简支梁桥混凝土桥面铺装层应力分布的影响参数1)

王丕祥 郭环宇 刘云

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

混凝土桥面铺装层为桥梁结构的附属结构，在长期的运营过程中，常出现磨损、剥离、露筋、裂缝等病害，更为严重的还会出现鼓包和桥面板与铺装层间滑移等破坏。这些病害不仅会影响车辆行车安全，还会造成较大的经济损失[1-5]。混凝土桥面铺装，一般在铺装层与桥面板之间的结合处最薄弱[6-8]，铺装层的开裂、剥落、脱空、桥面板与铺装层间滑移等破坏占很大比例。在车辆荷载及其冲击作用下，桥面板与铺装层交界面结合能力弱时，则会出现桥面板与铺装层间滑移，导致铺装层完全破坏；结合能力强时，则铺装层与桥面板接近于整体受力，铺装层能将外荷载直接传递给主梁，增加耐久性。因此，保证桥面板与铺装层间的粘结性能，是桥面铺装工作的关键[9-12]。本文以13 m简支空心板桥、T梁桥为研究对象，采用ANSYS软件建立桥梁空间有限元模型，分析车辆轮载作用、铺装层混凝土强度、铺装层厚度、桥面板与铺装层间粘结状况对铺装层应力分布的影响，旨在为简支梁桥混凝土桥面铺装层的优化设计提供参考。

1 桥面铺装层有限元模型的建立

1.1 模型基本假定

桥面混凝土铺装层，不仅承受荷载直接作用，还承受桥梁主梁变形对铺装层产生应力的影响，受力情况十分复杂。综合考虑铺装层结构受力和材料特性，计算时作如下假定：①铺装层结构均为均匀连续、各相同性材料，且主梁和铺装层作为整体一起承受外部荷载；②不考虑混凝土自重和开裂影响；③桥面板与铺装层间完全连续接触，并考虑铺装层滑移；④仅考虑桥梁上部结构计算，不考虑下部结构的基础变形、支座位移等影响。

1.2 模型计算参数遴选

桥面混凝土铺装层、简支空心板、简支空心板铰缝、T梁和T梁横隔板，均采用SOLID65单元模拟；桥面铺装层与主梁顶面采用全接触模拟；接触面目标面选取TARGE170单元，接触面选取CONTA174单元进行模拟。材料参数取值：①水泥混凝土铺装层弹性模量取34.5 GMPa；②简支空心板桥铰缝、T梁桥横隔板弹性模量均取32.5 GMPa；③简支空心板、T梁弹性模量取30.0 GMPa。混凝土材料泊松比均取0.2。

1.3 接触摩擦模拟

桥面铺装结构，桥面板与铺装层间是介于完全接触和完全滑动之间的一种特殊状态。在ANSYS中，利用库伦摩擦理论，在接触面建立目标单元和接触单元对应的接触对，实现桥面铺装层和桥面板层间的接触摩擦模拟，并考虑不同摩擦系数(μ)对桥面板与铺装层间粘结滑移状态的影响。

1.4 边界条件设置及模型的建立

铺装层有限元模型建立的坐标系，X向为横桥向、Y向为竖桥向、Z向为顺桥向。边界条件采用简支梁模拟，一端取为铰支，约束主梁的Ux、Uy、Uz方向；另一端取为滑动支撑，约束Uy方向。13 m跨径水泥桥面铺装层简支梁桥有限元模型见图1。

2 桥面铺装层力学性能的影响参数

2.1 车辆轮载作用

通过计算发现，13 m跨径简支空心板桥和T梁桥水泥混凝土铺装层，在车辆轮载作用下各应力最大值均出现在车辆车轮作用位置(见图2、图3)。

由图2、图3可见：13 m跨径简支空心板桥和T梁桥水泥混凝土铺装层，在车辆荷载作用下各应力分布规律相似。空心板桥铺装层，第一主应力(σ1)最大值为0.13 MPa、第二主应力(σ2)最大值为0.04 MPa、横桥向正应力(σx)最大值为0.133 MPa、横桥向剪应力(τxy)最大值为0.033 MPa、顺桥向剪应力(τyz)最大值为0.086 MPa、桥面板与铺装层间剪应力(τxz)最大值为0.108 MPa。T梁桥铺装层，第一主应力(σ1)最大值为0.402 MPa、第二主应力(σ2)最大值为0.128 MPa、横桥向正应力(σx)最大值为0.377 MPa、横桥向剪应力(τxy)最大值为0.06 MPa、顺桥向剪应力(τyz)最大值为0.074 MPa、桥面板与铺装层间剪应力(τxz)最大值为0.124 MPa。桥面铺装层在车轮荷载作用，横桥向约40 cm、纵向约100 cm范围内应力较大，其余范围应力沿横桥向和纵桥向均衰减很快，有明显的应力集中现象。在铺装层内，横桥向剪应力(τxy)、顺桥向剪应力(τyz)明显小于桥面板与铺装层间剪应力(τxz)；桥面板与铺装层间剪应力(τxz)以车轮连线中点呈中心对称分布。

2.2 混凝土强度等级

目前，我国中小跨径桥梁铺装层，主要是刚性铺装。根据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》，桥面铺装混凝土强度等级应大于C40。铺装层的混凝土强度等级选择一般是根据经验，选取跟主梁强度等级相同或者高一个等级。本研究铺装层选取介于C30—C50之间不同强度等级，分析铺装层应力分布变化规律(见表1)。

表1 2种桥梁水泥混凝土桥面不同混凝土强度等级时铺装层的最大应力变化

由表1可见：随着铺装层混凝土强度等级的提高，简支空心板桥，铺装层第一主应力(σ1)从0.158 MPa下降到0.134 MPa、横桥向正应力(σx)从0.152 MPa降低到0.128 MPa，两者分别降低15.2%、15.8%。随着铺装层混凝土强度等级的提高，简支T梁桥，铺装层第一主应力(σ1)从0.443 MPa下降到0.402 MPa、横桥向正应力(σx)从0.418 MPa降低到0.377 MPa，两者分别降低10.2%、10.9%。说明铺装层第一主应力(σ1)和横桥向正应力(σx)，随着铺装层混凝土强度等级的提高而明显减小；而简支空心板桥和T梁桥铺装层的第二主应力(σ2)以及其余各个剪应力，仅略微降低，基本没有变化。

2.3 铺装层厚度

实际桥梁设计中，桥面铺装一般不会单独进行计算分析，仅根据“规范推荐值”选取适宜的厚度。在对技术标准要求较低的小桥上，通常采用8～10 cm厚的刚性铺装层；而对技术标准要求较高的大中桥上，刚性桥面铺装层厚度通常采用6～16 cm。综合考虑实际桥梁铺装层厚度情况，选择铺装层厚度为4、8、12、16、20、24 cm，分析不同铺装层厚度对铺装层应力的影响(见表2)。

由表2可见：2种桥梁的铺装层厚度由小到大，铺装层内第一主应力(σ1)、横桥向正应力(σx)、桥面板与铺装层间剪应力(τxz)均明显减小。在层厚较小时，铺装层内各应力值较大，能迅速传递至下方主梁顶板处。当铺装层厚度在4～12 cm之间时，各应力均有明显降低；当铺装层厚度大于12 cm后，各应力基本保持不变。综合分析可得，简支梁桥铺装层厚度采用12～16 cm时，铺装层应力分布较均匀。

表2 2种桥梁水泥混凝土桥面不同铺装厚度时铺装层的最大应力变化

2.4 桥面板与铺装层间结合能力

在车辆轮载及冲击作用下，桥面板与铺装层交界面结合能力，主要取决于桥面板与铺装层间剪切力是否大于层间摩擦力。当桥面板与铺装层间剪切力大于层间摩擦力时，出现桥面板与铺装层间滑移，导致铺装层完全破坏；当桥面板与铺装层间剪切力小于层间摩擦力时，铺装层与桥面板完全粘结、形成整体，铺装层将外荷载传递给主梁。在ANSYS建立的简支梁桥有限元模型(含桥面铺装)中，对于现场浇筑的桥面板，由于强度等级较低(采用C30混凝土)，设置为接触面；对于铺装层，由于强度等级较高(采用C50混凝土)，设置为目标面。铺装层与桥面板之间分别取不同的摩擦系数(μ=0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5)，模拟各种不同的桥面板与铺装层间结合能力(见表3)。

表3 2种桥梁水泥混凝土桥面板与铺装层间摩擦系数不同时铺装层的最大应力变化

由表3可见：随着摩擦系数的增大，简支空心板桥铺装层的横桥向正应力呈减小趋势，且变化明显；第一主应力、第二主应力、桥面板与铺装层间剪应力，呈现先减小后逐渐趋于稳定；顺桥向剪应力呈略微增大的趋势，而横桥向剪应力呈略微减小的趋势。随着摩擦系数的增大，T梁桥铺装层的横桥向正应力、第一主应力呈减小趋势，且变化明显；第二主应力呈现先减小后逐渐趋于稳定；桥面板与铺装层间剪应力、顺桥向剪应力、横桥向剪应力，均呈略微减小的趋势。综上分析可得，增大桥面板与铺装层间摩擦系数，能较大程度地降低铺装层应力，且摩擦系数大于1.0时的桥面铺装层应力分布比较均匀。

3 结论

13 m跨径简支空心板桥和T梁桥水泥混凝土铺装层，在车辆轮载作用下，各应力最大值均出现在车辆车轮作用位置，桥面铺装层在车轮荷载作用横桥向约40 cm、纵桥向约100 cm范围内应力较大；铺装层横桥向剪应力、顺桥向剪应力明显小于桥面板与铺装层间剪应力，且桥面板与铺装层间剪应力以车轮连线中点呈中心对称分布。

随着铺装层混凝土强度等级的提高，简支梁桥铺装层内第一主应力、横桥向正应力、桥面板和铺装层间剪切力均呈减小趋势。

随着桥面铺装层厚度的增加，简支梁桥铺装层内第一主应力、横桥向正应力均呈明显减小趋势，且铺装层厚度采用12～16 cm时铺装层内应力分布较为均匀。

随着混凝土铺装层与主梁桥面板间摩擦系数的增加，简支梁桥铺装层第一主应力、横桥向剪应力，呈现明显下降趋势。增大桥面板与铺装层间摩擦系数，能很大程度上降低铺装层内应力，且摩擦系数大于1.0时的桥面铺装层应力分布较为均匀。