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 8mm ,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