纵坡坡度对同步碎石防水粘结层桥面铺装影响的分析

童申家,高 健

(西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055)

1 概 述

同步碎石防水粘结层近年来在公路铺装上的应用越来越普遍,其优点在于同步碎石施工时的单机作业,实现了秒差铺筑,使沥青的温度损失大为减少,增加了石料的覆盖面积与浸润高度,二者牢固粘结[1],作为应力吸收层具有抗变形能力强和模量低的特点[2],使防水粘结质量大为提高。通过调查,发现桥面铺装在大纵坡情况下出现了早期车辙破坏和水损坏(坑槽)的现象普遍存在[3]。

本文通过对采用同步碎石防水粘结层的桥面铺装的有限元分析,研究了在桥面纵坡变化的情况下,铺装层各层间的剪应力、拉应力的分布规律。

2 工程概况

某三跨等截面连续箱梁桥,主梁采用分离式双箱结构。桥梁全长160 m,跨径组合及截面尺寸如图1所示。此桥在桥宽方向分为双向四车道,沥青混凝土桥面铺装采用6cmAC-20和4cmAC-13的结构组合。

3 计算模型

采用三维有限元方法建立计算模型。梁体与两层铺装采用八节点四面体实体单元(solid45)模拟;防水粘结层采用壳单元(shell63)[4]模拟。由《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-20)[5],采用的相应材料物理指标如表1所示。

图1 模型尺寸示意图(单位:cm)

表1 桥面板和铺装层各结构材料的主要指标

对所建模型采用如下假定:

(1)铺装层材料的线弹性假定:一般认为沥青混合料是一种典型的弹、粘、塑性综合体,在低温小变形范围内接近线弹性体。由于沥青混合料在低温和短暂荷载作用下符合线弹性,因此本文假定沥青混合料是均匀的、连续的、各项同性的线弹性材料。

(2)界面连续假定:所有层间完全连续。

(3)水泥混凝土材料特性的假定:混凝土材料是均匀的、连续的、各向同性的线弹性材料。

(4)不计重力的影响:沥青混凝土的施工都是在桥梁的主体结构完成之后铺筑。所建有限元模型如图2所示,网格划分采用映射网格划分。

图2 所建有限元模型

4 路面纵坡坡度对铺装层各层应力的影响

计算中采用桥规中规定的后轴车轮接地形式,轮胎接触压力取0.7 MPa。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,故计算中取 f=0.5[6]。车辆荷载平面尺寸如图3所示。

由于荷载关于桥中线对称,故加载时,在横桥向将荷载分别布置在左幅一、二车道,如图荷位一和荷位二所示,考虑车辆行驶时有超车现象,取荷位三在箱梁两腹板之间的中间位置。如图4所示。

图3 车辆荷载的平面尺寸(单位:cm)

图4 荷载横向分布图(单位:cm)

荷载在纵桥向的具体位置以后轴中心处距支座一的距离来标识,分别为 7 510 cm、7 930 cm、8 430 cm 、8 930 cm 、9 430 cm 、10 510 cm 、10 930 cm 、11 410 cm 、11 910 cm 、13 010 cm 、13430 cm 、14 610 cm 。 以这12个位置[7]布载和横桥向的三个荷位布载。

经计算比较各铺装层层间的最大剪应力,最大横向拉应力和最大纵向拉应力随荷位的变化发现其最大值分别发生在横桥向荷位三、纵桥向两后轴中心距支座一11 410 cm处;横桥向荷位一、纵桥向两后轴中心线在支座三处;横桥向荷位二、纵桥向边跨跨中处。

分别计算纵坡坡度在0、3%、4%、5%车辆在坡道行驶情况下,铺装层各层最大剪应力,最大纵向拉应力和最大横向拉应力在其最不利位置处的变化。结果如图5所示。图中位置1、位置2和位置3分别对应防水粘结层与上层铺装间、上层铺装与下层铺装间和上层铺装表面三个位置。

由图5可知:车辆上坡时铺装层层间的最大剪应力、最大横向拉应力和最大纵向拉应力都随坡度的增大而增大,但增加的幅度很微小。分析其原因除了与结构和材料参数有关外主要是车辆在坡道行驶时,其在垂直于坡道上的力Q1与在平坡道上的竖直力G相当,而在坡道切向上的力Q2则是车辆重力坡道切向的分力与摩擦力的迭加要大于平坡道上的水平力Gf,且坡度越大Q2越大。

即:

其中:θ为纵坡坡度;f为摩擦系数。

图5 车辆坡道行驶时纵坡坡度对铺装层各层应力最大值的影响规律

在纵坡坡度为5%时,防水粘结层与下层沥青铺装层间的最大剪应力达到655.17 Pa,最大纵向拉应力达到514.38 Pa,最大横向拉应力达到1 361.9 Pa;下层沥青铺装与上层沥青铺装间最大剪应力,最大纵向拉应力和最大横向拉应力分别达到4 762.3 Pa,9 810 Pa和19 402 Pa;上层沥青铺装表面三种应力的最大值则分别达到 19 619 Pa,50 447 Pa和27 568 Pa。可见,对于防水粘结层与下层沥青铺装之间和上层沥青铺装表面主要要控制横向受拉破坏,而上下层沥青铺装间主要控制纵向受拉破坏。

5 结 语

利用大型通用有限元软件对采用同步碎石防水粘结层的桥面铺装进行了相关力学计算分析,结果表明:

(1)荷载最不利位置的确定:层间最大剪应力最不利位置在横桥向荷位三、纵桥向两后轴中心距支座一11 410 cm处;层间最大纵向拉应力最不利位置在横桥向荷位一、纵桥向两后轴中心线在支座三处;层间最大横向拉应力最不利位置在横桥向荷位二、纵桥向边跨跨中处。

(2)对于同步碎石防水粘结层,铺装层各层间最大剪应力、最大纵向拉应力和最大横向拉应力分布与各层的回弹模量的大小成正相关,即回弹模量越大,各层层间的各项应力越大。

(3)在车辆坡路行驶路段,随着坡度的增加铺装层各项应力随之微小增加。

(4)计算得出最大坡度下各铺装层之间的每种应力最大值,对于防水粘结层与下层沥青铺装之间和上层沥青铺装表面主要要控制横向受拉破坏,而上下层沥青铺装间主要控制纵向受拉破坏。

[1]杨育生,李振霞,王选仓.桥面铺装同步碎石防水粘结层的路用性能[J].长安大学学报(自然科学版),2009,29(6):19-23,58.

[2]李兵,袁美俊.同步碎石应力吸收层合理模量及厚度的确定[J].中外公路,2010,30(3):318-322.

[3]张媛,邹桂莲.长大纵坡的沥青路面受力研究[J].科学技术与工程,2010,10(22):5581-5583.

[4]何亚斌,童申家,温娟.混凝土连续梁桥沥青铺装有限元分析[J].交通科技与经济,2009,11(4):39-41.

[5]JTG D50-2006.公路沥青路面设计规范[S].北京:人民交通出版社,2006:61-62.

[6]王涓.水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装防水粘结层的性能研究[D].南京:东南大学,2003:15.

[7]王伟广.桥面铺装层试验研究与受力分析[D].天津:河北工业大学,2006:30-31.