表层裂缝对钢桥面铺装层的影响分析

谢伟伟

(福州市规划设计研究院 福建福州 350000)

0 引言

大型钢桥交通量较大,钢桥面铺装极易在重载车辆的反复碾压等外界因素条件下出现表层裂缝，沥青铺装层较多都带裂缝工作。如果对铺装层结构在带裂缝情况下的具体受力状况缺乏清晰的了解，就难以掌握铺装层受力状态和变形规律。因此，有必要对钢桥面铺装结构在荷载作用下的具体应力、应变状态进行深入分析。

为研究分析带裂缝情况下大跨径钢桥铺装层与钢桥面板之间的受力状态和变形状况规律，对车载作用下沥青混凝土铺装结构的力学响应进行分析，并精确分析钢桥面铺装层在行车荷载作用时的力学响应特性,本研究以虎门大桥钢桥面铺装模型为案例，使用有限元软件Abaqus建立相应钢桥结构模型，施加车轮荷载，对带裂缝工作铺装层和钢桥面板在荷载作用下的力学特性进行分析。

1 力学计算模型和分析方法

建立合理的有限元力学分析计算模型，对钢桥结构特性和铺装材料特性做合理假定：

①仅考虑车辆活载作用。

②假设粘结层与铺装层形成一个整体，铺装层与钢桥面板的接触状态为完全连续。

③沥青铺装层和正交异性钢桥面板均为连续、均匀、各向同性的弹性材料，采用线弹性理论分析沥青铺装体系的荷载应力和应变。

④根据圣维南原理，钢桥面铺装荷载作用存在局部效应，作用点对铺装层远端的受力影响很小，可以忽略不计[1]。

虎门大桥钢桥面铺装模型的受力分析，采用有限元数值计算方法建立局部正交异性钢桥面铺装模型。在分析计算模型中,将环氧沥青铺装层、粘结层和其下部钢结构组成部分(钢桥面板、纵向加劲肋和横隔板)视为承受车辆荷载的一个系统，纵向包括3跨，桥面顶板设置 11个纵向加劲肋，桥面底板设置16个L型加劲肋。采用静力弹性分析，应用有限元软件Abaqus建立力学计算模型，研究铺装层内部受力状态，并基于裂缝病害的情况下，分析比较该铺装层内部受力状态和应力、应变的变化情况，分析模型如图1所示。横隔板编号为A、B，从左到右纵向加劲肋编号为1～11。

图1 有限元模型三维图

铺装层采用双层环氧沥青混合料，每层35mm厚。将环氧沥青混合料视为弹性材料，结合虎门大桥所处的温度状况，铺装层弹性模量E取5000MPa,泊松比取0.25。在铺装上、下层间和下面层、桥面顶板上表面之间设置粘结层，粘结层设置为Shell单元，厚度为0，弹性模量设为5000MPa，泊松比设为0.25。桥面顶板采用12mm厚，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。横隔板厚度10mm，间隔4m，加劲肋厚度为8mm，模型尺寸细节如表1所示，顶板纵向加劲肋尺寸如图2所示。

表1 有限元模型尺寸

图2 顶板纵向加劲肋尺寸(单位:mm)

采用图3形式的平面荷载布置进行计算，只取其中的后轴双侧双轮荷载进行加载。由于车辆行驶过程中，车轮本身存在着变形，考虑温度、铺装平整度等外界条件对轮载面积的影响，较多研究将车轮荷载视为矩形截面[1-4]。为使计算效果更精确，简化模型，将车轮荷载布置成双轮荷载，荷载面积取200mm×200mm，双轮间隔100mm。

图3 荷载布置(单位:mm)

荷载施加位置分别设置在中跨横隔板中间和B横隔板上方的铺装层表面。横隔板中间的横向位置则分别为6号纵向加劲肋正上方①，使荷载间隔中心在纵向加劲肋中心位置；6号加劲肋右上方②，使左轮左侧位于纵向加劲肋左肋正上方；6号加劲肋右侧肋部上方与6、7号加劲肋的中部③，使车轮间隔中心在6号加劲肋右肋正上方。同样的，将横隔板上方沥青铺装层表面的同位置加载情形分别设为④、⑤、⑥。具体荷载平面分布如图4所示，荷载横断面如图5所示。

图4 荷载平面分布

图5 荷载横向布置情况

2 Abaqus有限元分析

分析中采用C3D8R线性缩减积分，全部采用六面体网格进行分析计算，铺装上层和铺装下层均分为3层划分单元网格。各层间的接触状态设置为Tie(绑定约束)，使模型中上下相互接触的两层连续连接[1,3-4]。边界条件纵向设为端部固支约束，横向的右侧边界设为对称约束，左侧边界设为自由状态，单元尺寸100mm×100mm×9mm，如图6所示。

图6 边界条件设置

3 裂缝对铺装层受力的影响

根据大跨径钢桥面沥青混凝土铺装层裂缝的主要类型和破坏情况，纵缝多出现在加劲肋上方的铺 装层表面，横向裂缝则多出现在横隔板顶部的铺装表层[5-7]。纵缝长度不等，横缝长一般为300mm～400mm，后期可扩展到700mm～1400mm或以上。裂缝的宽度一般为1mm～5mm，纵、横向裂缝最大宽度范围在5～10mm，发生脱层的状况下将继续扩展。经过调查分析，钢桥面沥青铺装的最主要裂缝为第一类裂缝，即出现在正交异性钢桥面板纵向加劲肋、横隔板或纵隔板顶部的裂缝[7-8]。这类裂缝占比较大，一般为纵向裂缝，且分布于行车道轮迹带附近。

纵向裂缝出现在横向应变最大处，即轮载中心处，裂缝形态设为V型，从铺装表层向下发展。首先拟在6号加劲肋右边肋部正上方的铺装上面层表面设置一条V型纵向裂缝，宽度上口设置为1mm，深度分别设置为2mm、5mm、10mm、20mm、30mm和45mm，长度设置为300mm，V型裂缝横向示意如图7所示。

图7 V型裂缝示意图

研究不同裂缝深度对裂缝扩张的影响，包括向铺装底层扩展和裂缝横向张开的趋势。荷载施加位置设置在中跨横隔板中间的③位置，裂缝的位置设在荷载间隔中心的沥青铺装层表面，计算结果如表2所示，竖向弯沉应力云纹图及存在裂缝时的横向拉应力分布,如图8～图9所示。

表2 裂缝深度对铺装层力学响应的影响

图8 竖向弯沉应力云纹图

图9 铺装层横向拉应力分布情况

铺装上层表面的横向应变云纹图和裂缝区域应变分布断面云纹图，如图10～图11所示。

图10 铺装上层表面横向应变云纹图

图11 裂缝区域应变分布断面云纹图

将图10与图11进行比较，可以发现裂缝两侧产生应力集中，当无裂缝时，应力集中于铺装上层的下表面，而出现裂缝之后，应力则集中于裂缝区域，加速了裂缝的竖向扩展。对于裂缝横向扩张而言，最大横向拉应变指标能反应荷载的影响。由表2得到中跨横隔板中间最大横向拉应变随裂缝深度的变化，如图12所示。计算结果表明在裂缝设为长300mm，宽1mm时：

图12 中跨横隔板中间横向最大拉应变随裂缝深度变化

(1)当裂缝深度小于5mm，随着裂缝深度的加大，铺装层顶面的最大横向拉应变增幅较大。

(2)当裂缝深度为5mm，最大横向拉应变相比于无裂缝情况增加了153με，增幅为38%。

(3)当裂缝深度大于5mm，随着裂缝深度继续增大，裂缝逐渐贯穿铺装上层甚至扩展到铺装下层，最大横向拉应变的值又回落到无裂缝情形。

这说明裂缝较小时，对铺装表层产生应力集中较为明显，横向拉应变较大，纵向裂缝有向两侧扩张的趋势。而当裂缝竖向扩展到一定深度，则铺装表层的横向拉应变较小，表明裂缝较深时，应力得到释放，荷载使纵向裂缝向两侧扩张的趋势不明显。

裂缝的存在使得铺装层底部的最大横向剪应力有所降低，这是因为V型裂缝的存在作为一个应力集中区域，将裂缝区域附近的应力吸收，一定程度上缩小了裂缝附近的铺装层剪应力。从沿厚度方向的应变云纹图可以看到，裂缝区域铺装上层底部有着较大的应变作用，对上、下层间粘结层的剪切作用增加。

将无裂缝情况与存在10mm、30mm深裂缝的情况进行对比，得到铺装层表面的应变分析曲线，如图13所示。曲线表明：

图13 铺装层表面应变分析曲线

(1)不存在裂缝时，铺装层表面横向拉应变较小。

(2)裂缝深度为10mm时，裂缝位置附近的荷载作用使铺装表层的最大拉应变增大较多，说明深度较小的裂缝将给铺装层受力变形造成不利影响。

(3)当裂缝深度扩展到30mm时，铺装表层的最大拉应变值又有所降低，但裂缝周围荷载作用位置的铺装表层应变值依然比裂缝不存在情况增大显著，说明裂缝较深时，应力虽然得到一定释放，但裂缝仍然对铺装层有十分不利的影响。

(4)裂缝深度较小时，铺装表层横向拉应变较大，而当裂缝达到20mm以上时，铺装层表面的最大拉应变又与裂缝不存在的情况相近，说明不同裂缝深度对铺装层受力状态的影响不同，当裂缝深度较小时，铺装层受到的变形条件更加苛刻。

(5)当裂缝深度较大时，荷载对裂缝的横向扩张影响不大，主要表现出使裂缝竖向方向的扩展，使得裂缝逐渐贯穿铺装层。

4 结论

研究了不同加载部位下的铺装层受力状态，分析了钢桥面铺装层存在裂缝时对铺装体系受力特性的影响。分析结果表明，铺装特性直接影响着裂缝病害的产生与发展，而裂缝病害的存在将不同程度上加快铺装层的破坏。研究得到钢桥面铺装特性与裂缝病害的关联性如下：

(1)在荷载作用下，铺装表层横向拉应力与拉应变较大，横向拉应力达到0.681MPa，横向拉应变达到405με，易引起U型肋边肋顶部的铺装层表面产生纵向裂缝。

(2)存在深度较小的裂缝时，荷载对裂缝的横向扩张影响较大，这就要求对铺装层表面及时灌缝，以减少因应力集中使裂缝横向扩张和纵向扩展。初期裂缝宽度有所增长，随着裂缝深度的增加，裂缝宽度逐渐减少。说明铺装层存在裂缝病害的情形下，荷载作用将不断加剧病害的规模。

(3)计算得到裂缝上口的应变值在30 000～90 000με之间，结合钢桥面铺装特点、使用特性和虎门大桥所处的温度、湿度状况，要求灌缝材料在常温下具有良好的拉伸变形性能，能够完全填充裂缝空隙，满足灌缝之后的变形性能要求；具有高强度，满足填缝后整体性要求，使裂缝不再扩张；具有良好的温度稳定性和水稳定性，满足灌缝之后的耐久性要求。