水泥混凝土桥沥青铺装层病害成因有限元分析

1、水泥混凝土桥沥青铺装层病害成因有限元分析陈太泉武汉理工大学土木与建筑学院,武汉 (430070E-mail :摘 要:近年来 , 随着我国公路桥梁建设的快速发展 , 桥面铺装发生早期病害的问题已引起重 视。为解决此类问题,了解病害的原因是非常必要的。本文采用有限元分析模型,对桥面铺 装的剪切破坏和开裂破坏原因进行了计算分析。 分析中充分考虑铺装层内部因素和外部因素 的影响, 模拟了实际情况中的各种工况, 最终找出了引起桥面铺装层剪切破坏和开裂破坏的 根本原因。分析结果对铺装层的设计和施工有一定的借鉴意义。关键词:沥青铺装层,病害成因,剪切破坏,开裂破坏,有限元1. 引言桥面铺装层是桥梁结构的重

2、要组成部分, 其直接受车轮作用, 防止车轮轮胎直接磨耗行 车道板、 保护主梁免受雨水侵蚀、 并对车辆轮重的集中起分布作用。 铺装层的质量好坏和使 用耐久性直接影响到行车的安全性、舒适性、桥梁的耐久性及投资效益。近年来,随着交通 流量和重型车辆的增加以及环境因素的影响, 桥面铺装损坏情况越来越严重。 有的桥梁在投 入营运后不久 , 铺装层上便出现了裂缝、拥包、车辙、碎裂、脱落等破坏现象。这不仅妨碍 了正常交通,影响了桥面的美观,更易造成交通事故,所带来的经济损失也是不可估量的。 桥面铺装病害已成为我国公路界普遍关注的问题 12。了解病害产生的原因是解决桥面铺装病害问题前提条件, 这是十分必要和迫

3、切的。 文献 36都从铺装结构受力特点、铺装材料性能、桥面铺装施工等几个方面对桥面铺装病害原 因进行分析,然而,他们仅对病害原因作了比较笼统的定性描述或推断。鉴此,本文利用有 限元分析软件, 建立包含桥面铺装层及防水粘结层的桥梁实体, 模拟铺装层在各种条件下的 受力状况, 结合计算结果和实验数据或已有实验研究成果, 通过对比分析, 对铺装层病害原 因做进一步的分析和阐述,以期对其有更深一步的了解。2. 分析模型本文选取典型的 T 形梁桥和箱形梁桥, 实桥尺寸见表 1。 采用有限元程序空间实体建模, 建立的 T 形梁桥和箱形梁桥如图 1、 2所示。其中,用 solid95 单元来模拟主梁混凝土、

4、用 link8单元来模拟预应力钢绞线、 用 solid65单元模拟铺装层及防水粘结层。 边界条件为桥梁 两端固结,不考虑下部结构。经比较确定:网格密度最密划分至 222cm,而连续梁远离 负弯矩区划分至 100cm 。表 1 桥梁参数桥梁形式 横截面 跨径 顶板厚 肋板T 形梁 5片梁共宽 12m 30m 0.08m 0.2m 1.52/0.2箱形梁 4片梁共宽 12m 30m 0.12m 0.23m 0.9/0.35 图 1 T形梁桥有限元模型 图 2 箱形梁桥有限元模型Fig1 T shape bridge finite element model Fig2 box shape bridg

5、e finite element model车辆荷载采用均布荷载, 荷载作用面积现行 公路工程技术规范 规定的轮胎接地形状 由圆形面积等效转换成 0.2 m0.6 m矩形面积,保持两轮中心间距 1.8m 不变。在不考虑超 载情况下,取汽-超 20后轴重 140KN ,为了保持和现行沥青路面设计规范规定的胎压 相同,取轴载冲击系数为 1.2,轮胎接地压强取 0.707MPa ,如图 3: 图 3 计算荷载图示Fig3 Computation load chart3. 剪切破坏分析剪切破坏是沥青混凝土桥面铺装层在行车荷载作用下的典型破坏形式, 常表现为拥包和 推移。 由于沥青混凝土与混凝土桥梁结构

6、在材料性能上的悬殊差异性, 以及防水粘结层的存 在, 沥青混凝土与水泥混凝土桥面板层间因此成为整个桥面铺装体系中最薄弱的部位, 剪切 破坏频繁在该层间发生。外界荷载在此部位产生的剪应力与该层间的抗剪切强度的相对大 小,很大程度上决定了桥面铺装剪切破坏的发生与否。沥青混凝土与水泥混凝土桥面板层间剪切应力的大小与桥面铺装层内部和外界条件密 切相关。铺装层模量、厚度、行车状态(正常行驶、缓慢制动、加速减速、紧急制动、车 辆荷载对其均有不同程度的影响。 本文以下分析铺装层模量、 铺装层厚度、 行车状态及超载 对铺装层剪切应力的影响程度,找出使铺装层发生剪切破坏的主要因素。(1铺装层模量的影响沥青混凝土

7、在常温下为粘弹性材料, 沥青混凝土模量随温度有较大变化。 同时沥青混凝 土的模量也会随混合料的级配、沥青性能及各组成比例的不同有较大变化 57。针对沥青 混凝土模量的一般变化范围取 1000MPa 、 1200MPa 、 1400MPa 、 1600MPa 四个模量进行对比 分析。采用粘结层为连续体系的铺装层结构分析模型,其中摩擦系数 =0.05。计算结果见 图 4。可见,随着模量的增加,层间剪应力呈线性增加趋势。铺装层模量从 1000MP 变化到 1600MP , T 形梁层间剪应力相应由 0.15898MP 增加到 0.15976MP ;箱形梁由 0.18012MP 增 加到 0.1818

8、7MP 。但是,这两者增加的幅度都非常小,分别为 0.49%、 0.97%。因此,可以 认为铺装层模量的变化对剪应力没有影响。(2铺装层厚度的影响参考国内外的桥面铺装厚度, 取值范围为715cm 8。 计算假定层间完全连续, 摩 擦系数 =0.05。结果见图 5。可见,随着厚度的增加, T 形梁和箱形梁桥面铺装层间剪切应 力的变化规律基本一致。厚度较小时,剪切应力减小缓慢,随后急剧下降。铺装层厚度从 7cm 变化到 15cm , T 形梁层间剪应力相应由 0.16188MP 减小至 0.13028MP ;变化幅度为 20 %;箱形梁由 0.18341MP 减小到 0.15278MP ,变化幅度

9、为 17%。影响较为明显。 图 4 铺装层模量对剪应力影响 图 5 铺装层厚度对剪应力影响Fig4 module to shearing stress influence Fig5 Thickness to shearing stress influence (3行车状态的影响车辆在行驶时, 由于加减速及制动, 车轮对路面有水平摩擦力作用。 此水平作用力可按 式 F=P 确定。式中 , 为摩擦系数 , 与轮胎类型、路面状况及车速有关; P 为竖直压力。一 般情况下车辆在沥青路面正常行驶过程中 值为 0.010.05;缓慢制动过程中 值为 0.2; 制动或驱动过程中 值为 0.51.03, 4。

10、 针对不同的行车状态, 取摩擦系数为 =0.05、 =0.2、 =0.5、 =1.0。计算时设层间接触为理想状态,即层间连续,结果示于图 6。由图 6中可以 看出:T 形梁和箱形梁的层间剪切应力在车辆正常行驶状态下,分别为 0.15976MP 、 0.18187MP ;缓慢制动时,分别增至 0.19195MP 、 0.21556MP ;制动或驱动过程中,分别为 0.25632 MP0.37704 MP和 0.28294MP 0.39525MP 。车辆从正常行驶状态到制动状态, T 形梁层间剪切应力的增幅达 136%;箱形梁的层间剪切应力的增幅达 117%。可见,不同的 行车状态对层间剪切应力的

11、影响十分显著。 图 6 行车状态对剪应力影响Fig6 Driving condition to shearing stress influence 图 7 超载对剪应力影响Fig7 Overload to shearing stress influence(4超载作用的影响有调查 9表明:当前车辆超载的现象十分普遍,在一条公路上, 80KN 以上载重车约占 车辆总数的 10%30%,其中超载车约占重车的 30%70%,平均超载率为 50%70%, 最大超载率达到了 177%。采用粘结层为连续体系铺装层结构分析模型, 荷载面积不变, 通过改变竖直压力来分析 超载作用。竖直压力分别取 0.707M

12、Pa、 0.88375MPa 、 1.0605MPa 、 1.414MPa 、即比较超载 25%、 50%、 100%情况下铺装层受力状态,其中摩擦系数 取 0.05,计算结果如图 7所示。 可见,随荷载的增加, T 形梁及箱形梁铺装层间的剪切应力显著增加,并呈现出明显的线性 关系。超载 25%、 50%、 100%时,两者的层间剪切应力也相应增加 25%、 50%、 100%。 这表明,超载作用对铺装层间的剪切应力影响巨大。由以上分析可知, 铺装层的厚度、 行车状态、 超载作用是引发桥面铺装剪切破坏的主要 因素。在实际情况中,这 3种因素往往非单独存在,而是多者并存,共同作用的。它们之间 的

13、不同组合都将产生较大的层间剪切应力, 若其超出桥面层间抗剪切强度, 铺装层将遭受可 能的破坏。 鉴此, 考虑这几个因素的不同组和, 计算不同工况条件下铺装层间相应的剪切应 力,并与试验所得防水粘结层的抗剪切强度相互比较,进一步探明剪切破坏原因。其中, 本文对铺装层厚度、 行车状态、 超载作用这 3种引发破坏的主要因素取较为不利 的情况,即,铺装厚度 5cm 、行车状态为制动或驱动(=1、超载 100%,将其进行不同 工况组合,具体如下:工况 1, 9cm 沥青混凝土铺装层 +正常行驶 +标准车载;工况 2, 5cm 沥青混凝土铺装层 +正常行驶 +标准车载;工况 3, 9cm 沥青混凝土铺装层

14、 +正常行驶 +超载 100%; 工况 4, 9cm 沥青混凝土铺装层 +制动或驱动 +标准车载;工况 5, 5cm 沥青混凝土铺 装层 +制动或驱动 +超载 100%;防水粘结层抗剪实验采用图 8所示的实验装置, 加载装置使试件的着力面与加载方向所 成角度为 40o , 试验温度考虑常温和高温情况,即 25 、 60 ,剪切速率 5mm/min,对抗剪 能力较好且目前较为常用的 SBS 防水粘结材料测试。各工况计算结果与粘结层抗剪实验结 果汇总如图 9。 图 8 剪切试验示意图 图 9 计算和实验结果Fig8 Shear test schematic drawing Fig9 Computa

15、tion and experimental result由图 9可见,在高温条件下,防水层的抗剪强度较弱,仅有 0.15MP 。除工况 1外,其余 工况所产生的剪切应力均大于防水材料的抗剪切强度。 这表明:在夏季, 普通车辆在薄沥青 桥面上正常行驶、 超载车辆在一般桥面上正常行驶、 普通车辆在一般桥面上驱动或制动、 以 及超载车辆在薄沥青桥面上驱动或制动时, 都会发生剪切破坏。 在常温条件下, 除工况 5外, 其余工况所产生的剪切应力均小于防水材料的抗剪切强度。这表明:在春、秋季节,桥面铺 装发生剪切破坏的几率大大减小, 仅当超载车辆在薄沥青桥面上驱动或制动时, 才会发生剪 切破坏。因此,在夏

16、季,沥青铺装层较薄、汽车超载以及车辆在桥面上驱动或制动是桥面铺 装发生剪切破坏的原因; 非夏季时段, 桥面铺装发生剪切破坏的主要原因是超载车辆在薄沥 青桥面上驱动或制动。4. 开裂破坏分析在荷载作用下, 沥青桥面铺装层内部应力、 应变达到或超过其极限强度时, 铺装层即发 生开裂破坏。一般而言,由车辆荷载引起的铺装层上的拉应力、应变不会太大,导致铺装层 一次性破坏, 铺装层的开裂破坏通常是由于疲劳引起的。 然而, 沥青铺装层能否发生疲劳开 裂受其应变水平的制约, 即沥青混合料存在一个弯拉应变临界点, 当路面结构的弯拉应变低 于此值时,沥青混合料就不会产生疲劳损伤,这个拉应变点对应的就是疲劳极限

17、10。 Carpenter.et.al 指出,对于采用聚合物改性沥青的混合料 , 其疲劳极限可达 300, 采用重交沥 青的混合料 , 其疲劳极限也有 70以上 11。就应变水平而言, 水泥混凝土桥梁的受力结构是水泥混凝土构件和桥面板, 其局部变形 本来是非常小的,沥青铺装层不可能有大的应变 12。为充分说明该问题,本文增加建立钢 箱梁模型,并将其与前述 T 形梁桥模型进行比较分析,以明确水泥混凝土桥桥面铺装层的 受力、变形特性,进而得出水泥混凝土桥沥青铺装层的应变水平规律。其中,钢箱梁计算宽 度 1.2m , “ U ” 形肋间距 32cm ,高度 26cm ,开口宽度 32cm ,厚度 8

18、mm ,钢面板厚度 12mm 。 水泥混凝土桥和钢箱梁桥均取沥青铺装层厚度 9cm ,模量 1600MP ,车辆荷载 0.707MP 。假 设铺装层与桥面板之间粘结良好,即为完全连续状态,计算得到的钢箱梁桥及 T 形梁桥沥 青桥面铺装层典型应变变化示于图 10、图 11(图中拉应变为正,压应变为负。比较图 10和图 11可以发现, 钢箱梁沥青铺装层的应变分布受桥梁横截面构造形式的影响 明显, 压应变和拉应变在粱肋间和粱肋顶交替出现, 表现出很强的多跨连续梁受力变形特性。 而水泥混凝土梁沥青铺装层沿桥梁横断面方向的应变分布显得非常局部, 仅在车轮边缘出现 相对较大的拉应变。 这充分表明, 钢箱梁

19、沥青铺装层与水泥混凝土沥青铺装层受力变形模式 截然不同。对于钢箱梁桥,因桥面钢板较薄 , 其抗弯刚度弱,在荷载作用下,铺装层连同桥 面板将会产生较大的变形，在肋间向下弯曲，肋顶向上弯曲，从而在梁肋顶的负弯矩处，产 生较大的拉应变。由图10可见，最大拉应变高达513，因此，沥青铺装层疲劳开裂现象在 钢箱梁桥上屡见不鲜。 而对于水泥混凝土桥， 由于桥面板厚度大， 加之板底腋板的加劲作用， 从而整个桥面板的刚度巨大，桥面板对沥青铺装层形成强有力的支撑面。因此，在荷载作用 下，变形基本仅在沥青铺装层内发生，这使得所产生的拉应变值非常有限，由图11可见，最 大拉应变值仅为15，与采用聚合物改性沥青的混合

20、料疲劳极限300相比，相差一个数量 级。因此，水泥混凝土桥梁沥青铺装层产生疲劳开裂的可能性微乎其微。 800 400 0 应变/ -400 -800 -1200 20 10 -10 0 横向距离/m 应 变 / 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0 2 4 6 横向距离/m 8 10 12 -20 图 10 钢箱梁沥青桥面铺装层应变分布图 Fig10 Steel box bridge asphalt pavement strain distribution 图 11 T 形梁沥青桥面铺装层应变分布图 Fig11 T shape bridge asphalt pavemen

21、t strain distribution 通过以上分析，可知，水泥混凝土桥梁的沥青铺装层在与桥面板粘结良好的条件下，很 难发生荷载作用下的疲劳开裂破坏。显然，铺装层的开裂破坏另有其因。 实际上，很多情况下，防水粘结层破损、漏空、水渗入防水粘结层与水泥混凝土板界面 上以及施工时桥面板基面处理不当都将导致沥青铺装层与桥面板的粘结不良。 在车载反复作 用下，在粘结不良的区域，铺装层容易脱开形成滑动的界面状态。为了解该情况下铺装层的 受力状况，现采用T形混凝土桥梁分析模型。其中，铺装层厚度、模量及车载均同前述。截 取车轮正下方1m1m区域的防水粘结层，将其设定为各项异性体，通过调整其各方向的弹 性模

22、量及剪切模量，模拟该区域粘结不足情况。据已有研究成果13，各项异性体的参数见 表2。 表 2 正交异性材料参数 xz yz 0.3 0.3 Ex(MP 1100 Ey(MP 33000 Ez(MP 1100 xy 0.3 Gxy(MP 550 Gxz(MP 550 Gyz(MP 550 计算结果显示， 在桥面局部脱空的情况下， 沥青铺装层底的拉应变非常大， 高达2315。 这表明：铺装层与桥面板粘结不好，桥面铺装容易成为一个单独受力的层次，就会出现很大 的底部弯拉应变，桥面铺装必然迅速开裂破坏。因此，铺装层与桥面板粘结不好是导致铺装 层开裂破坏的根本原因。 5. 结论 本文针对典型的水泥混凝土

23、桥梁， 采用有限元分析软件建模， 将桥梁梁体与沥青铺装层 作为统一的力学分析模型， 对桥面铺装的剪切破坏和开裂破坏进行了计算分析。 主要有以下 结论： -6- （1）沥青铺装层的厚度、车辆行驶状态以及超载作用对沥青铺装层与桥面板层间剪切 应力影响较大，是引发剪切破坏的主要因素。 （2）在夏季高温条件下，沥青铺装层较薄、汽车超载以及车辆在桥面上驱动或制动是 桥面铺装发生剪切破坏的原因； 非夏季时段， 桥面铺装发生剪切破坏的主要原因是超载车辆 在薄沥青桥面上驱动或制动。 （3），由于水泥混凝土桥桥面刚度巨大，其受力变形模式与与钢箱梁桥存在极大的差 异。在荷载作用下，水泥混凝土桥桥面板局部变形非常小

24、。使得在铺装层内产生的拉应变极 其微小，远小于使沥青的混合料发生疲劳开裂的疲劳极限。因此，疲劳开裂现象在水泥混凝 土桥上发生的可能性不大。 （4）铺装层与桥面板粘结不好是导致铺装层开裂破坏的根本原因。当桥面铺装层与桥 面板粘结不良时，在粘结不良的区域，铺装层容易脱开形成滑动的界面状态，桥面铺装因此 成为一个单独受力的层次，车辆行驶在其上过程中，铺装层底将出现很大弯拉应变，开裂破 坏就在所难免。 值得一提的是， 本次分析是在桥面铺装混合料质量良好假设条件下， 仅考虑车辆荷载作 用而进行的。事实上，使桥面铺装层发生病害的原因还有很多，如：温度的影响、沥青混合 料的施工质量等。 限于篇幅， 本文无法

25、一一详述。 关于这些方面， 仍有待进一步分析和探讨。 参考文献 1季节,等.桥面铺装病害调查及成因分析J.北京建筑工程学院学报,2000(3:33391 2涂常卫,等.混凝土桥面铺装病害与设计和施工的关系浅析J.公路,1999(2:17221 3姚祖康.铺面工程M.上海:同济大学出版社,2001 4朱照宏,许志鸿.柔性路面性能设计理论和方法M上海:同济大学出版社,1987. 5李宇峙,等.SBS 改性沥青混合料性能对比试验研究J.长沙交通学院学报.2001, 17(2 :1923 6Jonathan E. Crince, Karim Chatti. Comparison of The Engi

26、neering Characteristics of Asphalt Mixes to Field Data and Pavement Performance. Transportation Research Record No. 01-2478, National Research Council, Washington D.C., 2001:120 7Chris Marshall, Roger W. Meier, Michael Welsh. Seasonal Temperature Effects On Flexible Pavements In Tennessee. Transport

27、ation Research Record No. 01 3010, National Research Council, Washington D.C.,2001:115 8段丹军,袁秀英.混凝土桥梁沥青混凝土铺装层合理组合型式确定J.公路交通科技.2000(2:3637. 9杨士炯. 汽车严重超载损坏道路设施的调查报告J.公路.1997,(3:47 10张志祥,陈荣生. LSM 沥青混合料疲劳极限的实验研究J.公路交通科技.2006,(23:1923 11Carpenter S H K Ghuzlan,S Shen. Fatigue Endurance Limit for Highway and airport Pavements J1Washington,D1C1：National Research Council,2003. 12李福普,沈金安.公路沥青路面施工技术规范实施手册M. 北京:人民交通出版社.2004 1