合六叶公路桥不等厚结构对铺装碾压质量的影响

杜江波

(中铁五局集团华南工程有限责任公司 东莞市 523160)

0 引言

钢桥面铺装是钢箱梁桥的重要组成结构之一，其不仅为交通车辆提供平整且抗滑性好的行车表面，同时也保护钢桥面板免受外界环境的侵蚀作用[1]。对钢桥面铺装的关键施工过程进行分析和把控，是保证铺装结构性能的关键[2-3]。为减轻自重和节约成本，合六叶公路桥创新性地采用了不等厚桥面顶板的特殊设计，这对铺装结构的施工，尤其是碾压作业提出了更高的要求。为精准把控合六叶公路桥不等厚铺装的施工质量，需对碾压作业时混合料的受力情况进行细部力学分析。拟结合建模软件FLAC，在离散元分析软件PFC3D中建立细部模型，对不等厚过渡区铺装结构的碾压施工进行仿真分析，为实际施工提供指导意见。

1 工程概况

合六叶公路桥属于大跨径连续钢箱梁桥，主桥采用100m+180m+100m的变截面连续钢箱梁方案，其主跨跨径达到了180m，居全国第二。合六叶公路桥由四座分桥组成，沿河道由上游至下游依次编号为1#～4#桥，其中1#与4#桥各设有一条行车道，2#与3#桥各设有三条行车道，整桥采用了双向八车道方案，并以一级公路的标准建设，桥梁横桥向布置图如图1所示。

图1 合六叶公路桥横桥向布置

为减轻桥梁自重和降低建设成本，合六叶公路桥的钢箱梁不仅采用了常规的变截面箱梁结构，还采用了变截面顶层钢板的不等厚结构，整桥沿纵桥向共有16处不等厚过渡区，过渡形式为1∶8的线性斜坡。合六叶公路桥采用了“双层EA”的铺装体系，为适应不等厚钢板的结构形式，铺装体系亦为不等厚结构，不等厚结构过渡形式如图2所示。

图2 合六叶公路桥不等厚过渡形式

在合六叶公路桥的铺装结构设计中，下层铺装与顶层钢板的厚度之和恒定为7.1cm，上层铺装的厚度恒定为2.5cm，铺装厚度与顶层钢板厚度之和为9.6cm，即控制不等厚结构只出现于下层铺装与顶层钢板，以此减轻不等厚顶层钢板设计对铺装结构性能的影响。因此，下层铺装的施工质量对合六叶公路桥铺装的整体性能存在着重要影响。

对于“双层EA”铺装体系，施工过程中的碾压作业是影响铺装结构整体服役性能的关键因素之一。针对合六叶公路桥特殊的不等厚结构设计，拟通过FLAC与PFC3D分析软件建立其不等厚过渡区的细部碾压模型，分析不同碾压遍数组合对下层铺装性能的影响。

2 细部模型的建立

为对合六叶公路桥不等厚铺装的碾压作业进行研究，首先采用PFC3D建立沥青混合料和压路机轮的仿真模型，采用FLAC建立顶层钢板模型，最后在PFC3D中对不等厚铺装结构碾压的最佳工序组合进行分析，所采用的离散元模型如图3所示。

图3 不等厚铺装结构的离散元模型

本研究设定压路机轮的轮半径为60mm，宽40mm，采用接触刚度模型表征压路机轮与环氧沥青混合料之间的接触，压路机轮与混合料颗粒的接触摩擦系数设为0.15。参考已有的研究[4]，本研究将粒径小于2.36mm的混合料简化为沥青砂浆，并按照油石比、目标空隙率与生产级配，计算不同粒径混合料颗粒的数量，合六叶公路桥铺装的生产设计级配如表1所示，模型中各种尺寸颗粒的数量如表2所示。采用微观参数验算法设定Burgers模型与平行粘结模型表征合六叶环氧沥青混合料的材料性质[5]，其参数如表3所示。

表1 合六叶公路桥EA-10生产配合比级配

表2 模型中各粒径尺寸颗粒的数量

表3 环氧沥青混合料的材料性质

桥面铺装模型的边界尺寸设为200mm×71mm×50mm，其中顶层钢板与下层铺装厚度之和为7.1cm，并在模型纵向的中部设置1∶8的斜坡以模拟合六叶公路桥的不等厚结构，顶层钢板的材料参数如表4所示。

表4 钢桥面板的材料参数

考虑到钢桥面铺装碾压作业不允许采用振动压实，且需限制钢轮压路机的质量不得过大，即对于钢桥面铺装施工，钢轮碾压工序的控制更为重要；同时，为降低模型的计算难度，提高仿真效率，对碾压荷载的作用形式进行简化处理，即采用单一钢轮荷载静压的方式进行模拟，并通过伺服系统控制竖向压力为100N/cm2。参考合六叶公路桥施工技术指南与常规钢桥面铺装碾压作业经验，设定碾压仿真参数如表5所示。

表5 碾压作业参数

3 细部力学分析

首先对表5所述的碾压参数进行验证，通过提取每次碾压后过渡斜坡两侧区域混合料颗粒的单次下降量，汇总制成单次碾压下降量与累计碾压下降量的趋势图，如图4所示。

图4 单次碾压厚度下降量与累计碾压厚度下降量

如图4所示，在碾压作业的三个阶段中，初压阶段混合料厚度的单次碾压下降量最大，之后单次碾压下降量随碾压遍数的增加而逐渐降低；混合料的累计碾压厚度下降量在初压阶段的下降幅度最大，随着碾压遍数的增加，混合料累计碾压厚度的下降趋势逐渐放缓，并在终压阶段稳定，符合钢桥面铺装的实际碾压效果，即本模型可以较好地模拟钢桥面铺装的碾压作业。

合六叶公路桥不等厚过渡区的铺装可基于厚度大小分为三部分，即厚度较薄的一侧、过渡斜坡和厚度较厚的一侧，本节记下铺装层厚度从高到低为碾压方向a，相反则为碾压方向b，如图5所示。

图5 不等厚铺装的碾压方向示意图

为进一步分析不等厚结构对合六叶公路桥下层铺装应力响应的影响，提取碾压作业时混合料颗粒在三维方向上的平均应力张量，以此定量分析不等厚结构对碾压过程的影响，各计算区域的选择如图5中方框所示，平均应力张量的计算如式(1)所示，汇总结果如图6所示。

(1)

式中，σij代表在混合料体积V上的应力张量。

图6 环氧沥青混合料的平均应力

如图6所示，在碾压过程中，不等厚过渡区与附近区域混合料的应力响应存在显著差异。3号区域混合料的平均应力远大于其他区域，这说明不等厚过渡区较薄一端的混合料在碾压作业中的受力状态最差，应结合现场情况适当减少其碾压遍数，避免发生过压造成混合料中的集料发生破碎；3号与4号区域混合料在三个方向上的平均应力均明显大于其他区域，这说明不等厚过渡区的混合料在碾压中更容易出现过压，应当控制压路机避免在不等厚过渡区上方长时间静止停留；1号与2号区域的平均应力大于5号与6号区域，这是因为5号与6号区域混合料的厚度更大，能相对更好地分散压路机的碾压作用，因此应严格控制不等厚过渡区的碾压作业，避免由于过压或压路机的长时间停留而影响铺装性能。

4 结论

为保证合六叶公路桥不等厚铺装的施工质量，基于PFC3D离散元软件，模拟分析了不等厚铺装的碾压作业，得到以下结论：

(1)在初压阶段与复压阶段，环氧沥青混合料的厚度下降量较显著，而在终压阶段，混合料的厚度基本无变化，因此应当严格把控碾压作业的初压与复压工序，以保证施工质量。

(2)在碾压过程中，不等厚过渡区的混合料受力明显大于其他区域，特别是不等厚过渡区铺装较薄的一侧，其受力状态最差，应控制压路机不在此区域长时间静止停留，以避免混合料出现过压或破坏。

(3)铺装厚度越大，碾压作业所引起的力学响应相对越小，即混合料越不易压实。对于合六叶公路桥的不等厚铺装结构，应当结合现场实际，灵活调整碾压遍数与速度等参数，保证各区域混合料的碾压质量。