變、最大縱向拉應(yīng)變分別計算，得到縱向荷位變化對瀝青鋪裝層的應(yīng)力應(yīng)變的影響情況，如表4所示。

表4 縱向荷位的變化對瀝青鋪裝層的應(yīng)力應(yīng)變的影響

對簡支T形梁橋面鋪裝層縱向最不利荷位的分析可知，瀝青混凝土面層最大橫、縱向拉應(yīng)力都出現(xiàn)在荷位10處，所以選擇橋梁縱向3/8跨處作為縱向最不利荷載位置。

（3）最不利位置確定

以9 m一幅橋面寬度、20 m跨徑的簡支T形梁橋為例，由前文分析可知，橫向最不利位置位于荷載中心距橋邊界1.4 m 處；縱向最不利位置位于橋梁縱向3/8跨處。因此，可將計算力學(xué)指標(biāo)考察的最不利位置定位于兩處交叉處。

2.2 瀝青鋪裝體系動力響應(yīng)計算方案

在分別確定簡支T形梁橋的最不利位置后，將鋪裝層厚度、鋪裝層材料溫度、車輛荷載進行正交組合，得到水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層力學(xué)響應(yīng)計算方案[5]，如表5所示。

表5 瀝青鋪裝體系力學(xué)響應(yīng)計算方案

2.3 瀝青鋪裝體系動力響應(yīng)結(jié)果分析

2.3.1 瀝青鋪裝層最大橫向拉應(yīng)力

各工況下瀝青鋪裝層最大橫向拉應(yīng)力隨瀝青鋪裝層厚度、溫度條件的變化情況如圖5所示，其中車輛荷載包括常載與超載50%兩種情況。

圖5 瀝青鋪裝層內(nèi)最大橫向拉應(yīng)力變化情況

對超載下的計算結(jié)果進行回歸，得到簡支T形梁橋與連續(xù)箱梁橋瀝青層內(nèi)最大橫向拉應(yīng)力與鋪裝層厚度統(tǒng)計回歸關(guān)系，如圖6所示。

圖6 瀝青鋪裝層厚度與層內(nèi)最大橫向拉應(yīng)力統(tǒng)計回歸圖

針對不同瀝青鋪裝層厚度、不同溫度條件下的水泥混凝土橋面瀝青鋪裝體系，應(yīng)要求瀝青鋪裝層材料的抗拉強度滿足。其中，瀝青鋪裝層最大橫向拉應(yīng)力y滿足與鋪裝層厚度x的統(tǒng)計回歸關(guān)系。當(dāng)鋪裝層瀝青混合料的抗拉強度小于這個限度時，橋面鋪裝層就容易產(chǎn)生荷載型裂縫[6]。

2.3.2 防水黏結(jié)層間最大剪應(yīng)力

各工況下防水黏結(jié)層間最大剪應(yīng)力 隨瀝青鋪裝層厚度、溫度條件的變化情況（見圖8、圖9），其中車輛荷載包括常載與超載 50%兩種情況。

圖7 防水黏結(jié)層間最大剪應(yīng)力變化情況

圖8 防水黏結(jié)層間最大剪應(yīng)力與鋪裝層厚度統(tǒng)計回歸

針對不同瀝青鋪裝層厚度、不同溫度條件下的水泥混凝土橋面瀝青鋪裝體系，應(yīng)要求防水黏結(jié)層間抗剪強度滿足，其中最大剪應(yīng)力y滿足與鋪裝層厚度x的統(tǒng)計回歸關(guān)系。當(dāng)防水黏結(jié)層的層間抗剪強度小于該限度時，在車輛作用下層間就容易發(fā)生相對滑移引起剪切破壞。

2.3.3 防水黏結(jié)層間最大豎向拉應(yīng)力

各工況下防水黏結(jié)層間最大豎向拉應(yīng)力 隨瀝青鋪裝層厚度、溫度條件的變化情況（見圖9、圖10），其中車輛荷載包括常載與超載50%兩種情況。

圖9 防水黏結(jié)層間最大豎向拉應(yīng)力變化情況

圖10 防水黏結(jié)層間最大豎向拉應(yīng)力與鋪裝厚度的統(tǒng)計回歸

針對不同瀝青鋪裝層厚度、不同溫度條件下的水泥混凝土橋面瀝青鋪裝體系，應(yīng)要求防水黏結(jié)層的層間黏結(jié)強度滿足，其中黏結(jié)層間最大豎向拉應(yīng)力y應(yīng)滿足與鋪裝層厚度x的回歸關(guān)系。

綜上，根據(jù)水泥混凝土橋面瀝青鋪裝體系動力響應(yīng)分析結(jié)果，提出水泥混凝土橋面薄層鋪裝體系的力學(xué)指標(biāo)要求，如表6所示。

表6 水泥混凝土橋橋面薄層鋪裝體系力學(xué)指標(biāo)要求

3 鋪裝方案設(shè)計流程

3.1 基礎(chǔ)資料搜集

調(diào)查、搜集橋梁所在地區(qū)的地質(zhì)水文條件、氣候特征、降水量等基礎(chǔ)資料，包括當(dāng)?shù)爻Ｓ玫匿佈b層材料類型，同時確定橋梁在路網(wǎng)中的位置和地位，并重點對橋梁所銜接的公路路面結(jié)構(gòu)形式進行調(diào)查。

3.2 橋面鋪裝結(jié)構(gòu)初擬

基于層間力學(xué)強度指標(biāo)對鋪裝層厚度的要求，結(jié)合橋梁設(shè)計參數(shù)及水泥橋面板界面處理水平，初步擬定水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)和厚度方案。

3.3 鋪裝層原材料檢測、配合比設(shè)計及路用性能試驗

對水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層原材料（瀝青、集料）進行室內(nèi)指標(biāo)檢測，當(dāng)檢測結(jié)果不滿足要求時，應(yīng)重新選擇材料，直至檢測結(jié)果滿足要求，所測結(jié)果應(yīng)滿足相應(yīng)技術(shù)規(guī)范的要求。

3.4 防水黏結(jié)層材料初選及原材料檢測

在遵循方案選擇原則的前提下，按照橋面鋪裝體系力學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的要求，對幾種防水黏結(jié)層材料進行初選，并對進行比選的防水黏結(jié)層材料指標(biāo)（物化性能、力學(xué)性能）進行檢測，所測結(jié)果應(yīng)滿足相應(yīng)技術(shù)規(guī)范的要求，在此基礎(chǔ)上進行開展鋪裝體系結(jié)構(gòu)性能試驗。

3.5 橋面薄層瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)性能試驗

本部分包括兩部分內(nèi)容：（1）開展模擬薄層橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的復(fù)合試件室內(nèi)試驗，得到防水黏結(jié)層材料的層間抗剪強度、黏結(jié)強度，并基于試驗結(jié)果確定防水黏結(jié)層材料的最佳撒布量，為橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場實施提供數(shù)據(jù)支持；（2）進行模擬橋面運行環(huán)境的加速老化試驗，通過室內(nèi)試驗得到老化后的防水黏結(jié)層的層間抗剪強度、黏結(jié)強度。

3.6 橋面鋪裝結(jié)構(gòu)確定

驗算各設(shè)計強度指標(biāo)是否滿足鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)要求，若不能滿足，則需要調(diào)整鋪裝結(jié)構(gòu)組合、更換強度更好的結(jié)構(gòu)層、更換材料或配合比；重新試驗確定各項設(shè)計參數(shù)，再進行驗算，直到各設(shè)計指標(biāo)同時滿足要求為止，最終確定橋面鋪裝體系結(jié)構(gòu)參數(shù)[7]。

4 設(shè)計實例

4.1 資料收集及橋面鋪裝結(jié)構(gòu)初擬

實體工程在交通量上屬于中交通，所處地區(qū)位于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，1月平均氣溫為3.5 ℃，極端最低氣溫-9.8 ℃；7月平均氣溫為28.2 ℃，極端最高氣溫可達38～40 ℃；年平均降水量1 063 mm，全年降水量多集中在4月—9月。選擇SMA-13作為鋪裝層材料進行混合料設(shè)計，考慮到依托工程水泥橋面板處理水平，擬定橋面瀝青鋪裝層厚度為 5 cm。

經(jīng)室內(nèi)目標(biāo)配合比設(shè)計，得到最佳瀝青用量為5.6%，根據(jù)實踐經(jīng)驗、氣候條件、交通情況，最佳瀝青用量可適當(dāng)調(diào)整。配合比為1#∶2#∶4#∶礦粉=36%∶42%∶12%∶10%，聚丙烯腈纖維內(nèi)摻量為瀝青混合料的2‰，通過浸水馬歇爾試驗驗證抗水損害性能滿足設(shè)計要求，試驗結(jié)果如表7所示。

表7 浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果

4.2 鋪裝層瀝青混合料路用性能試驗

4.2.1 高溫車轍試驗

與瀝青路面相比，橋面鋪裝層的厚度較小，與水泥混凝土板的黏結(jié)能力差，從而更容易產(chǎn)生病害。因此，對于橋面鋪裝層的高溫穩(wěn)定性的要求比正常路段瀝青面層要高[8]。

瀝青混合料的高溫性能主要受最大公稱粒徑、級配、瀝青種類、瀝青用量和添加劑等多種因素影響，從表8可以看出，改性瀝青SMA-13混合料的動穩(wěn)定度達到5 601次/mm，顯著高于技術(shù)規(guī)范要求。

表8 高溫車轍試驗結(jié)果

4.2.2 低溫彎曲試驗

對改性瀝青SMA-13混合料進行溫度10 ℃，速率50 mm/min的條件下的低溫彎曲試驗，試件分4個平行試件，試驗結(jié)果見表9。

表9 低溫彎曲試驗結(jié)果

從表10的試驗結(jié)果可以看出，改性瀝青SMA-13混合料具有良好的低溫抗裂性能，滿足規(guī)范技術(shù)要求。

4.3 設(shè)計指標(biāo)驗證及鋪裝結(jié)構(gòu)確定

通過對橋面薄層瀝青鋪裝體系結(jié)構(gòu)性能試驗結(jié)果進行整理，分別對各類防水黏結(jié)層材料的設(shè)計指標(biāo)進行驗證，結(jié)果如表10所示。

表10 設(shè)計指標(biāo)試驗驗證結(jié)果

由表10可以看出，水性環(huán)氧防水黏結(jié)層材料的抗剪強度、抗拉強度、老化后抗剪強度、老化后抗拉強度均分別滿足水泥混凝土橋面薄層鋪裝體系力學(xué)指標(biāo)要求，因此確定其為水泥混凝土橋面薄層瀝青鋪裝的防水黏結(jié)層材料類型。

通過上述一系列鋪裝方案設(shè)計流程，確定水泥混凝土橋面環(huán)保型薄層瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)方案如圖11所示。

圖11 水泥混凝土橋面薄層瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)方案

5 結(jié)語

文章依托某實體工程[9-10]，進行基于ABAQUS的混凝土橋面薄層鋪裝設(shè)計理論與方法研究，主要結(jié)論如下：

（1）提出將防水黏結(jié)層間黏結(jié)強度、抗剪強度作為橋面鋪裝體系性能的主要控制指標(biāo)，解決混凝土橋面薄層鋪裝環(huán)保型瀝青材料選型問題。

（2）對簡支T形梁橋的最不利位置進行考察，結(jié)果表明，以9 m 半幅寬度、20 m跨徑的簡支T形梁橋為例，橫向位于荷載中心距離橋邊界1.4 m處，縱向位于橋梁縱向3/8跨處。

（3）通過黏彈性力學(xué)響應(yīng)計算，得到鋪裝層最大橫向拉應(yīng)力、防水黏結(jié)層間最大剪應(yīng)力與最大豎向拉應(yīng)力，分別表征鋪裝層材料的抗拉強度、防水黏結(jié)層材料的抗剪強度與黏結(jié)強度。

（4）提出混凝土橋面薄層鋪裝方案設(shè)計流程，并依托某實體工程選擇SMA13作為鋪裝層材料進行混合料設(shè)計，擬定橋面瀝青鋪裝層厚度為5 cm。通過鋪裝層瀝青混合料路用性能試驗確定水泥混凝土橋面環(huán)保型薄層瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)方案。