沥青填入式伸缩缝铺装界面的力学行为特性*

肖敏敏

(1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室， 上海 201804； 2.上海应用技术大学 上海 201418)



沥青填入式伸缩缝铺装界面的力学行为特性*

肖敏敏1,2

(1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室， 上海 201804； 2.上海应用技术大学 上海 201418)

沥青填入式伸缩缝铺装中，界面是整个伸缩缝结构的最薄弱环节.鉴于此，文中选取公路-Ⅰ级荷载的最大轴重140kN作为计算荷载，在确定伸缩缝各组成部分材料参数的基础上，建立了沥青填入式伸缩缝铺装ANSYS有限元模型.通过计算4种不同荷位下的界面指标，并提取界面控制指标，进而分析伸缩缝材料模量、界面摩擦系数、界面高度差、水平力、轮胎接触压力等对界面控制指标的影响.结果表明：界面控制指标为界面拉应力、界面剪应力、界面竖向位移；水平力、轮胎接触压力对界面拉应力及界面剪应力的影响较大，模量比、水平力、轮胎接触压力对界面竖向位移的影响较大；选择模量较大的伸缩缝混合料、界面进行粗糙化处理、采用较小的界面高度差、防止车辆在伸缩缝上紧急启动或刹车、防止车辆超载等措施有利于缓解界面损害.

道路工程；沥青填入式伸缩缝；界面控制指标；受力；变形

沥青填入式伸缩缝是近年发展起来的一种桥梁伸缩装置，其基本做法是将梁板接缝上面一窄条范围的桥面铺装层替换为一种特殊的改性沥青混合料，依靠混合料的弹塑性适应桥梁的位移和变形[1].该伸缩缝以施工快捷、平整度好、防水性能好等优点被广泛运用于中小跨径桥梁上.

从国内外的沥青填入式伸缩缝使用性能调研结果可知，伸缩缝结构出现了一系列损坏现象[2- 3]，其中“界面裂缝”位列各病害之首.其指的是伸缩缝铺装与桥面铺装的界面发生脱开的现象.界面是整个伸缩缝结构的最薄弱环节，然而，迄今为止国内外关于沥青填入式伸缩缝的界面研究尚属空白.

有鉴于此，文中在建立沥青填入式伸缩缝有限元模型的基础上，通过研究界面在荷载作用下的力学行为，提取界面关键控制指标，并总结界面关键控制指标在不同影响因素下的变化特性，为该伸缩缝的材料及结构尺寸等的选择提供有益参考，减缓甚至避免界面裂缝的发生，具有较强的创新及应用价值.

1　有限元分析荷载及计算参数

1.1荷载

根据城市桥梁设计规范(CJJ11—2011)[4]，公路桥梁设计荷载采用公路-I级、公路-Ⅱ级.文中采用公路-I级荷载的最大轴重140kN作为计算荷载，其接地面积为两个0.2m×0.6m矩形荷载，因此其轮胎接触压力为

(1)

其中，G为最大轴重，A为轮胎接地面积.

此外，还需考虑伸缩缝界面在超重轴载作用下的受力情况，轮胎接触压力分别取值0.58MPa(公路-I级荷载)、0.70MPa(超重21.7%)、0.80MPa(超重37.9%).

车辆荷载的加速或减速作用引起水平力.文中采用水平力系数表征水平力，水平力=车辆荷载×水平力系数，水平力系数的取值情况如下[5]：车辆荷载静止时为0.00，匀速行驶时为0.10，缓慢制动时为0.25，紧急加速或刹车时为0.50.

1.2参数的计算

选择伸缩缝所在桥梁跨径为15m，伸缩缝铺装长3m、厚10cm、宽55cm.为了模拟伸缩缝铺装与桥面铺装的界面连接情况，设置界面摩擦系数，其取值情况如下[5]：界面光滑时为0.0，界面较粗糙时为0.2～0.5，界面粗糙时为0.8，界面完全固结时为1.0.

伸缩缝混合料的模量随温度的升高而降低[6]，在温度为-20～30 ℃时取值范围为50～1 000MPa.文中引入模量比的概念，即模量比=伸缩缝混合料模量/桥面铺装材料模量，在桥面铺装材料模量为1 000MPa的情况下，模量比分别为0.05、0.20、0.50、0.80、1.00

表1列出了沥青填入式伸缩缝各组成材料的参数取值.

表1沥青填入式伸缩缝各组成材料参数

Table1Materialparametersofthecomponentofasphaltplugexpansionjoint

组成部分材料模量/MPa泊松比梁板水泥混凝土300000.25桥面铺装普通沥青混合料10000.35跨缝板钢板2200000.20伸缩缝铺装伸缩缝混合料50～10000.40

2　有限元模型的建立

2.1几何模型及边界条件

选取单跨15m、两跨简支桥梁建立有限元全桥模型，整体模型及计算坐标系如图1所示.图1中上层为桥面铺装与沥青填入式伸缩缝铺装，下层为混凝土桥面板；两块梁板之间的缝隙口设置跨缝板，伸缩缝铺装浇筑于跨缝板及梁板之上，且分别与两桥面铺装毗邻[7- 8].跨缝板与梁板、伸缩缝铺装的界面均设置固结.

图1　桥梁结构模型(单位：m)

计算坐标系的规定如下：将伸缩缝铺装表面横桥向边缘的中点处作为坐标原点，X轴方向为车辆前进方向(纵桥向)，Y轴方向为铺装的深度方向，Z轴方向为伸缩缝铺装的宽度方向(横桥向).

图1模型的边界条件为：桥跨两端底部简支，端部节点施加X、Z方向约束.

伸缩缝铺装细部模型如图2所示.

图2　伸缩缝铺装模型(单位：m)

2.2计算假设

建立沥青填入式伸缩缝结构有限元模型的基本假设如下[9- 12]：

(1)伸缩缝铺装与普通桥面铺装的界面设置接触单元，所有的铺装与梁板层间接触条件为完全连续；

(2)所有材料均为线弹性，为连续的、均匀的、各向同性的；

(3)不计伸缩缝结构各组成部分的自重，不计桥梁自重，忽略桥面负弯矩和桥梁震动对计算的影响.

2.3单元类型及计算网格尺寸

桥面铺装、伸缩缝铺装、跨缝板、桥梁梁板均采用ANSYS三维八节点实体单元Solid45模拟，伸缩缝铺装与桥面铺装的界面用接触单元Conta173与Targe170模拟.手动控制网格划分，网格划分时采用六面体单元，具体网格划分情况如下.

(1)伸缩缝铺装：X方向单元长度为5cm，Y方向为1cm，Z方向为10cm；

(2)桥面铺装：X方向靠近伸缩缝铺装1m范围内单元长度为5cm，1m范围外为100cm，Y方向为1cm，Z方向为10cm；

(3)跨缝板：X方向单元长度为5cm，Y方向为1cm，Z方向为10cm；

(4)梁板：X方向靠近梁板间的缝口1.25m范围内单元长度为5cm，1.25m范围外为100cm，Y方向为10cm，Z方向为10cm.

网格化后的有限元模型如图3所示.

图3　网格化模型

3　界面控制指标的确定

考察公路-I级最大轴重140kN作用在4个不同位置时的受力情况，如图4所示，即①单轴作用在桥面铺装一侧且轮迹边缘位于相交线上(荷位1)；②单轴作用在横跨桥面铺装和伸缩缝铺装的相交线上(荷位2)；③单轴作用在伸缩缝铺装一侧且轮迹边缘位于相交线上(荷位3)；④单轴作用在伸缩缝铺装上(荷位4).

分别计算4种荷位下的界面控制指标，结果如表2所示.

由表2可得：荷位2作用下的拉应力与荷位3作用下的剪应力较大，荷位2作用下的界面竖向位移较大，故选择界面拉应、界面剪应力、界面竖向位移作为界面的控制指标[13- 15].

4　界面受力及变形分析

分析荷位2作用下界面拉应力沿伸缩缝铺装厚度方向(Y方向)及长度方向(Z方向)的变化规律、荷位3作用下界面剪应力沿伸缩缝铺装厚度方向(Y方向)及长度方向(Z方向)的变化规律，及荷位2作用下界面竖向位移沿伸缩缝铺装长度方向(Z方向)的变化规律，结果如图5所示，具体分析如下.

图4　布载荷位

(1)在荷位2作用下，界面表面(y=0cm)沿伸缩缝横桥向(Z方向)以拉应力为主，拉应力最大值出现在双轮作用外侧；界面表面以下深度范围内主要表现为压应力状态：随着铺装厚度的增加(y=2～8cm)，在界面上，双轮作用两侧仍表现为拉应力，界面沿横桥向其余部位均为压应力，呈递减趋势；在界面底面(y=0cm)，双轮作用两侧为拉应力，界面沿横桥向其余部位均为压应力，拉应力及压应力值均有所增大；在荷载作用范围内，界面拉应力沿着伸缩缝铺装深度方向呈正负值跳跃现象，这是由于界面应力(X方向)随着深度的不断增加，界面拉伸作用逐渐减弱，由拉应力转换为压应力.

表2　不同荷位下的界面控制指标最大值1)

图5　界面控制指标变化曲线

(2)在荷位3作用下，双轮作用范围内的界面剪应力值大于横桥向其他界面剪应力值，因此重点关注双轮作用范围内的界面剪应力值：界面深度y在0～6cm之间时，双轮作用范围内的界面剪应力方向为垂直于铺装向下，其中界面深度y在0～2cm之间时，双轮作用区域内的界面剪应力呈递增趋势；界面深度y=4cm时，界面剪应力值介于y=0cm与y=2cm时的界面剪应力值之间，这是由于界面深度4cm处以上的界面剪应力受荷载影响，而4cm处以下的界面剪应力受固结的桥梁梁板的影响，故深度4cm处的界面剪应力值略小于深度2cm处的应力值，方向为垂直于伸缩缝铺装向下；界面深度y=6cm时，界面剪应力值大于y在0～4cm之间时的剪应力值.界面深度y在8～10cm之间时，双轮作用范围内的界面剪应力方向为垂直于铺装向上，呈递增趋势，界面剪应力的最大值出现在界面底面、双轮作用范围内靠近边缘处.在荷载作用范围内，界面剪应力沿着伸缩缝铺装深度方向呈正负值跳跃现象，这是由于在界面深度0～6cm范围内，界面剪应力方向为垂直于伸缩缝铺装向下，而在界面深度8～10cm范围内，由于伸缩缝铺装固结于桥梁梁板上，故越接近梁板的地方，界面剪应力的方向便趋向垂直于伸缩缝铺装向上.

(3)在荷位2作用下，界面沿伸缩缝横桥向(Z方向)的竖向位移分布形式是不同的，在双轮作用范围内，横桥向的两端竖向位移方向均为垂直于伸缩缝铺装向下，界面沿横桥向的其他部位竖向位移方向为垂直于伸缩缝铺装向上.界面竖向位移的最大值出现在双轮作用面的边缘，方向垂直于伸缩缝铺装向下.

4.1伸缩缝混合料与桥面铺装材料模量比的影响

选择轮胎接触压力为0.58MPa，水平力为零.伸缩缝铺装宽0.55m、厚0.10m、长3.00m；两侧桥面铺装均为宽15.00m、厚0.10m、长3.00m；下层两侧梁板均为宽15.25m、厚0.50m、长3.00m.界面摩擦系数为0.5.伸缩缝混合料模量分别取50、200、500、800、1 000MPa，即模量比分别取0.05、0.20、0.50、0.80、1.00，分析模量比变化对界面控制指标的影响，结果见图6.由图6可得：

(1)随着模量比的增加，界面拉应力的变化较小，在模量比为0.50时达到最小值；界面剪应力呈线性增加的趋势，模量比从0.05增至1.00时，界面剪应力增加5.56%.

(2)界面竖向位移极值随着模量比的增加而减小，模量比在0.00～0.20范围内时竖向位移急速减小，模量比在大于0.50之后竖向位移趋于平缓，不同模量比下的竖向位移均较小.

　

　

总体来看，伸缩缝与桥面铺装的模量比变化对界面控制应力的影响较小，但该模量比的增大会显著降低界面的竖向变形.

4.2界面摩擦系数的影响

选择轮胎接触压力为0.58MPa，水平力为零.伸缩缝结构尺寸见4.1节，伸缩缝混合料模量取200MPa，界面摩擦系数分别设置为0.0、0.2、0.5、0.8、1.0，计算界面摩擦系数变化对计算指标的影响情况，结果列于图7中.

由图7可得：界面摩擦系数从0.0增加到1.0时，界面应力及竖向位移均呈递减趋势，界面拉应力、界面剪应力、界面竖向位移分别减少了2.25%、2.42%、9.49%，说明界面越粗糙，越有利于缓解界面的拉伸及剪切作用，也越能有效降低界面的竖向变形.

4.3界面高度差的影响

由于沥青填入式伸缩缝铺装与桥面铺装并非一次施工成型，二者存在一定的高度差，如图8所示.

选择轮胎接触压力为0.58MPa，水平力为零，伸缩缝结构尺寸见4.1节，伸缩缝混合料模量取200MPa，界面摩擦系数取0.5，设置界面高度差分别为0、1、3、5、10mm，图9为不同界面高度差时界面控制指标的变化情况.

图8　界面高度差示意图

由图9可得：随着界面高度差的增加，界面拉应力及界面剪应力呈增加的趋势，高度差从0mm增至10mm时，界面拉应力增加11.4%，界面剪应力增加3%；界面竖向位移则呈递减趋势，高度差从0mm增至10mm时，界面竖向位移减小6.67%，界面高度差越大，说明伸缩缝铺装材料的质量越大，其抵抗变形的能力就越强，界面竖向变形则越小.

总体来说，界面高度差对界面拉应力的影响较大，更容易引起界面的拉伸破坏.

4.4水平力的影响

选择轮胎接触压力为0.58MPa，伸缩缝结构尺寸见4.1节，伸缩缝混合料模量取200MPa，界面摩擦系数取0.5，设置水平力系数分别为0.00、0.10、0.25、0.50，表3为不同水平力作用时界面控制指标的变化情况.

图9界面控制指标随界面高度差的变化曲线

Fig.9Changingcurvesofinterfacialcontrollingindexeswithinterfacialelevationdifferences

表3水平力系数对界面控制指标的影响

Table3Effectsofhorizontalforcecoefficientoninterfacialcontrollingindexes

水平力系数界面拉应力/MPa界面剪应力/MPa界面竖向位移/mm0.000.2190.1640.3900.100.2930.1910.4200.250.4980.2320.4660.500.8400.4450.542

由表3可得：界面控制指标均随水平力系数的增加呈递增趋势，水平力系数为0.10时，界面拉应力较水平力系数为0.00时增加了33.79%，界面剪应力增加了16.46%，界面竖向位移增加了38.97%；水平力系数取0.25及以上数值时，应力增加幅度较大；当水平力系数取0.50时，应力较大，界面应力过大可能会导致荷载一次作用下的铺装材料破坏，说明车辆突然启动或急刹车等情况更容易引起界面开裂.

4.5轮胎接触压力的影响

选择水平力为0，伸缩缝结构尺寸见4.1节，伸缩缝混合料模量取200MPa，界面摩擦系数取0.5，设置轮胎接触压力分别为0.58、0.70、0.80MPa，表4为不同轮胎接触压力条件下界面控制指标的变化情况.

表4轮胎接触压力对界面控制指标的影响

Table4Effectsoftirecontactpressureoninterfacialcontrollingindexes

轮胎接触压力/MPa界面拉应力/MPa界面剪应力/MPa界面竖向位移/mm0.580.2190.1640.3900.700.2630.1960.4670.800.3010.2240.534

由表4可得：

(1)界面控制指标均随轮胎接触压力的增加呈线性递增趋势，轮胎接触压力从0.58MPa增至0.80MPa，界面拉应力增加37.4%，界面剪应力增加36.6%.

(2)界面竖向位移随着轮胎接触压力的增加呈线性递增，轮胎接触压力从0.58MPa增至0.80MPa时，界面竖向位移增加了36.9%.

4.6界面控制指标的分布水平汇总

将界面控制指标的结果汇入表5中.具体分析如下.

表5　不同影响因素下界面控制指标的分布水平

(1)各影响因素对界面拉应力敏感性的大小排序为：水平力系数>轮胎接触压力>界面高度差>界面摩擦系数>模量比；对界面剪应力敏感性的大小排序为：水平力系数>轮胎接触压力>模量比>界面高度差>界面摩擦系数；对界面竖向位移敏感性的大小排序为：模量比>水平力系数>轮胎接触压力>界面摩擦系数>界面高度差.

(2)在标准荷载作用下，界面拉应力与界面剪应力在紧急加速或刹车(水平力系数为0.50)时达到最大值，界面竖向位移在伸缩缝混合料模量为50MPa时达到最大值.

5　结论

文中在进行沥青填入式伸缩缝界面力学分析时，将公路-I级荷载的最大轴重140kN作为计算荷载，轮胎接触压力为0.58MPa.考虑了0.70MPa(超重21.7%)、0.80MPa(超重37.9%)的作用，同时考虑了车辆荷载的水平力作用，取水平力系数进行模拟；确定了文中所要分析的伸缩缝混合料模量、界面接触条件、界面高度差，同时拟定了伸缩缝与桥面铺装的结构计算参数.然后基于计算分析确定了沥青填入式伸缩缝的界面控制指标为界面拉应力、界面剪应力、界面竖向位移.其中，界面拉应力的临界荷位为横跨桥面铺装和伸缩缝铺装的相交线上、极值位于界面表面(双轮外侧)；界面剪应力的临界荷位为伸缩缝铺装一侧且轮迹边缘位于相交线上、极值位于界面底面(双轮作用范围内靠近边缘处)；界面竖向位移的临界荷位为横跨桥面铺装和伸缩缝铺装的相交线上、极值位于界面表面(双轮边缘).研究还发现：影响界面拉应力与界面剪应力的主要因素为水平力系数、轮胎接触压力；影响界面竖向位移的主要因素为伸缩缝混合料模量、水平力系数、轮胎接触压力.因此，选择模量较大的伸缩缝混合料、界面进行粗糙化处理、尽可能保证伸缩缝铺装与桥面铺装表面高程一致、防止车辆在伸缩缝上紧急启动或刹车、防止车辆超载等措施有利于缓解界面损害现象.

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SupportedbytheNaturalScienceFoundationofShanghai(13ZR1441100)

MechanicalBehaviorCharacteristicsofAsphaltPlugExpansionJointPavement’sInterface

XIAO Min-min1,2

(1.KeyLaboratoryofRoadandTrafficEngineeringoftheMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai201804,China;2.ShanghaiInstituteofTechnology,Shanghai201418,China)

InAPEJ(AsphaltPlugExpansionJoint)pavement,theinterfaceistheweakestlinkinthewholestructure.Inthispaper,thematerialparametersofeachpartoftheexpansionjointweredetermined,and,byselectingthemaximumaxleload(140kN)ofroad-gradeIasthecalculatingload,afiniteelementmodelofthepavementwasestablishedwithANSYS.Then,theinterfacialindexeswerecalculatedunder4kindsofloads,andthecorrespondinginterfacialcontrollingindexeswereextracted.Finally,theeffectsofexpansionjointmixture’smodulus,interfacialfrictioncoefficient,interfacialelevationdifference,horizontalforceandtirecontactpressureontheinterfacialcontrollingindexeswereanalyzed.Theresultsshowthat(1)theinterfacialcontrollingindexesincludethetensilestress,theshearstressandtheinterfacialverticaldisplacement;(2)boththehorizontalforceandthetirecontactpressurehaveagreatinfluenceontheinterfacialtensilestressandshearstress,whilethemo-dulusratio,thehorizontalforce,thetirecontactpressureexertagreatinfluenceontheverticaldisplacementoftheinterface;(3)suchmeasuresaschoosingexpansionjointmixturewithgreatmodulus,coarsingtheinterface,settingsmallinterfacialelevationdifference,preventingurgentstartingorbrakingontheexpansionpavementandavoidingoverloadarealleffectiveinpreventingtheinterfacefromdamage.

roadengineering;asphaltplugexpansionjoint;interfacialcontrollingindex;stress;deformation

2015- 10- 19

上海自然科学基金资助项目(13ZR1441100)

肖敏敏(1983-)，女，博士生，副教授，主要从事道路材料与结构研究.E-mail:xiaomm329@163.com

1000- 565X(2016)06- 0105- 08

U416.217

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.06.017