水泥混凝土桥桥面铺装层受力特性分析

亚坤江·吐拉买提

(新疆西域公路工程有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

调查表明，很多桥梁在建成使用后不久即出现各种各样的损坏，其中桥面铺装层的破损尤为严重，桥面铺装层的破损不仅影响了桥梁的使用性能，而且影响了行车的安全性和舒适性［1］。与普通路面相比，桥面铺装的受力特点和受力条件有较大的区别，受力情况更加复杂。加之我国重载超载现象的普遍性，造成桥梁实际负载量增大，长期的超规范汽车动荷载作用急剧加大结构损伤状况，影响结构完整性和承载力，造成桥梁使用性能降低进而增大桥梁的动力冲击系数，长期超载必然引起桥梁疲劳破坏或者严重降低桥梁的使用年限，同时给桥梁的安全性造成了重大的威胁［2］。为了能够有效地进行桥面铺装设计和施工，必须研究桥面铺装层的受力状态［3－5］。通过建立三维有限元模型中假定桥梁的梁体和铺装层都处于无裂缝工作状态且在进行层间接触分析时接触层间摩擦滑动。在计算的过程中，首先建立长度为3 m，宽度为路面结构层的厚度，对横截面进行较细的密度划分，然后对划分完的横截面单元采用SOLID45 实体单元将横截面延伸成体，形成路面三维结构，单元采用六面体八节点等参单元，从而运用ANSYS 三维有限元软件进行计算。

因此，本文通过三维有限元的计算，从水泥混凝土的铺装层厚度、混凝土的弹性模量和行车荷载等三个方面考虑，计算分析水泥混凝土桥混凝土铺装层的最大剪应力。

1 铺装层厚度和模量

桥面铺装层本身的几何参数和物理参数不同，铺装层的受力状态不同。ANSYS 以其强大的功能和操作的方便性，近年来已被越来越多地应用于计算桥面铺装。现采用ANSYS 分别计算铺装层厚度和弹性模量对铺装层受力的影响。

1.1 铺装层厚度对铺装层受力的影响

分别计算铺装层厚度为4、6、8、12 和16 cm时铺装层的受力，计算可得第一主应力σ1、横向正应力σx和纵向正应力σz、水泥混凝土铺装层与防水粘结层间横桥向剪应力τxy、水泥混凝土铺装层与防水粘结层间纵桥向剪应力τyz的受力情况如表1，其中水泥混凝土层应力随厚度的变化如图1。

表1 水泥混凝土桥面板层应力随厚度变化的值

由图1可知，随着铺装层后的的增大，水泥混凝土铺装层内的第一主应力、横向正应力和纵向正应力都逐渐减小，但横向正应力和纵向正应力的减小趋势小于第一主应力的减小趋势，表明增大铺装厚度对减小水泥混凝土面板内的主应力有利，但对正应力的影响不显著。增大铺装厚度，使水泥混凝土铺装层内的横向剪应力和纵向剪应力都出现不同程度的降低，其中纵向剪应力的降低幅度大于横向剪应力的降低幅度，表明增大混凝土铺装层厚度对降低横向剪应力效果不明显。

1.2 铺装层模量对铺装层受力的影响

控制其他条件不变，计算不同铺装层模量时水泥混凝土铺装层的正应力及层间剪应力，研究铺装层模量对铺装层受力状态的影响，结果见表2和图2。

表2 水泥层应力随模量变化的值 MPa

从表2和图2可知，随着模量的增大，水泥层各应力的值基本上没有什么变化。这是因为，水泥混凝土是典型的刚性材料，沥青混凝土是典型的黏弹塑性材料，与沥青混合料相比，水泥混凝土有很大的模量，因此改变铺装层的模量对水泥混凝土铺装层的受力影响较小。

2 荷载对铺装层受力的影响

2.1 超载对铺装层受力的影响

假设荷载面积一定，在相同模量下计算不同超载比例时铺装层的受力状态，其中超载比例是通过改变竖直压力来模拟的，计算时取水平力系数为f=0.5。计算结果见表3和图3。

表3 水泥层应力随超载变化的值

图3 水泥层应力随超载变化图

从表3和图3可知，水泥层各应力随着超载比例的增大有一定的增加，σ1增加最为明显，与其他各应力相比，τxy的增加幅度较小。

2.2 水平作用对铺装层受力的影响

铺装层的受力不仅与竖直荷载有关，而且也受水平荷载的影响，水平荷载与汽车的行驶速度、汽车轮胎的纹理样式和桥面的粗糙程度等因素有关。水平荷载是用竖直荷载乘以一个摩阻系数f 来表示的，间接通过f 对铺装层受力的影响来研究水平荷载对受力的影响，结果如表4和图4。

表4 水平力对水泥混凝土层应力的影响表

图4 水泥混凝土铺装层应力随水平荷载的变化图

由表4以及图4分析可得:增大摩阻系数f 对铺装层内各应力的影响不大，由此表明水平荷载对水泥混凝土铺装层的影响不显著。

3 结束语

1)随着水泥混凝土铺装层厚度的增大，水泥混凝土铺装层内的第一主应力、横向正应力和纵向正应力都出现不断减小的趋势，其中第一主应力的减小幅度大于横向正应力和纵向正应力。可见，增大水泥混凝土铺装层的厚度对桥面板内的第一主应力有利，对水泥混凝土铺装层内的正应力影响较小。

2)随着车辆超载比例的增大，铺装层内各应力大幅增大，可能造成水泥混凝土所受的拉应力过大而造成铺装层的破坏。

3)增大摩阻系数f，铺装层内各应力几乎没有改变，水平荷载对水泥混凝土铺装层的影响不大。

［1］于 颖.水凝混凝土桥面铺装受力机理分析［D］.重庆:重庆交通大学，2008.

［2］张占军，曹东伟，胡长顺.水泥混凝土桥面沥青铺装层厚度的研究［J］.西安公路交通大学学报，2000，20:18 －22.

［3］张占军.水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装结构研究［D］.西安:长安大学，2000.

［4］温靖赟.混凝土桥面铺装试验研究与破坏分析［D］.天津:河北工业大学，2003.

［5］徐永丽，程培峰，孙志明.水泥混凝土桥面铺装层最不利荷载位置的确定［J］.森林工程，2013，29(2):93 －95.