水泥混凝土桥面铺装层力学分析

摘要：通过建立水泥混凝土桥面铺装层三维有限元模型，研究了桥面铺装层受力状态，分析温度与荷载对桥面铺装层力学特性的影响。研究结果表明，随着轴载增加，铺装层应力应变均增大，且呈线性变化；水平荷载作用下，铺装层顶面压应变大于拉应变，且水平荷载的增加显著增强了层间纵向剪应力；模量大于2500MPa时，随着模量增加，模量对铺装层顶面最大横向拉应变的影响程度逐渐减弱；模量小于1500MPa时，横向剪应力和纵向剪应力相当，模量大于1500MPa时，纵向剪应力的增幅明显大于横向剪应力。 关键词：水泥混凝土；桥面铺装；力学分析

1 引言

近年来，桥梁早期病害越来越突出，如拥包、水损害、车辙等[1]。桥面铺装层与桥面板之间的防水粘结层性能对铺装结构的整体稳定性和耐久性有着重要影响。

目前国内外许多学者对桥面结构层间受力进行分析，取得了大量研究成果。Yun Liu等[2]对温度和荷载作用下混凝土箱梁防水粘结层性能进行研究，通过建立有限元模型，分析桥面铺装层间的变形特征；蒋甫海等[3]基于桥面受力及破坏特征对铺装层进行力学计算，探讨了最大剪应力沿深度方向的变化规律；王勋涛等[4-5]通过建立简支箱梁桥足尺模型，研究了桥面铺装层间接触力学分析；高雪池、胡晓等[6-8]分析了不同混凝土桥梁动静荷载作用下的力学响应状态。

由于桥面铺装层所处环境表现出复杂的温度-水-荷载耦合作用，其受多因素影响作用较强。本文通过建立桥面铺装三维有限元模型，研究水泥混凝土桥面铺装层受力状态，揭示桥面铺装层的变形特性变化规律，为桥面防水粘结层设计、施工提供科学依据。 2 桥面铺装模型建立 2.1 有限元模型

桥面铺装层是一种特殊的结构，如何合理简化荷载模型，以及如何进行横向和纵向布载，选择合理的计算参数，也直接关系到计算结果的精确程度。力学分析求解时，模型的结构特性和材料特性引入如下假设：

（1）钢筋水泥混凝土桥面板是均匀的、连续的、各向同性的弹性材料； （2）在常温和低温状态下，沥青混凝土是均匀的、连续的、各向同性的弹性材料，计算中不计沥青混凝土的非线性；

（3）假定各层间完全连续。铺装层间及铺装层与桥面板间完全连续（应力与应变连续）；

（4）水泥混凝土桥面板及沥青混凝土铺装层的自重不计； （5）不考虑桥墩与承台的变形，只研究上部结构。

水泥混凝土桥面铺装体系模型如图2.1所示。所建模型取桥梁一跨结构，梁桥面板与两层铺装采用八节点四面体实体单元防水粘结层采用壳单元。

图2.1 混凝土桥面铺装体系模型 2.2 参数选取

桥面板采用C50混凝土，防水粘结层厚度0.15cm，沥青混凝土桥面铺装采用

6cm AC20＋4cm SMA13 的结构组合，由《公路沥青路面设计规范》[15]（JTJ 014-97）及《混凝土设计规范》（GB 50001-2001），相应材料主要物理指标如表2.1所示。

模型加载时同时考虑垂直荷载和水平荷载，其中垂直荷载由车辆轮载提供，其布置如图2.2所示，考虑30%的冲击，水平荷载仅考虑轮胎与铺装之间的摩擦力，即为垂直荷载乘以车轮与桥面之间的摩擦系数 f，f=0.5 时表示紧急制动，适于用正常路段，取 f=0.5。为简化计算本文荷载假定为均布荷载，分布如图2.3所示，各荷载换算为均布荷载以后的结果如表2.2所示。 表2.1 桥面铺装材料物理指标

3 模拟结果

3.1 轴载对铺装层性能影响

通过改变轴载作用的大小来分析铺装体系受力情况，可以分析超载对桥面铺装体系的受力影响。在其他参数不便的前提下（不改变面层的模量，亦不考虑刹车的影响），保持轮胎的接地面积不变，仅改变均布荷载的集度，将轴载由

130kN 增加到 280kN，计算桥面铺装系的受力情况，其计算结果如图3.1、图3.2。

图3.2 轴载与铺装层应力关系

由计算结果可知，随着轴载增加，铺装层应力应变均增大，且呈线性变化；铺装层顶面的横向压应变的数值均大于拉应变，且随轴载增加而增长的幅度要大一些；层间横向剪应力要略微大于纵向剪应力，其合力在 0.21MPa~0.45MPa之间。层顶竖向压应变显著大于横向拉应变，略微大于横向压应变，说明在重载条件下，车辙有可能最先出现；对于层间的竖向压应力，其值在 0.11MPa~0.23MPa之间。 3.2 水平荷载对铺装层性能影响

当车辆制动时，轮胎与路面间产生较大的水平力，其水平荷载可由下式确定：T=ΦP，其中T为水平荷载，Φ为滑动摩阻系数，P为车辆的垂直荷载。根据路面材料和干湿状态的不同，摩阻系数会发生变化。本文取 0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 六种状态，计算水平荷载对桥面铺装体系的影响，计算结果如图3.3、图3.4。

图3.4 水平荷载与铺装层应力关系

由计算结果可知，改变刹车力大小对桥面铺装各层之间的受力影响不同，对于铺装层顶面的最大横向拉应变和压应变，即便是在水平荷载的作用下，压应变的数值仍然大于拉应变；对于层间剪应力，水平荷载的增加显著增强了层间纵向剪应力，但是对横向剪应力的影响很小，其合力在0.21MPa~0.44MPa之间，显然合力增长主要是来自于纵向剪应力的贡献；对于层顶竖向压应变，其值要显著大于横向拉应变，大于横向压应变，说明刹车对路面抗车辙也极为不利；对于层间的竖向拉应力，其值在0.108MPa~0.112MPa间，说明层间的竖向拉应力对刹车的作用不敏感。

3.3 温度对铺装层性能影响

由于沥青混凝土模量的温度敏感性很高，从高温到常温再到低温，模量会升高5~10倍，加之桥面结构厚度相对路面结构要薄，并且没有路面向路基的传热途径。因此，桥面沥青混凝土的刚度受到环境温度的影响更大，铺装层模量并非固定值。对不同模量下铺装层受力状况进行模拟，结果如图3.5、图3.6。

由计算结果可知，随着铺装层模量增加，铺装层顶面最大横向拉应变、横向

压应变、竖向压应变逐渐减小；铺装层底面最大竖向压应力、横向剪应力、纵向剪应力及剪应力合力逐渐增大。一般而言，随着温度的降低，铺装层的模量会增加，这与夏季高温沥青路面易车辙相一致。

模量大于 2500MPa 时，增加铺装层的模量对铺装层顶面最大横向拉应变的影响程度逐渐减弱；模量小于 1500MPa 时，横向剪应力和纵向剪应力相当，模量大于 1500MPa时，纵向剪应力的增幅明显大于横向剪应力，表明铺装层模量较小时，其对桥面系的刚度贡献也小，当变形相当时剪应力随模量的增加而增大；当铺装层模量较大时，其对桥面系的刚度贡献也大，相对变形变小，剪应力增加缓慢。对于竖向压应变而言，随着模量增加，层顶竖向压应变急剧减小，说明高模量沥青混凝土面层一定程度上减轻车辙的产生，但同时会导致层间竖向拉应力增加，其值在0.108MPa~0.112MPa 之间。

图3.6 模量与铺装层应力关系 4 结论

（1）随着轴载和水平应力增加，铺装层应力应变均增大，且呈线性变化；铺装层顶面应变随模量增加逐渐下降，底面应力随模量增加逐渐增加。铺装层顶面最大竖向压应变总大于最大横向压应变，其值在 122~846?ε 之间，故可将最大横向压应变可作为压应变的控制指标；

（2）铺装层间竖向拉应力分布在 0.05MPa~0.23MPa 之间，其变化主要和与面层模量有关；层间剪应力介于0.18MPa~0.45MPa 之间，其受荷载作用影响较大，尤其对刹车作用的敏感性较强；

（3）防水粘结层设计时，应综合考虑铺装材料刚度和柔度关系，从增强桥面的整体刚度、减小桥面及铺装层变形角度来看，宜选择刚度较大材料；从层间剪应力角度出发，宜选择较薄柔性材料。 参考文献

[1]马建，孙守增，杨琦，等. 中国桥梁工程学术研究综述? 2014[J]. 中国公路学报，2014，5：1-96.

[2]Liu Y，Wu J，Chen J. Mechanical properties of a waterproofing adhesive layer used on concrete bridges under heavy traffic and temperature loading[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives，2014，48：102-109.

[3]蒋甫海，周冰，张崇高. 防水粘结层对桥面铺装受力的影响[J]. 结构工程师，2008，24（5）：54-56.

[4]王勋涛，封建湖，王虎. 简支箱梁桥沥青铺装层层间接触分析[J]. 武汉大学学报：工学版，2017，50（1）：107-113.

[5]王勋涛，封建湖，王虎. 层间接触时空心板桥铺装层应力分析[J]. 公路，2017，62（6）：14-22.

[6]高雪池，黄晓明，许涛. 大跨径桥梁沥青混凝土桥面铺装层力学分析[J]. 公路交通科技（技术版），2005，22（1）：69-72.

[7]许涛，黄晓明，高雪池. 移动荷载作用下沥青混凝土桥面铺装层动力响应分析[J]. 公路交通科技，2007，24（10）：6-10.

[8]胡晓，曹德洪，崔晨，等. T 型混凝土梁桥桥面铺装的有限元分析[J]. 公路，2010（9）：41-45.