埋管型化冰融雪系统的桥面装铺结构影响设计分析

文／怒江州公路规划勘察设计院 和志忠

1 埋管型桥面装铺层结构受力特点和模拟假设

1.1 埋管型桥面装铺层结构受力特点

作为重要的桥系构成部分，桥面装铺的力学状态相对复杂。装铺层材料与桥面板间的材料基本性质，其差异通常比较大，一般水泥砼桥面板的模量往往高出防透水层或者沥混结构层的相关模量，其功能状态较公路路面或钢桥桥面均有所区别。埋管型化冰融雪系统的桥面装铺层因为加进不锈钢热力管网，对于桥面讲来相当于加进钢筋，提高整体桥面的力学功效。因为温水的特殊性，其水温只有10～15℃，温度相对比较低，内外温度差比较小，因而管网的温翘应力可以忽略，重点探究针对加进埋管后车轮载荷对埋管的力学影响作用，埋管的加进亦相当于起到对装铺层的加筋影响作用，因此在分析装铺层埋管受力状态时，模型整体的最不利荷位可以忽略，截取桥面装铺层的一部分开展计算分析。

1.2 桥面装铺层模型基本假设

假定桥面各混凝土结构层、沥混结构层装铺层、不锈钢管为各向同性、连续、均匀的弹塑性体。假设装铺层间视为连续状态，装铺层之与桥面板间亦视为连续状态，而且预埋装铺层的不锈钢热力管与装铺层间应力与应变彻底连续。装铺层的施工均视为桥梁主体完工后实施，分析时忽略沥混结构层装铺层和水泥砼桥面板重力的影响。忽略承台与桥墩的形变，只关注分析上部结构。

2 埋管型桥面装铺层模型的建立

2.1 有限元模型的建立

本研究借助通用大型ABAQUS有限元模拟计算系统建立数理计算模型，对装铺层埋管的应力状态开展分析。在桥面装铺模拟计算中，须充分考虑边界条件的影响，也要注意载荷影响区域及计算精确度，选取桥面板3m×3m×0.38m规格开展计算，自下而上依次为桥面板、不锈钢管子、沥青面层，因为管体为主要分析对象，故对防水黏结层的影响作用选择忽略。桥梁下部结构不予考虑。桥面装铺结构的宽度方向系相对有限的层状结构、水平方向则为整桥。

（1）载荷作用模型：模拟分析计算时，载荷选用BZZ-100规范轴载，取0.70MPa轮压力，取32.0cm轮中距，取轴重100kN。以两个矩形均布载荷结构简化双轮载荷。为便于模型划分与计算，横向两矩形的规格为18cm，纵向规格为20cm，对两个矩形的边缘则取间距12cm。横桥面方向为x方向，顺桥面方向为y方向，垂直于桥面方向为z方向。装铺层底面不存在z向移位，垂直于x方向的左右两面不存在x向移位，前后垂直于y方向的两面不存在y向的移位。

（2）单元与网络划分：水泥砼装铺层、不锈钢管和沥青复合料装铺层均选用C3D8R实体6面体单元。其网络划分选用等距划分，而且采取局部加密，在不锈钢管及车辆载荷周围采取比较细的网络，其它地方网络比较大。

2.2 重点计算参数确定

桥面装铺结构计算参数具体见表1所示。

表1 路面结构参数

桥面装铺发挥避免雨水侵蚀、保护车辆道板、分散集中载荷、一同与桥梁主体承担弯矩功效。实际工程中经常使用的装铺样型主要为沥青、水泥或者混合型装铺。沥混装铺层的常见病害表现为装铺层发生空脱起皮及层间剪切破坏。

参考桥面材料的热力学分析成果和热导常数，本部分主要探究在装铺层总厚度不变的状态下，不同的混合型装铺方案在考虑水平力常数的标准载荷及标准静载影响下的层间剪力影响。桥面装铺层初始设计方案为：水泥砼结构层（8cm）+沥混结构层（10cm），混合型装铺组合方案具体见表2所示。

表2 装铺结构层不同组合

3 不同装铺层方案对装铺层间应力的影响

3.1 标准载荷BZZ-100对桥面不同装铺结构应力分析

在标准载荷BZZ-100，即轮压0.7MPa，轴重100kN的影响下，不同装铺组合下的水泥砼结构层与沥混结构层间的最大剪应力状态具体见表3所示。

表3 不同装铺方案静载下的层间剪应力最大值

计算结果揭示，装铺层整体厚度保持不变，伴随水泥砼结构层厚度的加大，在忽略水平力的静载条件下，沥混结构层厚度的降低，不同的装铺层结构的层间剪力逐步降低。沥混结构层装铺厚度由4cm加增至10cm，黏结层间及沥混结构层的纵向剪应力加大47.5%。此由于装铺层加大了沥青层厚度，因为是忽略水平力的影响作用，相对于水泥砼的刚性，沥青路面的刚性相对偏小，在静载影响下，层间最大剪应力是沥青层厚度越大则对应越大，与力学原理相符合。不过在静载影响下，0.08411～0.1241MPa区间，为沥混结构层与水泥砼结构层间的最大剪应力变动区间，变化区域比较小。

3.2 考虑水平力常数的标准载荷对桥面不同装铺结构应力分析

纵坡桥面坡率变化对桥面装铺层间存在应力影响，并且行驶过程中车辆频繁的启动、加速、减速和刹车，水平力常数f因此而一定程度加大，产生比较大的层间剪应力。我们知道，桥面装铺结构在车辆启动刹车过程中领受的切向层间剪应力，相较常规状态存在数倍加大，故车行状况对装铺层的受力状况有比较大影响。在此选用水平力常数f来模拟装铺层间应力来自车辆行间制动的影响。

为分析桥面不同装铺结构的层间应力缘于车辆制动的影响，本研究的水平力常数f取为0.5开展计算探究。实验计算揭示，考虑(f=0.5)水平力常数的标准载荷，保持装铺的总厚度恒定，沥混结构层厚度伴随水泥砼结构层的厚度加大而相应降低，不同装铺组合的层间剪应力逐步加大。沥混结构层装铺厚度由10cm降低至4cm，黏结层及沥混结构层装铺间的纵向剪应力发生21.3%的加大。此由于沥青层厚度降低，由于水平力影响，纵向桥梁的层间剪应力有所加大，此时该纵向剪应力起主导作用，层间影响相对较大。0.2684～0.3257MPa区间，为水泥砼结构层与沥混结构层间的最大剪应力波动区间，与方案一相比，方案四的最大纵向剪应力增加了14.3%，选择应用此方案就须对层间应力状态给予必要强化治理，以抵御因为沥青层的减薄而引发剪应力层间加大。

上述力学分析揭示，在保持装铺层总厚度不变的前提下，伴随装铺沥青层厚度加增，水泥砼结构层厚度的降低，在正常的车辆载荷作用情况下，沥混结构层装铺层与水泥砼面板间总体应力呈现为降低趋势。从此个意义上讲来，越大的沥青装铺层厚度越好，但是因为桥面化冰融雪的特殊性，的沥青装铺层过厚一是不经济；二是因为沥混结构层的热导性低于水泥砼的热导性，会影响融雪的功效；三是沥青层假如比较厚，就要在沥青层内部埋管，扰动性在桥面压碾施工中比较大，亦许还会压坏管网。故需要基于多种约束，寻求化冰融雪特殊桥面的装铺层的最优厚度与结构组合。

综合前述分析成果，参考施工、层间作用力、车载要素、热导融雪功效、经济的多方面要素，建议水泥砼桥面沥青装铺层为5cm厚度，设置13cm厚的防水混凝土层。

4 结语

本研究阐述了埋管型桥面装铺层结构受力特点，并以有限元模拟计算的方式，分析了BZZ-100标准载荷和考虑水平力常数的标准载荷对埋管型化冰融雪系统的桥面装铺结构的影响状态。计算分析揭示，在保持装铺层总厚度不变的前提下，伴随装铺沥青层厚度加增，水泥砼结构层厚度的降低，在正常的车辆载荷作用情况下，沥混结构层装铺层与水泥砼面板间总体应力呈现为降低趋势。案例水泥砼桥面沥青装铺层和防水砼层分别以5cm和13cm厚度设计为宜。