铺装层厚度对桥面铺装层受力的影响分析

摘要：以连续刚构桥箱梁桥面板上局部实体模型为分析对象，通过对桥面铺装垫层有无施工缝缺陷及桥面铺装垫层与主梁桥面板之间有无界面粘结缺陷等情况的三维有限元模型的计算，分析了桥面铺装层的受力特性和界面连接状况对层间剪应力及拉应力分布的影响，为铺装层设计和施工提供参考。

关键词：桥面铺装；铺装层；铺装层厚度；ansys

中图分类号：TU997 文献标识码： A

1引言

伴随着改革开放以来，我国经济的快速发展，交通网络的迅速的发展，公路桥梁也相应的建设得如火如荼。但是随着路网的完善，我们需要的不仅仅是足够数量的公路与桥梁来建成路网，更需要有质量保证的路网。桥面铺装在以往的桥梁设计中，作为桥面保护层一般不作受力计算，只是作为构造层来参考。但是，桥面铺装层是桥面系车轮荷载直接接触及承受车道荷载部分，它在承受着梁体变形的作用同时，还同时受到自然环境影响。而主梁及桥面板结构型式也影响着主体变形和应力特征。因此在设计年限以内，应当具备以下几个方面的功能：

1）应当保证提供完好的表面，以便于表面施工；

2）应当具有良好的平整性，以减少跳车现象，达到保证行车舒适的目的；

3）应当作为桥面板的防水层，保证桥梁梁体不受雨水侵蚀的影响；

4）应当保证与桥梁桥面板的粘结处于良好的状态，进而可以有效地传递并分散荷载，最终达到降低桥梁铺装层与桥梁桥面板之间的疲劳应力的目标。

2工程概况

作为重庆至贵州的重要交通要道渝黔高速綦江段，綦江大桥担负着两地物质运输往来的重要作用，该桥桥梁结构形式为三向预应力双薄臂墩连续刚构，桥梁跨径布置为75m+130m+75m，全长为280m，采用双幅分离式施工，双幅桥面净宽24.5m，单幅桥面板净宽11.25m。桥面铺装层设计为5cmC40混凝土垫层+5cm沥青混凝土面层。

根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）对桥面铺装层的规定的11.1.1条，水泥混凝土桥面采用沥青面层铺装层时，桥面板应满足以下技术要求：

1）混凝土桥面板应平整粗糙，干燥整洁，不得有浮浆、尘土、水迹、杂物或油污等。对高速公路、一级公路的桥面宜进行打毛处理。特大桥、重要大桥桥面宜进行表面喷砂处理。

2）当钢筋混凝土桥面板需要设置调平层时，混凝土调平层厚度不宜小于80mm，且应按要求设置钢筋网；纤维混凝土调平层厚度不易小于60mm；且调平层混凝土强度等级应与梁体一致，并应与桥面板结合紧密。当调平层较薄时，可用沥青混合料或通过加厚下面层进行调平。

本桥桥面铺装垫层设计厚度为5cm ，材料为C40混凝，铺装面层为5cm沥青混凝土。从设计来看桥面铺装垫层偏薄，且不满足现行《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）要求，针对此情况进行建模计算，分别计算了5cm C40混凝垫层+5cm沥青混凝面层、8cm C40混凝垫层+8cm沥青混凝面层以及10cm C40混凝垫层+10cm沥青混凝面层三种组合情况下的分别在标准车辆荷载条件下，桥面铺装层材料的受力情况。同样考虑了水平摩擦力对铺装材料的影响，摩擦力系数仍取0.8计算。

3桥梁有限元模型的建立

建立三维实力结构模型，来模拟空间受力。但是由于桥面铺装层结构比较单薄，由于此处仅考虑单辆车作用于不同厚度的桥面铺装处，重点分析不同厚度铺装层的应力情况。为简化计算，建立有限元模型时取局部长方体实体结构，将实体结构下边界固定约束，用以模拟桥面板下部边界约束情况，此方式虽与桥梁实际结构不符，但经箱梁顶板变形的实测数据分析，重车作用时箱梁顶板的变形几乎不到0.1mm，变形甚微。因此此种模拟方式对分析铺装层在缺陷位置附近的应力影响不大[3]，有限元模型如图1所示。

图1有限元模型

Fig.1Finite element model

在此模型中，桥面铺装与桥面板之间的连接状况采用结点耦合的方法进行模拟：将接触层处所有结点在X，Y，Z方向全部耦合，来模拟铺装层和桥面板粘结状况良好，两者共同受力并保持变形协调

荷载工况：主要考虑三种荷载⑴竖向压力，为保持轮压与《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2006）规定的胎压一致，本研究各轮胎的接地压强均取为0.707Mpa（相当于重车的后轴170KN）[4]；车轮接地面积均按规范取0.2m×0.6m[5]。

经计算，铺装层材料在不同铺装层厚度的应力值结果如图下表

各级砼垫层厚度铺装层最大应力（MPa）

当铺装层与桥面板结合良好时，铺装材料内部应力的分布随着铺装垫层的厚度的增加应力值有所下降。

4结论

在车辆超载的情况越来越严重的情况下，桥面铺装层体系的各项应力值均增大，容易使铺装层发生开裂破坏和剪切破坏，严重的影响了行车的舒适性，为交通安全埋下隐患，因此，应有效控制车辆的超载，延长桥面铺装结构的使用寿命。在设置混凝土铺装垫层的桥面铺装层中，混凝土垫层的厚度选择也直接影响到整个铺装层的应力分布，铺装垫层厚度更不宜过薄，考虑经济性与适应性指标，混凝土调平垫层厚度不宜小于80mm。

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作者简介：刘维(1987–)，男，重庆长人，硕士研究生，主要从事桥梁与隧道工程方面的研究。