中小跨径梁桥沥青混凝土铺装层最小厚度研究

王亚玲，王彦志，郝凯荣，蒋兴法

（1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.赤承高速公路建设项目管理办公室，内蒙古 赤峰 024000；3.内蒙古交通设计研究院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010000）

桥面铺装是桥梁行车道系的重要组成部分，它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、耐久性和投资效益。针对内蒙古地区严寒多变的气候特征，建立适宜温度场导入的有限元实体模型，通过计算与分析铺装体系参数，即铺装层模量和厚度变化对铺装层受力的影响，以及防水粘结层模量和厚度的变化对铺装层受力的影响，确定沥青混凝土桥面铺装层的层间工作状态，提出中小跨径梁桥沥青混凝土铺装层最小厚度，为实体工程提供理论依据。

1 有限元模型的建立

1.1 模型选择

由于水泥混凝土桥面板的刚度巨大，可对沥青铺装层形成强有力的支撑面，因此车辆荷载作用位置以及桥梁结构形式的变化，对铺装层内部的应力影响很小。也就是说，这两者所造成的差异基本可以忽略，中小跨径水泥混凝土桥梁沥青铺装层完全可以视为铺筑于刚性支撑之上[1]。因此，计算分析采用基于实际中小跨径梁桥的统一的空间实体模型，对于铺装层采用20节点的实体单元SOLID95模拟；桥梁上部结构采用8节点实体单元SOLID45模拟（见图1）。边界条件为：底面上没有z方向位移，左右两面没有x方向位移，前后两侧没有y方向的位移。层间连续接触时采用耦合处理（上下对应节点位移一致）。

1.2 基本参数

图1 有限元计算模型

根据依托工程的实际情况及《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）[2]车辆荷载采用标准车型BZZ—100，轴重100kN，轮压为0.7MPa，双轮间距28.9cm。按面积等效的原则将双轮荷载转换为18.9cm×18.9cm的正方形，接触面积为357.21cm2，保持两轮中心间距1.8m不变，荷载分布在跨中的最不利位置。摩擦系数f取0.5[3]。

表1 材料基本参数

表2 结构尺寸及荷载基本参数

1.3 温度场的计算

内蒙古地区属半干旱季风气候区，极端最高气温为42.5℃，月平均最高气温为31.8℃，极端最低气温为－31.4℃，月平均最低气温为－20.9℃。全年气温差距较大，温度对桥面铺装层有着不可忽略的影响。因此需要将温度对铺装结构层的影响加入到结构应力计算中。

将项目所在地区的温度状况编辑成函数导入至原计算模型中[4]，计算模型在5年内的温度变化状况，直至温度场达到稳定，提取稳定的温度场导入原结构计算模型进行计算[5]（如图2所示）。

图2 温度场计算模型

2 沥青混凝土铺装层厚度对铺装层层间受力的影响

在分析铺装层厚度对层间应力影响时，分别按铺装上层和铺装下层厚度各自独立变化进行。其中，在进行铺装上层变化影响分析时，固定铺装下层厚度为5cm，铺装上层的变化范围取2～7cm；同理，在进行铺装下层变化影响分析时，固定铺装上层厚度为4cm，铺装下层的变化范围取3～8cm。

2.1 沥青混凝土铺装层上面层厚度对铺装层受力的影响

铺装层上面层不同厚度的法向拉拔力、层间最大剪应力计算结果变化曲线如图3～图4所示。

图3 拉拔力随上面层厚度变化图

图4 剪应力随上面层厚度变化图

由图3和图4可知，铺装层各层间拉拔力、剪应力随着上面层厚度的增加均有明显的下降趋势，2～4cm下降过程更为明显，适当增加上面层厚度对改善铺装层的结构应力状态有良好的作用。

2.2 沥青混凝土铺装层下面层厚度对铺装层受力的影响

铺装层上面层不同厚度的层间最大剪应力、法向拉拔力计算结果变化曲线如图5～图6所示。

图5 拉拔力随下面层厚度变化图

图6 剪应力随下面层厚度变化图

由图5和图6可知，铺装层各层间拉拔力、剪应力随着下面层厚度的增加均有明显的下降趋势，3～6cm下降过程更为明显，适当增加下面层厚度对改善铺装层的结构应力状态有积极的作用。

2.3 沥青混凝土铺装层最佳厚度比的确定

由上述结论可知，随着铺装层厚度的增加，铺装层的结构受力状况可以得到改善，但由于经济、施工等多方面的原因不可无限制地增加铺装层的厚度来改善桥梁铺装层的受力状况。因此，现取7种沥青混凝土铺装层上、下面层不同的厚度比来确定沥青混凝土铺装层上下面层的最佳厚度比。厚度比如表3所示，计算结果变化曲线如图7～图8所示。

表3 沥青混凝土铺装层上、下面层厚度比

图7 不同厚度比时拉拔应力比较图

图8 不同厚度比时剪应力比较图

由图7和图8可以看出厚度比代号1～7所对应的铺装层各层间的拉拔应力和剪应力都大致呈先减小后增大的趋势，其中代号3、4、5所对应的铺装层各层间应力均有较小值。这表明：当厚度比对应代号为3、4、5，即铺装上、下层厚度比分别取4／6、5／5、4／5时，铺装层的各项控制指标可取得较小值，使铺装层结构具有良好的受力状态。

综合以上分析，兼顾到铺装各层的受力特性、应力分布规律，为了能获得较好的结构性能，又能达到减轻桥梁自重的目的，确定沥青混凝土铺装层上、下面层合理的厚度比可取4／5，即沥青混凝土铺装层合理的最小厚度宜为9cm。

3 沥青混凝土铺装层模量对铺装层受力的影响

为分析铺装层模量对层间受力的影响，分别按铺装上层和铺装下层模量各自独立变化进行。其中，在进行铺装上层模量变化影响分析时，固定铺装下层模量为1600MPa，铺装上层的模量分别取1200MPa，1400MPa，1600MPa，1800MPa，2000MPa；同理，在进行铺装下层模量变化影响分析时，固定铺装上层模量为1600MPa，铺装下层的模量分别取1200MPa，1400MPa，1600MPa，1800MPa，2000MPa。

3.1 铺装层上面层模量对铺装层受力的影响

沥青铺装层上面层厚度取为4cm，下面层为5cm，其他条件如前。有限元理论计算结果如图9、图10所示。

图9 拉拔力随上面层模量变化图

图10 剪应力随上面层模量变化图

由图9～图10可以看出，铺装层各层间拉拔力随着上面层模量的增加呈现轻微的增长趋势，增长幅度均不超过7%。上、下面层层间剪应力τxyC、τyzC随着上面层模量的增加呈增长趋势，增长幅度为8.8%，7.9%；而τxyU、τyzU以及τxyD、τyzD随着上面层模量的增加呈减小趋势，减小幅度为均不超过4%，变化幅度不是特别明显。

3.2 铺装层下面层模量对铺装层受力的影响

同样沥青铺装层上面层厚度取为4cm，下面层为5cm，其他的条件如前。有限元理论分析计算结果见图11～图12。

图11 拉拔力随下面层模量变化图

图12 剪应力随下面层模量变化图

3.3 沥青混凝土铺装层最佳模量组合的确定

由上述结论可知，沥青混凝土铺装层的模量变化对铺装层各层间拉拔力影响不大，但是对层间剪应力的影响有些是不可忽略的，通过考虑各层间的受力平衡可将沥青混凝土铺装层上、下面层的模量取值范围进一步缩小1400 ～1800MPa，可得到9种沥青混凝土铺装层上、下面层的模量比如表4所示，计算结果变化曲线如图13～图14所示。

表4 沥青混凝土铺装层上、下面层模量比

图13 不同模量比时的拉拔应力

图14 不同模量比时剪应力比较

由图13和图14可以看出，模量比代号1～9所对应的铺装层各层间的拉拔应力大致呈一种先增大后减小的趋势，而模量比代号1～9对应的铺装层各层间的剪应力则呈现一种先减小后增大的趋势，综合考虑到拉拔应力和剪应力的影响规律可知其中代号3、4、7所对应的铺装层各层间应力均为较小值。这表明，当模量比对应代号为3、4、7，即铺装上、下层模量比分别取1400／1800、1600／1800、1600／1600时，铺装层的各项控制指标取得较小值，铺装层结构具有良好的受力状态。

4 防水粘结层参数对层间应力的影响

水的渗入是导致混凝土桥梁结构破坏的最直接和最主要的原因之一。对于桥面铺装层间结构，层间除了设计完善的排水体系外，也要重视防水层的作用。此外，现在混凝土桥梁建设时为方便施工，一般将防水层和粘结层相结合，防水层兼有粘结作用，使桥面板和沥青混凝土协同工作。因此，层间防水粘结层对桥面板和铺装层间加铺柔性防水层能有效阻挡水分进入桥梁主体，同时还起着粘结上下层的作用，所以防水层在整个桥面系统中有着举足轻重的作用[6]。

4.1 防水粘结层厚度变化对铺装结构层间应力的影响

选取防水粘结层厚度分别为3～7mm进行计算分析，结果见图15～图16。

图15 层间拉拔应力随防水层厚度变化图

图16 层间剪应力随防水层厚度变化图

4.2 防水粘结层模量变化对铺装结构层间应力的影响

选取防水粘结层模量分别为50MPa，100MPa，150MPa，200MPa，250MPa进行计算分析，结果如图17～图18所示。

图17 层间拉拔应力随防水层模量变化图

图18 层间剪应力随防水层模量变化图

由图17～图18可知，铺装层各层间的拉拔力随防水层模量的增加变化幅度不大，均不超过10%。上、下面层剪应力τxyC、τyzC随着防水粘结层模量的增加呈减小趋势，减小幅度为31.1%、32.2%；而τxyU、τyzU以及τxyD、τyzD则呈明显增大趋势，增长幅度均大于50%，变化非常的明显。因此在选择防水粘结层模量时需要慎重的选择，根据防水粘结层模量对铺装层层间应力的影响规律防水粘结层的模量可取100～200MPa。

5 结论

5.1 运用有限元分析软件ANSYS对桥面铺装层厚度变化的应力计算，以及最佳厚度比的计算分析可得上、下层厚度比取4／6、5／5、4／5时，铺装层结构的受力状态较好。为了能获得较好的结构性能，又能达到减轻桥梁自重的目的及实践经验，确定沥青混凝土铺装层上、下面层的厚度比为4／5，沥青混凝土铺装层合理最小厚度为9cm。

5.2 通过沥青混凝土铺装层模量对铺装层层间受力的计算分析以及最佳模量比的确定，可得模量比对应代号为3、4、5即铺装上下层模量比分别取1400／1800、1600／1800、1600／1600时，铺装层的各项控制指标取得较小值，铺装层结构具有良好的受力状态。

5.3 通过对防水粘结层参数对层间应力的计算分析，可得防水粘结层厚度对铺装层层间应力的影响规律从而确定防水粘结层的厚度可取5mm。以及防水粘结层厚度对铺装层层间应力的影响规律可得防水粘结层的模量取100～200MPa。

[1]陈太泉.水泥混凝土桥沥青铺装层力学分析与设计[D].武汉：武汉理工大学，2007.

[2]JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[3]张占军，胡长顺.水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装结构设计方法研究[J].中国公路学报，2001，（1）：56-59.

[4]王建江，胡仁喜，刘英林.ANSYS11.0结构域热力学有限元分析实力指导教程[M].北京：机械工业出版社，2008.

[5]艾长发，邱延峻，毛成.不同沥青混凝土路面结构的大温差温度行为分析[J].公路，2008，（4）：14-19.

[6]张益.沥青混凝土桥面铺装防水性能研究[D].西安：长安大学，2008.