空心板桥梁铺装层受力特性分析

戴 伟

(邵阳公路桥梁建设有限责任公司，湖南 邵阳 422300)

0 引言

桥面铺装层作为一种特殊的路面结构，起着承担路面功能和保护桥梁的作用，不但需要直接承受车轮的压力、冲击荷载以及在汽车和气候环境反复作用下的磨耗、风化，为行车提供舒适、安全的路面，而且需要分散荷载，参与桥面板的受力，担负着传导行车荷载、保护桥梁主体的作用。在环境因素和行车荷载的复合作用下，其受力机理较公路路面及机场道面复杂得多，容易发生各种形态破坏，因此，为了保证其满足正常使用功能必须弄清其受力机理及影响因素，增强桥面铺装层的强度、抗裂、抗冲击、耐磨等性能。

目前，国内外针对桥梁铺装层受力特性展开不同程度的研究。美国加州大学 Seible F.［1］和Latham C.T.教授［2］认为水泥混凝土铺装层的破坏主要发生在桥面板和铺装层的接触层，其破坏原因为两者发生了剥离现象。巴西J.G.S.Da Silva 教授［3］对高速公路不规则桥面的动态性能进行了研究，研究表明车辆重载、超速对铺装层及整个桥梁结构影响严重。美国Jung Heum Ye 和Seongcheol Choi教授［4］将桥面板、铺装层作为受力整体，并建立三维有限元分析模型，对铺装层内受力变形特点进行研究，提出桥面铺装层破坏指标。王虎等［5］人利用梁体结构的线弹性理论，对活载作用下水泥混凝土桥水泥混凝土桥面铺装层内的弯曲正应力进行了分析。罗立峰等［6～9］应用结构的线弹性理论，对铺装层的受力状况进行了简化，并根据实际状况出了若干假定，提出水泥混凝土桥面铺装的设计方法。

基于上述学者的研究理论和方法，本文采用三维有限元方法，在桥梁实际结构尺寸的基础上，建立混凝土桥梁整体模型，保留桥梁的力学特征，研究了桥面铺装体系的力学特性和应力分布变化规律，为桥面铺装层体系设计和施工提供理论依据，达到改善铺装层受力和延长铺装层使用寿命的目的。

1 有限元分析模型

1.1 工程概况

计算分析对象为跨径l=20 m 的装配式简支空心板桥铺装层，其边板、中板截面尺寸以及横断面布置分别如图1、图2所示，铺装层采用水泥混凝土。

1.2 基本假定

图1 边板、中板截面尺寸(单位:cm)

桥面铺装是一个复杂的受力体系，荷载和温度应力、桥梁主体的弯曲和扭曲都会对层间变形和受力产生明显的影响，所以建立合理的桥面铺装体系力学模型显得十分重要。本文在对桥面铺装层进行力学分析研究时，对模型和材料的特性作了如下基本假定:

图2 空心板桥断面布置示意图(单位:cm)

1)进行静力分析时桥梁主体、防水层和铺装层均处于无裂缝工作状态;

2)在车辆荷载作用下，认为混凝土铺装层是连续、均匀以及各向同性的;

3)所有材料线满足弹性假定;

4)铺装层、防水层和桥梁主体一起承受车辆荷载作用;

5)不考虑混凝土桥梁和铺装层的重力作用;

6)忽略桥梁振动作用对计算结果的影响。

1.3 结构建模

采用ANSYS 单元库中实体单元Solid45 模拟混凝土，该单元通过8 个节点来形成六面体单元，每个节点有3 个沿着X、Y、Z 方向平移的自由度，单元具有塑性、蠕变、应力强化、大应变等能力。模型中采用六面体映射划分网格，网格尺寸控制在0.2 m，桥体支座简支约束。

根据分析的需要，考虑铺装层厚度、铺装层弹性模量、水平荷载和超载对桥梁铺装层应力分布的影响规律，本文建立了铺装层厚度为5、10、15 cm，弹性模量为27、33、39 GPa，水平荷载动摩擦系数为0、0.3、0.5、0.7、1，超载系数为 0%、50%、100% 共 51个模型(如图3)。

图3 空心板桥空间实体有限元模型

1.4 计算荷载

本文主要研究桥面铺装层在汽车荷载作用下的应力应变状态，依据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)，采用车辆荷载进行加载，车辆荷载的立面尺寸如图4所示，将轮胎的接地面积由圆形面积转换为(0.2 ×0.6)m2的矩形面积，保持两轮中心的间距为1.8 m，汽车－超20 后轴轴重为140 kN，轮胎接地压强换算为0.707 MPa，汽车荷载的主要技术指标如表1。力学计算中，仅考虑一辆汽车水平荷载和垂直荷载，水平荷载由垂直荷载乘以车轮与路面间的动摩擦系数得到，其加载位置为1#板跨中。

图4 车辆荷载的立面尺寸

表1 车辆荷载技术指标

2 铺装层受力特性分析

2.1 计算结果

本文将运用三维有限元计算，分析混凝土铺装层内的最大拉应力、最大剪应力，考虑铺装层参数(铺装层厚度、铺装层弹性模量)的变化、行车荷载等因素对受力的影响。

2.1.1 铺装层参数

铺装层参数(厚度和弹性模量)的变化对铺装层受力有重大影响，在桥面铺装设计时，铺装层的厚度作为重要指标，直接影响着铺装层抗垂直荷载和水平剪切的能力。其弹性模量随着温度和荷载的变化发生改变，变化区间从几百兆帕发展至几千兆帕，对铺装层强度影响深远。

表2给出空心板桥无超载、无水平荷载情况下铺装层最大应力随其厚度和弹性模量的变化规律。

表2 混凝土铺装层应力随厚度、弹性模量变化值

从表2中可以发现，由于车辆荷载为偏载，铺装层的最大横向拉应力普遍高于最大纵向拉应力，随着铺装层厚度的增大，其内部应力均呈现不同的降低。图5给出在跨中偏载作用下，铺装层内各应力随其厚度的变化规律。

图5 铺装层应力随厚度变化图

观察图5，可以发现纵桥向最大拉应力和最大剪应力随铺装层厚度的变化效果均较为明显，说明随着铺装层厚度增大对其抗垂直荷载和水平剪切能力增强作用显著。图6给出不同弹性模量的铺装层纵向最大拉应力随其厚度的变化规律。

图6 不同弹性模量铺装层应力随厚度变化图

结合表2和图6中可明显看出，随着铺装层弹性模量的增大，铺装层内的最大拉应力和最大剪应力均呈现增大趋势，铺装层厚度为5 cm 时，弹性模量为39 GPa 较27 GPa 最大纵桥向拉应力增大20.2%，最大横桥向拉应力增大22.9%，剪应力减小26.3%。由此可见铺装层弹性模量对其内部应力分布影响巨大。分析图6，可以发现，在相同的铺装层厚度变化范围内，5～10 cm 段较 10～15 cm 段应力下降更为快速，因此5～10 cm 范围内增加铺装层厚度，控制其内部应力效果更好。

2.1.2 行车荷载

行车荷载包含车辆超载和水平荷载，随着国民经济的不断增强，车辆车载也与日俱增，超载现在日趋严重，超载现象一般分两种情况，一种是通过改变轮胎的接地面积，另一种改变胎压而不变接地面积。由于采用改变胎压的方式模拟超载偏保守，因此本节只改变胎压而不改变车胎接地面积，以超载系数为0～100%，每隔50%进行一次计算。同时车辆荷载作用在路面上的时候，会与路面接触面上会产生水平荷载，其水平荷载为垂直荷载乘动摩擦系数f，为了研究水平荷载对桥面铺装层的影响，计算中选取水平力系数分别为 0、0.3、0.5、0.7、1。

观察表3，随着超载系数的增大，不同弹性模量铺装层的应力均呈线性增长趋势，可见超载对铺装层应力增长影响很大，图7为不同超载系数下铺装层横桥向最大拉应力随弹性模量的变化规律。

表3 不同弹性模量铺装层应力随超载系数变化值

图7 不同超载系数下铺装层应力随弹性模量变化图

图7反映无论是否超载，铺装层中的应力都随弹性模量的增大而增大，且随着超载系数的增大，铺装层中应力对弹性模量变化的敏感性越来越强，增加的幅度不断增大。

由表4可知，随着动摩擦系数的增大，纵桥向最大拉应力和最大剪应力逐渐增大，其中以剪应力增大最为明显，横桥向最大拉应力基本无变化。

从图8可以看出，随着动摩擦系数的增大，纵桥向最大拉应力随铺装层弹性模量变化的越来越不明显，当动摩擦系数达0.7 后，基本没有变化，可见当行车荷载超过一定限度，铺装层弹性模量对应力的影响不再明显。

表4 混凝土铺装层应力随水平荷载变化值

图8 不同水平荷载下铺装层应力随弹性模量变化图

3 结论

1)铺装层内应力随着铺装层厚度的增大而减小，随着铺装层弹性模量的增大而增大;5～10 cm范围内增加铺装层厚度，控制其内部应力效果最好。

2)在弹性范围内，铺装层内应力随超载系数的增大呈线性增长趋势;随着动摩擦系数的增大，剪应力增大最为明显，动摩擦系数为1 较0 时剪应力增大接近270%，横桥向和纵桥向最大拉应力基本无变化。

3)随着超载系数的增大，铺装层中应力对弹性模量变化的敏感性增强;随着动摩擦系数的增大，铺装层内应力随弹性模量变化越来越不明显。

［1］Seible F，Latham C T.Analysis and design models for structural concrete bridge deck overlays［J］.Journal of Structural Engineering，1990，116(10):2711 －2727.

［2］Seible F，Latham C T.Horizontal load transfer in structural concrete bridge deck overlays［J］.Journal of Structural Engineering，1990，116(10):2691 －2710.

［3］Da Silva J G S.Dynamical performance of highway bridge decks with irregular pavement surface［J］.Computers ＆ structures，2004，82(11):871 －881.

［4］Yeon J H，Choi S，Won M C.Evaluation of zero－stress temperature prediction model for Portland cement concrete pavements［J］.Construction and Building Materials，2013，40:492 －500.

［5］王 虎，胡长顺.简支梁桥梁端处桥面连续铺装层结构计算分析［J］.西安公路交通大学学报，2000，20(4):1 －3.

［6］罗立峰，钟 鸣，黄成造.桥面铺装设计方法探讨［J］.中南公路工程，1999，24(2):20 －22.

［7］罗立峰，钟 鸣，黄成造.水泥混凝土桥面铺装设计方法的研究［J］.华南理工大学学报，2002，30(3):61 －65.

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［9］罗立峰，钟 鸣，黄成造.混凝土桥面铺装概述［J］.国外公路，1999，19(3):23 －26.