层间接触状态对桥面铺装结构力学响应的影响

万晨光++申爱琴 薛翠真++赵学颖��

摘要：为解决混凝土桥桥面铺装结构设计时对调平层与沥青铺装层层间真实接触状态考虑不足的问题，采用理论推导和室内试验相结合的方法，应用层间接触系数来评价不同层间处治措施下的层间接触状态，同时采用ANSYS软件对不同接触条件下的力学响应进行分析.结果表明，植石措施下的层间接触系数值最大，为0.607，这与其表面构造深度大有关；部分连续层间接触状态下沥青铺装结构的受力状态明显较完全连续接触条件恶化，以拉毛措施下的沥青铺装层剪应力为例，XY向、YZ向剪应力最大值分别为0.412 MPa和0.421 MPa，较完全连续条件下的0.195 MPa和0.222 MPa分别增加了111%和91%，说明以完全连续层间接触条件进行铺装结构设计是不合理的；四种混凝土表面处治措施下，各铺装层所受最大应力变化不大，但与完全连续状态相比，沥青铺装层的受力状况明显恶化，说明在铺筑实体工程时要尽可能增强调平层与沥青铺装层的层间接触状态.

关键词：公路建设；桥面铺装；部分连续式双层梁；层间接触系数；力学响应

中图分类号：U443.33 文献标识码：A

水泥混凝土桥桥面铺装典型结构由水泥混凝土调平层、防水粘结层和沥青铺装层组成[1].其中防水粘结层是设在调平层和沥青铺装层层间，起粘结、防水作用的一层结构层.由于上下层材料性质的巨大差异和施工缺陷的存在，使得防水粘结层常出现粘结不足的问题，成为桥面铺装的病害多发区[2-3]，桥面铺装层间寿命已成为影响铺装结构整体寿命的重要制约因素[4].

目前，我国在进行桥面铺装结构设计时，并没有考虑层间的真实粘结状态，而是假设各结构层层间为完全连续[5-6]，这往往导致计算出的应力应变值偏小，使铺装结构处于受力不利状态，进而使得桥面铺装真实寿命远远小于设计寿命[7].为此，本文针对桥面铺装水泥混凝土调平层和沥青铺装层层间受力特点，采用理论推导和室内试验相结合的方法，应用层间接触系数来评价不同层间处理措施下的层间接触状态，同时运用ANSYS有限元软件对不同接触状态进行模拟，并对其受力情况进行对比分析.本文的研究成果可以为桥面铺装层间处理措施和防水粘结层材料的选择提供依据，同时为混凝土桥桥面铺装设计方法的提出提供参考.

1层间接触系数理论与试验研究

1.1层间接触系数力学模型

层间接触系数在此定义为混凝土桥桥面铺装调平层与沥青铺装层层间粘结状态的评价指标，其值反映了铺装结构的协同受力能力.层间接触系数的推导采用与加铺新层的水泥混凝土路面相似的力学分析方法，即新旧层中性面相对位置对路面结构受力有很大影响[8]，用沥青混凝土+水泥混凝土双层梁中性轴的相对位置来反映其层间接触状况.完全分离式双层梁和完全连续式双层梁的中性轴位置是容易确定的[9]，然而部分连续式双层梁则不然，上下层中性轴的位置随层间粘结状态的好坏而改变，层间粘结状态越好，两个中性轴就越接近，层间完全连续时，中性轴就会重合[10].据此，采用如下部分连续式双层梁力学模型[10]，X轴为层间完全连续时中性轴的位置，Y轴为梁跨中位置.

图1中：L为梁跨径；E1，E2和h1，h2分别为上下梁的弹性模量和高度；h0为梁顶面与X轴间距；设α为部分连续式双层梁中性轴对X轴的偏离系数，则上、下层梁中性轴与X轴的距离分别为（h0-h12）α，（h1+h22-h0）α.取层间接触系数β=1-α，由建立的模型可知，该系数与双层梁层间接触状态有很好的关联性：β=1时， 上下梁中性轴与X轴重合，此时双层梁为完全连续状态；β=0时，双层梁为完全分离状态；0<β<1时，双层梁为部分连续接触状态.

1.4层间接触系数试验研究

1.4.1试件成型

采用标准车辙板试模成型水泥混凝土板，为模拟真实施工现场，分别在混凝土表面进行拉毛、刻槽、铣刨和植石处理（如图2所示），其表面构造深度分别为0.8 mm，0.6 mm，1.2 mm和1.4 mm；然后在标准条件下养护7 d；在处理过的混凝土板表面喷洒防水粘结层，本文选用SBS改性沥青同步碎石封层作为防水粘结层，改性沥青洒布量分别取1.2 kg/m2，1.6 kg/m2和2.0 kg/m2，除植石措施不撒布碎石外，其余处治措施碎石撒布量统一取为5.5 kg/m2；之后将混凝土板放入10 cm厚车辙板试模，加铺沥青混凝土并碾压成型，在室温下冷却；最后，将双层板切割成5 cm宽的双层小梁.

图2混凝土表面处理措施

Fig.2Surface treatments of concrete slab

植石处理措施是近年来兴起的一种新型复合路面层间处治措施，在与拉毛、刻槽等层间处治路段的对比中取得了非常良好的效果，由于桥面铺装结构与复合路面结构及受力特点十分相似，因此考虑可将植石方法应用于桥面铺装层间处治措施，以期获得良好效果.具体处治方法是在水泥混凝土板初凝之前及时、均匀的撒布一层单一粒径（4.75～9.5 mm）的集料，覆盖率为75 %左右，然后施加一定的荷载将集料压入混凝土，使集料的埋入深度达到粒径的2/3，以使混凝土表面形成粗糙构造.

测试沥青混凝土和水泥混凝土模量时，还需分别制作单层小梁，在此不再赘述.

1.4.2层间接触系数测试

试验在25 ℃条件下进行，由小梁加载曲线可知，沥青混凝土小梁和水泥混凝土小梁均在0.5倍破坏荷载之前近似处于弹性状态，因此在进行弹性模量测试时，加载荷载均取为小梁试件的0.5倍破坏荷载，弹性模量测试结果如表1所示.

在进行部分连续双层梁抗弯刚度测试时，加载荷载取为0.5倍水泥混凝土小梁破坏荷载，然后分别对不同混凝土表面处理措施及不同改性沥青洒布量的双层梁试件进行抗弯刚度测试，并将测试结果代入式（2）进行层间接触系数计算，由于在试验时不可避免地会存在由试件制作不均匀等问题而导致的数据离散性较大的现象，本研究每组试件数量取为12个，通过增加平行试验数量，舍弃与平均值偏离较大的数据，作为试验最终结果，在此，仅列出最终结果如表2所示.

由试验结果可知，拉毛、铣刨和植石三种措施下均在1.6 kg/m2沥青洒布量时层间接触系数取得最大值，而刻槽措施则在1.2 kg/m2下取得最大值，四种措施层间接触系数大小排序为：植石>铣刨>拉毛>刻槽，这与铣刨、植石措施下混凝土表面构造深度大、上下层能更好的进行齿合交互作用，而同时拉毛、刻槽措施下混凝土表面构造深度小有关.

对于刻槽措施，其最佳沥青洒布量位于1.0～1.4 kg/m2之间；对于拉毛措施，沥青洒布量为1.2 kg/m2时层间接触系数明显大于2.0 kg/m2时的接触系数，说明拉毛处治措施下最佳沥青洒布量位于1.2～1.6 kg/m2之间；对于铣刨和植石措施，沥青洒布量为2.0 kg/m2时层间接触系数则明显大于1.2 kg/m2时的接触系数，这说明该处理措施下最佳沥青洒布量位于1.6～2.0 kg/m2之间，这与铣刨和植石措施下混凝土表面构造深度大有关.

2层间接触状态对铺装结构受力的影响

2.1桥面铺装有限元模型的建立

选取铜黄高速（铜川黄陵）沮河特大连续刚构桥为研究对象，对于桥面铺装结构，连续刚构桥中跨跨中为关键截面[1]，因此选取中跨跨中附近13 m长的梁段作为本文的研究对象，进行桥面铺装结构受力分析.该梁段高度在3.5～3.54 m之间，由圣维南原理可知，桥面铺装结构仅在距模型两端部一定范围内受边界条件的影响，因此模型中间部位的结果是可以反映铺装结构的真实受力情况.

所建桥面铺装模型结构、材料属性均与室内试验中复合梁保持一致，温度与模量测试试验温度保持一致，模型各部采用的材料单元及参数见表3.

本文所建轮胎模型以米其林315/80R22.5子午线重型车用轮胎为原型，该模型可以在不同的轴重、胎压条件下对桥面铺装结构进行加载.鉴于铜黄高速重载车辆众多，在进行计算时后轴轮组轴重取为140 kN，轮胎胎压取为0.8 MPa.

由于各部分所需计算精度不同，因此在进行网格划分时尺寸设置也不尽相同：梁体网格尺寸为15 cm×15 cm×10 cm，铺装结构网格尺寸为10 cm×10 cm×5 cm，轮胎模型网格尺寸为5 cm×5 cm×5 cm.后轴双轮组轮胎模型尺寸和轮胎内部结构分别如图3～4所示，建好的整体模型和轮胎模型如图5所示.

模型的边界条件设置为：模型两端均进行Y向约束，即模型两端沿桥梁竖向位移为零，X方向（横桥向）和Z方向（纵桥向）不进行约束.

2.2铺装结构受力分析

为了分析混凝土调平层与沥青铺装层层间接触状态对桥面铺装结构受力的影响，在前述层间接触系数试验的基础上，将调平层与沥青铺装层的层间接触状态分别设置为光滑（层间接触系数无限趋近于零）、拉毛、刻槽、铣刨和植石所分别对应的层间接触系数（其余各层间设为完全连续接触状态），计算各结构层的受力情况.对于层间接触系数与ANSYS中摩擦系数的转化，借鉴了董开亮等[12]的研究成果，由试算结果可知，该转化方式是合理且可行的.

同时，为了对层间接触系数的合理性进行验证，还计算了层间接触系数为1（层间完全连续）时铺装结构受力情况，并与完全粘结状态下的受力情况进行对比分析.计算时假设车辆处于80 km/h的匀速行驶状态，通过线速度和轮胎模型半径来确定轮胎模型围绕圆心的角速度值，同时在轮胎与铺装结构表面间设置摩擦对，摩擦系数统一设定为0.05[13].

不同层间接触状态下，模型跨中附近桥面铺装各结构层最大拉应力对比情况分别见图6和图7.

由图6和图7可得出如下结论：

1）当层间接触系数为1，即调平层与沥青铺装层层间完全连续时，各铺装层所受最大横、纵向拉应力与完全粘结条件下的各力基本相同，最大误差不超过3%.这说明层间接触系数的定义、公式推导以及以层间接触系数来评价层间接触状态是合理的.

2）对于完全连续与完全光滑两种层间接触状态，沥青铺装层所受横、纵向拉应力最大值差别不大.而对于混凝土调平层，完全连续接触状态下的横、纵向拉应力值分别为0.185 MPa和0.127 MPa，较完全光滑接触状态下的0.103 MPa和0.032 MPa分别增加了79%和297%.究其原因，在于完全光滑接触状态下，沥青铺装层与混凝土调平层间应力传递作用受到很大的影响，仅能传递压应力，进而使得调平层所受拉应力大大减小.

3）对于四种不同层间处治措施，各铺装层所受横、纵向拉应力最大值差别不大，且大致表现出随着层间接触系数的增大，横、纵向拉应力值呈小幅降低趋势变化.

4）与理想结合状态下的应力响应情况相比，四种层间处理措施下沥青铺装层所受最大拉应力明显增大.以拉毛处治措施为例，沥青铺装层横、纵向拉应力最大值分别为0.579 MPa和0.562 MPa，分别较理想结合状态下的0.429 MPa和0.383 MPa增加了35%和47%.这表明材料性质存在巨大差异的沥青铺装层与混凝土调平层层间粘结状况对沥青铺装层所受拉应力影响显著，当层间粘结不足时，沥青铺装层拉应力受力状况明显恶化.另外，对于混凝土调平层，由于层间力的传递作用受到影响，四种层间处治措施下调平层所受横、纵向拉应力均较理想接触状态下有所减小.

图8和图9分别为各种层间接触条件下，跨中部分各铺装结构所受最大XY向、YZ向剪应力的对比情况.

由图8和图9可得出如下结论：

1）当层间接触系数为1，即调平层与沥青铺装层层间完全连续时，各铺装层所受最大XY，YZ向剪应力与完全粘结条件下的各力基本相同，最大误差不超过5%.这再次说明层间接触系数的定义、公式推导以及以层间接触系数来评价层间接触状态是合理的.

2）对于完全连续与完全光滑两种层间接触状态，完全光滑条件下沥青铺装层所受XY向、YZ向剪应力均较完全连续条件有大幅增加.完全光滑条件下XY向、YZ向剪应力最大值分别为0.683 MPa和0.612 MPa，分别较完全连续条件下的0.195 MPa和0.222 MPa增加了251%和176%.而对于混凝土调平层，情况则恰好相反，完全光滑条件下XY向、YZ向剪应力为0.033 MPa和0.029 MPa，分别较完全连续条件下的0.106 MPa和0.133 MPa降低了69%和78%.

3）对于四种不同的层间处治措施，各铺装层所受XY向、YZ向剪应力最大值差别不大，但却与拉应力变化情况表现出相反的变化规律，即随着层间接触系数的增大，剪应力值大致呈小幅增加趋势变化.

4）四种层间处理措施下沥青铺装层XY向、YZ向剪应力均较完全连续条件下剪应力有大幅提高.以拉毛措施下的沥青铺装层为例，XY向、YZ向剪应力最大值分别为0.412 MPa和0.421 MPa，较完全连续条件下的0.195 MPa和0.222 MPa分别增加了111%和91%.说明层间粘结条件不足时，沥青铺装层所受XY向和YZ向剪应力均有大幅增加，这就大大增加了沥青铺装层出现车辙、推移及拥包病害的可能性.

3结语

1）通过室内试验和理论计算表明，采用层间接触系数作为混凝土调平层与沥青铺装层层间接触状态评价指标是合理的.

2）四种混凝土表面处治措施下，植石措施的层间接触系数最大，说明该措施下的层间接触状态最好，这与其混凝土表面构造深度大有关，其次是铣刨处治措施.

3）在进行桥面铺装结构设计时，将调平层与沥青铺装层层间假设为完全连续的层间接触状态是不合理的.

4）四种混凝土表面处治措施下，各铺装层所受最大应力变化不大，但与完全连续状态相比，沥青铺装层的受力状况明显恶化，说明在铺筑实体工程时要尽可能增强调平层与沥青铺装层的层间接触状态.

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