钢筋混凝土叠合梁桥面铺装力学分析

谢孟华

（邯郸市交通运输局公路勘察设计院，河北 邯郸 056004）

0 引言

在桥面板上直接铺装薄层沥青铺装层是桥梁建筑史上一项高难度的重要技术。目前，研究的重心一般集中在铺装材料以及铺装结构上。国外许多国家根据本国不同的自然环境与交通负荷，提出了相应的材料设计控制指标、材料配方和材料设计方法等详细的设计过程。在进行铺装层的结构设计时，对于铺装层结构的一些关键数据，如铺装层的厚度，一般从桥梁结构特性入手，分析桥梁和沥青铺装层在车辆荷载下的力学特性，揭示沥青铺装层的受力特性与荷载、温度、铺装层材料性质以及桥梁结构的特性（如横隔板的布置、加劲肋的结构参数、桥面板的厚度）等因素之间的对应关系[1]，从而为铺装层的结构设计提供理论依据。在满足桥梁设计的同时，对桥梁结构特别是钢箱梁结构作一些微调，使得铺装层处于更加有利的受力环境中，从而减少铺装层的破坏，使得大桥建设更加经济。本文结合我国某典型大桥铺装，采用有限元方法分析不同桥面铺装结构的受力特点。

1 工程概况

某大桥线路全长3km，宽31.5m，双向6车道。中间三跨为210m提篮式桥面，宽38.5m。据调查，该大桥主跨为3孔188m提篮式钢拱-结合梁组合体系，下部结构采用近V形薄壁墩。

该大桥结合梁主梁铺装拟采用以下三种结构：

（1）方案1：4.5cm SMA—13改性沥青混凝土+3.5cm浇注式沥青混凝土+桥面防水层；

（2）方案2：4cm环氧沥青混合料+4cm环氧沥青混合料+桥面防水层；

（3）方案3：4.5cm SMA—13改性沥青混凝土+3cm环氧沥青混合料+桥面防水层。

2 有限元模拟

2.1 建模的考虑因素

尽管用有限元方法来分析钢筋混凝土结构的基本原理与方法与一般固体力学中的有限元分析是相同的，但又有其特殊性，即合理的进行结构离散。因为钢筋混凝土结构由钢筋与混凝土两种不同的材料所组成，在建立钢筋混凝土结构有限元模型时，必须考虑材料的不均匀性和下列各因素的影响[2]：

（1）一般钢筋被包围在混凝土结构当中，相对体积较小；

（2）混凝土应力应变的非线性性能及在复合应力作用下的本构关系；

（3）由于混凝土受拉性能很差，开裂荷载较小，而且裂缝会连续不断的出现，此时局部位移与应力对整个结构的强度与位移会产生影响；

（4）随着荷载增加，混凝土与钢筋之间发生相对滑移，黏结力可能发生破坏；

（5）混凝土的收缩与徐变的影响等。

2.2 桥面铺装的力学模型

2.2.1 基本假设

为对水泥混凝土板、防水黏结层及沥青混合料铺装层的组合结构建立合理的力学模型，以分析层间的应力与应变分布，对直接加铺沥青层的铺装结构计算采用如下假定[3]：

（1）水泥混凝土板是均匀的、连续的、各向同性的弹性材料；

（2）在常温和低温状态下，沥青混合料同样是均匀的、连续的、各向同性的弹性材料；

（3）水泥混凝土板与沥青铺装层之间通过防水黏结层连接，层间接触状态为连续接触；

（4）忽略桥面负弯矩和桥梁震动对计算的影响。

2.2.2 计算模式

水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装结构计算模型既区别于柔性路面弹性层状体系，也不同于复合式路面的计算模型。但这种铺装结构仍可看作弹性层状体系。在此基础上，本项目采用路面力学分析软件分析铺装层应力状况。

为提高计算精度，在面层深度范围内，从路表开始，以每1cm为单位递增加密计算点（遇防水黏结层厚度较薄时灵活调整计算间距）；在道路横断面方向上，考虑到车辆荷载的扩散效应，即由路表往下，受力不利点逐渐由单圆荷载中心向轮隙中心偏移，因此，计算时在单圆荷载中心与轮隙中心之间加密4个计算点，如图1中Ci、Di、Fi、Hi、Ii以及Ji（i=1，2，3，…）。

图1 剪应力计算图示

具体加密后的点位坐标见表1。

表1 桥面横断面加密点位坐标说明

2.2.3 车辆荷载

车轮荷载采用标准轴载100kN，荷载半径10.65cm，双轮中心距15.975cm。

为真实反映车辆荷载的作用，特考虑水平荷载的作用，水平荷载系数取0.5[4]。

2.2.4 层间条件

目前对桥面铺装结构体系的常见处理方法主要是将沥青铺装层与水泥混凝土板间的接触条件假定为连续体系，防水黏结层作为独立的结构单元。因此，本分析中考虑层间完全连续。

2.3 计算参数

参考同类相关文献及相关规范，本分析中涉及的材料参数如表2所示。

表2 材料参数表

3 桥面铺装结构力学分析

3.1 层间最大剪应力

为更清楚地分析薄弱的防水黏结层对与其接触的上下结构层受力的影响，当不改变防水黏结层的模量，取值与原设计方案相同时，各方案的层间最大剪应力计算结果如表3所示。

表3 各方案层间最大剪应力对比

由表3可知，方案2与方案3的层间最大剪应力均较原有方案1有一定程度的减少。具体而言，方案2的层一与层二剪应力分别较方案1减少了5.2%及6.2%，而方案3的层二剪应力较方案1减少了0.8%。方案3由于铺装层厚度的减少，使层一剪应力略有增加，但增加幅度不大。尽管如此，由于叠合梁负弯矩区存在裂缝，且浇注式沥青混凝土的抗裂性能远不如环氧沥青混合料，因此，就梁体本身受力而言，方案1的结构整体抗裂性远不如方案3。

3.2 防水黏结层模量敏感性分析

为进一步分析铺装方案，对比选方案进行了防水黏结层模量对力学指标的敏感性分析，以求出最佳结构力学组合。取防水黏结层模量分别为60MPa、80MPa、100MPa、150MPa、200MPa、250MPa、300MPa、350MPa及400MPa，得出方案2与方案3的最大剪应力与防水层模量的关系曲线，见图2、图3。

图2 方案2最大剪应力与防水黏结层关系图

图3 方案3最大剪应力与防水黏结层模量关系图

由图2、图3可知：

（1）铺装层内最大剪应力随防水黏结层模量的变化而变化，但幅度较小。

（2）在计算区间内，层一与层二剪应力均随防水黏结层模量增大而增大，增长速度呈先快后慢的速度，即当防水层模量从60MPa增长为200MPa时，层间剪应力的增长速度较快；当防水层模量继续增大时，层间剪应力的变化曲线相对较为平缓，增长趋势明显减弱。

（3）为了保证桥面铺装结构具有较优的力学状态，推荐采用的防水黏结层模量为80～200MPa。

3.3 铺装层厚度敏感性分析

铺装层厚度是影响结构受力特性的重要因素。以方案3为基准，变换环氧沥青层厚度。取其厚度分别为2～9cm，以每1cm为间隔递增计算，得到方案3的最大剪应力与环氧沥青层厚度的关系曲线如图4所示。

图4 方案3最大剪应力与环氧沥青层厚度关系变化图

由图4可知，当环氧沥青层厚度由2cm提高至9cm时，铺装层内最大剪应力略有减小，但变化不大；层一与层二剪应力则随厚度增大而呈较大下降趋势，这也充分体现了铺装层在一定区间内的加厚对荷载的扩散起到不可忽视的作用。由于铺装层厚度直接关系到工程造价的增减，因此，需在力学分析基础上，充分考虑材料性能及其经济性，推荐采用的环氧沥青层合理厚度为3～5cm。

4 结论

（1）当采用方案2与方案3时，铺装层内最大剪应力、层间剪应力基本呈下降趋势。

（2）为了保证桥面铺装结构具有较优的力学状态，推荐采用的防水黏结层模量为80～200MPa。在同等条件下，优选模量较低的材料。

（3）当环氧沥青层厚度由2cm提高至9cm时，铺装层内最大剪应力略有减小，但变化不大；层一与层二剪应力则随厚度增大而呈明显的下降趋势。推荐采用的环氧沥青层合理厚度为3～5cm。

[1]Louay N Mohammad,M Abdur Raqib,Baoshan Huang.Influence of Asphalt Tack Coat Materials on Interface Shear Strength[J].Transportation Research Record∶Journal of the Transportation Research Board,2002(1789)∶56-62.

[2]李卫卫，潘正华，高荣誉.钢筋混凝土叠合梁短期挠度的数值模拟分析[J].安徽建筑工业学院学报，2012（6）：38-40.

[3]刘军，张哲，李文武.钢-混叠合梁有限元分析[J].山东交通学院学报，2009（3）：36-39.

[4]丁庆军，王发洲，黄绍龙，等.桥面铺装层材料设计[J].武汉理工大学学报，2002，24（4）：35-37.