环境温度下钢桥面铺装结构脱层扩展机理分析

王守松 郑占裁

1.泉州信息工程学院 福建泉州 362000；2.福建润安建设工程有限公司 福建福州 350000

脱层破坏是粘结层破坏的常见的形式，从出现脱层到出现大面积的脱层需要一个发展的过程。目前，对钢桥面铺装的破坏研究，据文献查阅，只有关于铺装层疲劳裂缝扩展的研究[1]。在其他学科领域，关于脱层的研究主要是研究复合材料结构的脱层。在现实中，钢桥面铺装结构脱层的扩展受多方面因素的影响，包括车载和环境气候条件等相互作用的结果[2]。在高温作用下，钢桥面铺装的材料性能会出现退化，粘结层的粘结强度变弱，更容易导致粘结层的脱层破坏。本文将针对环境高温下铺装体系脱层扩展的情况进行分析。

1 有限元模拟

关于脱层破坏的实现方法，在ANSYS软件中主要是采用生死单元进行模拟，在单元选择上，对于简化成二维的模型一般采用弹簧单元，对于大面积接触的三维模型采用接触单元。[3]本文的研究是钢桥面铺装粘结层的脱层扩展研究，属于有大面积接触的三维模型，所以本文采用ANSYS的接触单元来模拟粘结层，通过杀死摩擦应力大于一定值的接触单元来模拟脱层。在模拟计算过程中，设定一个粘结层破坏的层间接触应力极限值，但接触单元内的温度应力大于应力极限值时单元将会被杀死，然后进入下一阶段的计算，通过多次计算及杀死相应的单元来模拟脱层扩展的情况。表1为本文研究模型采用的基本参数。

表1 模型基本参数

2 脱层扩展模拟

基于郑玉芳、王守松[4]在界面脱层的钢桥面铺装结构温度应力分析中对几种界面脱层形式的模拟。本文将针对完全粘结、贯穿脱层、间隔脱层和旁边脱层等不同脱层形式，在环境高温荷载下进行脱层扩展的模拟研究。

2.1 完全粘结脱层扩展

图1表示完全粘结情况下进行多次脱层扩展的图示，图中红色部分表示完全粘结，蓝色表示脱层。在a（完全粘结）情况下通过ANSYS软件中进行第一次模型计算，选出层间接触应力大于设定极限值的接触单元进行杀死后得到b的脱层情况，相当于在完全粘结情况下经过一段时间高温荷载的作用，钢桥面铺装产生脱层，脱层的情况如b图示。b→d的情况依此类推。表2列出了铺装结构在脱层的各个程度下的最大正应力和最大剪应力。

表2 铺装层最大正应力及最大剪应力

图1 完全粘结脱层扩展

通过统计每次模拟时摩擦应力超过极限应力的单元数，来分析拓展扩展的速度。从a→b过程，超过极限应力的单元数为500，占粘结层所有单元的5%；b→c过程，脱层单元数量为688个，占总粘结单元数的7.2%；c→d过程，脱层单元数为697个，脱层单元占总粘结单元数为7.9%。总体来看在高温荷载下脱层扩展的的速率比较均衡，属于稳步扩展。

从应力上分析，铺装层的最大正应力的变化不大，说明完全粘结下的脱层对铺装层的最大正应力的影响小，可以忽略。铺装层表面和底面的最大剪应力随脱层扩展出现增大。

2.2 贯穿脱层扩展

图2所示为桥面铺装初始处在贯穿脱层状态下的脱层扩展情况。表3给出了贯穿脱层扩展各阶段的铺装层最大正应力和最大剪应力。

图2 贯穿脱层扩展

表3 铺装层的最大正应力及最大剪应力

从a→b过程，超过极限应力的单元数为560，占粘结层所有单元的6.5%；b→c过程，脱层单元数量为732个，占总粘结单元数的7.8%；c→d过程，脱层单元数为703个，脱层单元占总粘结单元数为8.1%。总体来看在高温荷载下脱层扩展的的速率比较均衡，属于稳步扩展，扩展的速率大于完全粘结下的扩展速率。

从应力上分析，铺装层表面的横向和纵向最大正应力受脱层破坏影响小，铺装层底面的横向最大正应力受到的影响较小，铺装层底面的纵向最大正应力由于贯穿脱层的出现，有较大的变化，随着脱层的扩展，铺装层底面的纵向最大正应力逐渐减小[3-5]。

2.3 间隔脱层扩展

图3所示为间隔脱层情况下的脱层扩展情况。表4列出了间隔脱层扩展在各扩展阶段时的铺装层最大正应力和最大剪应力。

表4 铺装层最大正应力及最大剪应力

图3 间隔脱层扩展

从a→b，超过极限应力的单元数为698，占粘结总单元数的7.3%；b→c，脱层单元数量为794个，占总粘结单元数的8.1%；c→d，脱层单元数为786个，脱层单元占总粘结单元数为9%。总体来看，在高温荷载下脱层扩展的的速率比较均衡，属于稳步扩展，扩展的速率大于完全粘结下的扩展速率。

从应力上分析，间隔脱层扩展对铺装层表面的最大正应力的影响小，可以忽略。铺装层底面的纵向最大正应力由于脱层的出现，有较大的变化。随着脱层的扩展，铺装层表面和底面的最大剪应力都出现增大的情况。

3 结语

本章借助ANSYS的生死单元，对超过一定摩擦应力值的单元进行杀死，通过对生死单元命令的循环利用模拟脱层扩展。主要分析了完全粘结及在不同的脱层形式下（贯穿脱层、间隔脱层和旁边脱层）的脱层扩展速率及应力分析。

在温度荷载作用下，钢桥面铺装的脱层扩展开始于粘结层的边界以及初始脱层的边界，从边界向内扩展，脱层扩展的速度均匀。其中间隔脱层扩展的速度最快，相对来说完全粘结时的脱层扩展较慢。