桥面铺装层间剪应力技术指标多维度分析

2020-10-12彭兴国陈辉强刘大路

山西建筑 2020年20期

彭兴国陈辉强刘大路杨杰

(1.中铁建重庆投资集团有限公司，重庆 400070; 2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

我国的水泥混凝土桥面铺装早期破坏比较严重，其原因很多，既包括温度、水损害、超载及长大纵坡等外部因素，也包括桥面铺装自身的不足，如防水粘结层抗剪强度不足、沥青铺装层自身路用性能不佳等内部因素。从内因上看，我国高速公路桥面铺装的防水粘结层通常采用的是改性乳化沥青类或者热沥青类等材料，而这类传统的防水粘结层通常只能提供常温0.2 MPa～0.3 MPa层间抗剪强度，这与本文考虑各种不利因素提出的技术指标相去甚远，这是桥面破坏的主要原因之一[1]。从外因上讲，随着我国高速公路逐渐向山区甚至高海拔地区发展，长大纵坡的出现就越来越显得不可避免的了[2]；另外，货车超载几乎是一个普遍存在的现象，这也对我国高速公路的桥面铺装层间抗剪性能提出了更高的要求。基于此，本文通过有限元模型分析了桥面铺装的多维度影响因素，进而提出了层间抗剪性能的技术指标。

1 桥面铺装力学模型和参数

1.1 基本假定

1)水泥混凝土桥面板是各向同性的、均匀连续的、弹性的；

2)沥青混凝土铺装层也满足水泥混凝土桥面板的假定，且在计算时完全忽略沥青混凝土的非线性部分；

3)设置于沥青铺装层与水泥混凝土桥面板之间的防水粘结层也为完全连续。

1.2 力学模型及参数

考虑到汽车在复合式桥面铺装上行驶的情况下，汽车车轮作用点同时受水平力和竖向力的共同作用。因此在构建有限元模型进行分析时，须假定汽车在正常行驶过程中车轮所受荷载为矩形荷载且垂直均匀分布，而车轮在制动时为水平和垂直均布矩形荷载[3,4]。为了进一步增强模型的计算准确度，采用尺寸为1 m×10 m×5 m(高×长×宽)的三维六面八节点实体单元模型进行分析计算。X轴为横桥方向，Y轴为厚度方向，Z轴为纵桥方向，网格划分后的模型如图1所示。

假定桥面铺装结构为公路工程沥青路面设计规范推荐的典型结构，即自上而下为：沥青混凝土面层+防水粘结层+水泥混凝土桥面板，考虑到防水粘结层本身厚度不超过1 mm，故进一步假设其阻尼系数与沥青层取值相同。采用双轮中心间距为32 cm的双轮荷载进行分析，将车轮荷载作用面积简化为0.16 cm×0.22 cm的矩形。荷载为标准轴载BZZ-100，则竖向均布应力大小约为0.7 MPa[5]，且基本保持不变；而水平荷载随水平系数的改变而不断变化。有限元各结构层计算参数见表1。

表1 各结构层参数

为模拟汽车荷载的移动，在汽车行驶方向上设置荷载移动带，并假定该移动带沿路面横向的宽度等于施加的均布荷载的宽度，沿水平向的长度等于汽车行驶的距离；再把该移动带按车轮加载长度的1/3分为如图2所示的许多小矩形，车辆荷载在静止状态时占据如图2中1,2和3所示的三个小矩形的面积。借助用户子程序(user subroutine)平台，使用Fortran语言编写程序Utracload 和Dload来施加汽车移动过程中的水平向荷载和垂直向荷载实现沿移动带的汽车荷载前移[6,7]。

2 移动荷载作用下防水粘结层剪应力的多维度分析

2.1 超载程度对防水粘结层剪应力的影响

剪切破坏是汽车行驶过程中尤其是超载情形下对防水粘结层的破坏最主要的表现形式[8-10]。为研究汽车超载对防水粘结层层间剪应力的影响，分别模拟水泥混凝土桥面在超载0%，20%，40%，60%，80%和100%的情况下防水粘结层在A点剪应力随荷载作用时间的变化规律。参数设置的边界条件为：防水层厚度5 mm,沥青层厚度100 mm，沥青层模量1 000 MPa，车速30 m/s，纵向坡度和水平力系数均为0。各种超载条件下A点剪应力在荷载从B点行驶到C点过程中变化见图3。

图3表明，A点剪应力随时间变化趋势相同，证明A点剪应力随时间的变化趋势与超载无关。荷载从D点经A点到E点行驶过程中，剪应力迅速从0增加到最大值，且在A点剪应力取得最大值τmax，然后又迅速下降到接近于0，呈抛物线形状，说明在车辆实际运行中，防水层最大剪应力出现在车轮正下方。而其他过程A点剪应力均接近于0，表明荷载在除DAE外的其他范围内行驶时对A点剪应力基本无影响。

为进一步分析超载程度对最大剪应力的影响，以超载比例为横坐标，以图3中剪应力峰值为纵坐标，绘制二维坐标图如图4所示。从图4容易看出，剪应力峰值与超载程度有着良好的线性关系，并随超载量增加呈直线增大，直线斜率接近于1，意味着超载每增加20%，最大剪应力增加20%，当超载100%时，最大剪应力增加1倍，这表明超载程度对水泥混凝土桥面铺装的防水粘结层的剪切破坏有非常显著的影响。

2.2 沥青层厚度对防水粘结层剪应力的影响

选取不同沥青层厚度(6 cm，10 cm，14 cm和18 cm)的桥面铺装作为研究对象，分析各种沥青层厚度情况下A点防水粘结层剪应力随荷载移动作用时间的变化规律。模型参数假定为：防水层厚度5 mm，沥青层模量1 000 MPa，车速30 m/s，水平力系数0，不考虑超载。最大剪应力与沥青铺装层厚度的关系图如图5所示。

结果表明，在0.04 s～0.06 s范围内剪应力呈近似抛物线分布，且荷载移动到A点时防水粘结层剪应力最大。随着沥青铺装层厚度的增加，防水粘结层的最大剪应力呈现较明显的下降趋势，若以6 cm为初始沥青层厚度，则沥青层厚度每增加4 cm，最大剪应力分别减小19.8%，34.6%，49.2%。

2.3 防水粘结层厚度对层间剪应力的影响

防水粘结层除了防水功能以外，它对沥青混凝土铺装层与水泥混凝土桥面板之间的抗剪性能的影响作用也十分明显。本文研究了不同厚度的防水粘结层对桥面铺装结构层的层间剪应力的影响，选取防水粘结层的厚度分别为0.5 mm，1 mm，1.5 mm和2 mm，研究这四种情况下A点防水粘结的层间剪应力随车辆荷载作用时间的变化规律。参数边界条件为：沥青层模量1 000 MPa，沥青层厚度10 cm，车速30 m/s，水平力系数0，不考虑超载的情况。各种防水粘结层厚度下车辆荷载从B点行驶到C点过程中A点剪应力随时间的变化规律曲线如图6所示。

从图6可看出，不同厚度的防水粘结层对应的A点的层间剪应力随荷载作用时间变化趋势非常接近，剪应力—时间曲线基本重合，即不同防水粘结层厚度在相同时刻(0.04 s～0.06 s)所对应的剪应力变化不大，且都在A点取得几乎相同的最大值，这表明防水粘结层厚度在0.5 mm～2 mm的范围内对桥面铺装层间剪应力的影响甚微。

2.4 车速对桥面铺装层间剪应力的影响

研究了三种车速(10 m/s，20 m/s和30 m/s)情况下桥面铺装层间剪应力随车辆荷载作用时间的响应规律。参数边界条件为：沥青层模量1 000 MPa，沥青层厚度10 cm，防水粘结层厚度0.5 mm，水平力系数0，不考虑超载情形。当车速为10 m/s，20 m/s和30 m/s时，荷载作用相同时间(0.1 s)对应的位移分别为1 m，2 m和3 m。不同车速下层间剪应力随荷载时间的响应曲线见图7。

由图7可以看出，三条曲线呈现相似的变化规律，但在相同时刻，车速越慢，对应的层间剪应力就越大，且层间剪应力均在A点取得最大值，一方面表明防水层最大剪应力出现在车轮正下方，另一方面表明，A点层间剪应力随着车速增大减小显著。初始速度为10 m/s，20 m/s,30 m/s时，对应的最大层间剪应力分别为0.31 MPa，0.24 MPa和0.21 MPa，即相对于10 m/s的初始速度，车速每增加10 m/s，则对应最大剪应力分别减小了23.3%和30.7%。

2.5 水平力系数对桥面铺装层间剪应力的影响

车辆制动会产生瞬时较大的水平荷载[11,12]，这种瞬时制动程度可用水平力系数进行表征，水平力系数越大，则车辆刹车程度越剧烈[13,14]。本文模拟水泥混凝土桥面在不同水平力系数(0.2，0.4，0.6，0.8和1.0)的情况下A点层间剪应力随荷载作用时间的响应规律。参数边界条件为：沥青层模量1 000 MPa，沥青层厚度10 cm，防水粘结层厚度0.5 mm，车速30 m/s，不考虑超载的情形。不同水平力系数下层间剪应力随时间的变化曲线见图8。

图8表明，在每一种水平力系数下，层间剪应力时间到0.04 s附近时增大迅速并很快达到最大值(0.05 s附近)，然后又很快下降至接近于0，描述了层间剪应力对汽车刹车制动过程中的响应规律；再比较在0.04 s～0.07 s过程中的相同时刻对应的层间剪应力可知，在相同时刻，水平力系数较大的层间剪应力也较大，说明汽车刹车制动对桥面铺装层间剪应力影响显著。

再将各种水平力系数对应的最大剪应力绘制成“最大剪应力—水平力系数关系图”，如图9所示。

容易看出，层间最大剪应力与水平力系数变化关系图可近似为一条较陡峭的直线，随着水平力系数增大，A点层间的最大剪应力迅速增大。水平力系数为0时，最大剪应力仅为0.2 MPa，而水平力系数为1.0时，最大剪应力达到了0.4 MPa以上，表明车辆在刹车过程中，制动程度对桥面铺装的层间最大剪应力影响显著。

2.6 纵坡坡度对桥面铺装层间剪应力的影响

现行相关设计规范并未对大纵坡桥面铺装的防水粘结层技术要求做特殊规定，导致桥面铺装早期病害问题日益突出。本文通过模拟桥面在纵坡0°，5°，10°以及15°情况下A点层间剪应力随荷载作用时间的响应规律分析纵坡对层间剪应力的影响。参数边界条件为：沥青层模量为1 000 MPa，沥青层厚度10 cm，防水粘结层厚度0.5 mm，车速30 m/s，不考虑超载情形，不同纵坡下剪应力随时间变化规律曲线见图10。

结果表明，每一种坡度下层间剪应力随时间的变化规律大致相同，但随着桥面铺装坡度的增加，A点层间剪应力对应的峰值差距明显。相对于纵坡坡度为0°时的最大剪应力，纵坡坡度为5°，10°和15°时的最大剪应力分别增加了13%,25%和35%，表明桥面铺装的纵坡坡度对层间最大剪应力的影响较大。

3 层间剪应力技术指标

尽管沥青铺装层厚度、水平力系数、车速对水泥混凝土桥面铺装层间剪应力影响较显著，但考虑到它们无法从设计的角度进行控制，因此一定边界条件(水平力系数为0.5，沥青层厚度为10 cm、防水层厚度0.5 mm、车速30 m/s)下，在纵坡坡度为0且没有超载的理想情况下层间剪应力为0.279 4 MPa，而在纵坡坡度为15°且超载为100%的最不利的情况下层间剪应力可达0.657 8 MPa。结合工程实际情况，从设计的角度出发，水泥混凝土桥面铺装防水粘结层层间剪应力至少应达到0.3 MPa以上，对于纵坡较大超载现象较严重的地区，层间剪应力应达到0.6 MPa以上。