基于ABAQUS的水泥混凝土桥面薄层铺装体系关键技术研究

张易辰 尹文华 张业茂 张洪涛 王海峰

（1.宁夏公路勘察设计院有限责任公司,宁夏 银川 750001；2.南京工程学院,江苏 南京 211167；3.宁夏公路管理中心,宁夏 银川 750001；4.宁夏公路数字信息化工程技术研究中心,宁夏 银川 750001)

在公路工程建设当中，桥梁是重要的组成部分。目前江苏省部分公路中桥梁总长占路面总长的10%～15%，桥梁的质量对于整个公路的使用都具有十分重要的影响。此外，桥面铺装层是桥梁重要的功能性结构，一方面，它直接承受着行车荷载的作用，影响着行车舒适性、安全性；另一方面，桥面铺装层能够防止雨水下渗对桥梁主体结构形成腐蚀，承担着重要的保护作用[1]。因此，铺装层性能的优劣，将直接影响到整个桥面的运营质量、服务水平与桥梁使用寿命。水泥混凝土桥梁是国内常见的公路桥梁形式之一，对于其上部铺装层而言，沥青铺装层由于性能好、噪声小、行车舒适度高等优点而得到了广泛的应用，如果说桥梁结构是桥梁的“形体”，那么桥面铺装即是桥梁的“脸面”。然而，从国内已建成通车运营的桥面使用状况来看，水泥混凝土桥面沥青铺装层普遍出现了一系列病害，如车辙、推移、拥包、坑槽等[2]。

1 水泥混凝土桥面环保型薄层沥青铺装性能指标

本次水泥混凝土桥面薄层沥青铺装结构方案设计中，将防水黏结层层间抗剪强度、层间黏结强度作为桥面铺装体系性能的主要控制指标。

1.1 层间抗剪强度

对于水泥混凝土薄层沥青铺装体系设计而言，若通过试验测得长期老化后的铺装层间的极限抗剪强度并要求不小于层间最大剪应力则可以控制桥面在长期运营后铺装层间不发生剪切失效。对于水泥混凝土桥面薄层沥青铺装体系，若控制整个使用周期内沥青铺装结构层间不发生剪切失效，则防水黏结层材料抗剪强度应满足以下要求：

1.2 层间黏结强度

对于水泥混凝土桥面薄层沥青铺装体系设计，若通过试验测得长期老化后的铺装层间的黏结强度，并要求不小于层间竖向最大拉应力则可以控制桥面在长期运营后铺装层间不发生黏结失效[3]。对于水泥混凝土桥面薄层沥青铺装体系而言，若控制整个使用周期内沥青铺装结构层 间不发生黏结失效，则防水黏结层材料抗拉强度应满足以下要求：

1.3 室内指标与现场检测指标间的关系研究

通过对前期室内附着力拉拔试验与复合件拉拔试验数据进行分析，得到如表1所示的室内试验对比结果。需要说明的是，两种试验的撒布量均采用最佳撒布量 0.8 kg/m2。

表1 室内对比试验结果汇总(MPa)

通过对以上数据进行线性回归，得到附着力拉拔仪测得的黏结强度与复合件拉拔试验测得的强度，如图1所示。附着力拉拔强度与复合件拉拔强度关系，如表1所示。

图1 附着力拉拔强度与复合件拉拔强度关系图（0.8 kg/m2）

2 水泥混凝土桥面薄层沥青铺装体系黏弹性力学响应研究

ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，可以模拟典型工程材料的性能，广泛应用于桥梁设计时三维仿真模型中。以下将基于ABAQUS进行水泥混凝土桥面薄层铺装体系关键技术的探讨。

2.1 有限元模型建立

2.1.1 基本假设

（1）假定水泥混凝土桥面板为大刚度、均匀的、各向同性的弹性半空间体。

（2）假设沥青铺装层材料为各向同性、均匀的黏弹性体。

（3）假设沥青层、防水黏结层与桥面板彼此之间为黏结滑移状态。

（4）桥面铺装层为满足与梁板的协同作用，仅承受活载作用下由于自身协同水泥混凝土桥面环保型薄层沥青铺装体系研究变形所产生的应力应变，忽略施工条件等人为因素的影响。

（5）在进行数值模拟时，主要考虑铺装体系内部的受力情况，桥墩与承台的变形不在考虑范围内[4]。

2.1.2 模型设置与荷载形式

（1）模型设置

桥面铺装体系分为水泥桥面、防水黏结层、沥青铺装层三层，其中模拟本次计算采用的模型桥梁为双向四车道，单车道宽度为 3.75 m，算上桥面分隔带、养护专用道、栏杆宽度与硬路肩在内，桥面对称一幅双车道宽度为 9.0 m。桥梁模型采用简支T形梁，主要参数如表2所示。

表2 简支T形梁桥主要尺寸参数

（2）荷载形式

计算中车辆荷载速度取60 km/h，则荷载作用时间T取为0.076 s，分析时段取为0.2 s（见图2）。

图2 车辆动荷载时程变化曲线

大车辆在正常行驶时，水平力按竖向力 乘以0.7的系数进行计算最为合适。在荷载设置中将超载系数设为50%，以考察超载情况对桥面铺装体系力学性能的影响。

2.1.3 最不利荷载位置分析

（1）横向最不利位置

桥梁设计为双向四车道，包括桥面分隔带、养护专用道、栏杆宽度在内，对称一幅宽度设置为9.0 m。桥面上一个行车道的宽度为3.75 m，为了分析车辆的横向布置对桥面铺装层受力的影响，找到在相邻行车道间潜在的横向最不利位置，并考虑桥面车辆行驶的实际情况，在此选择1 m为分析步长，从距边缘0.5 m处开始向中间移动，荷载分别布置荷位1、荷位2、荷位3、荷位4，荷位5、荷位6，具体布置如图3所示。

图3 车辆的横向荷位布置图（左幅桥面）

表3 横向荷位的变化对沥青铺装层的应力应变的影响

（2）纵向最不利位置

分析桥梁纵向不利荷位，是在横向位置确定的基础上，沿桥梁纵向分别在桥墩支点荷位8、荷位9、荷位10、荷位11，具体的布置位置如图4所示，通过计算分析沥青混凝土面层的应力、应变规律。

图4 ABAQUS 模型中纵向最不利荷载分段施加

对沥青铺装层的最大主应力、最大横向拉应力、最大纵向拉应力、最大横向拉应变、最大纵向拉应变分别计算，得到纵向荷位变化对沥青铺装层的应力应变的影响情况，如表4所示。

表4 纵向荷位的变化对沥青铺装层的应力应变的影响

对简支T形梁桥面铺装层纵向最不利荷位的分析可知，沥青混凝土面层最大横、纵向拉应力都出现在荷位10处，所以选择桥梁纵向3/8跨处作为纵向最不利荷载位置。

（3）最不利位置确定

以9 m一幅桥面宽度、20 m跨径的简支T形梁桥为例，由前文分析可知，横向最不利位置位于荷载中心距桥边界1.4 m 处；纵向最不利位置位于桥梁纵向3/8跨处。因此，可将计算力学指标考察的最不利位置定位于两处交叉处。

2.2 沥青铺装体系动力响应计算方案

在分别确定简支T形梁桥的最不利位置后，将铺装层厚度、铺装层材料温度、车辆荷载进行正交组合，得到水泥混凝土桥面沥青铺装层力学响应计算方案[5]，如表5所示。

表5 沥青铺装体系力学响应计算方案

2.3 沥青铺装体系动力响应结果分析

2.3.1 沥青铺装层最大横向拉应力

各工况下沥青铺装层最大横向拉应力随沥青铺装层厚度、温度条件的变化情况如图5所示，其中车辆荷载包括常载与超载50%两种情况。

图5 沥青铺装层内最大横向拉应力变化情况

对超载下的计算结果进行回归，得到简支T形梁桥与连续箱梁桥沥青层内最大横向拉应力与铺装层厚度统计回归关系，如图6所示。

图6 沥青铺装层厚度与层内最大横向拉应力统计回归图

针对不同沥青铺装层厚度、不同温度条件下的水泥混凝土桥面沥青铺装体系，应要求沥青铺装层材料的抗拉强度满足。其中，沥青铺装层最大横向拉应力y满足与铺装层厚度x的统计回归关系。当铺装层沥青混合料的抗拉强度小于这个限度时，桥面铺装层就容易产生荷载型裂缝[6]。

2.3.2 防水黏结层间最大剪应力

各工况下防水黏结层间最大剪应力 随沥青铺装层厚度、温度条件的变化情况（见图8、图9），其中车辆荷载包括常载与超载 50%两种情况。

图7 防水黏结层间最大剪应力变化情况

图8 防水黏结层间最大剪应力与铺装层厚度统计回归

针对不同沥青铺装层厚度、不同温度条件下的水泥混凝土桥面沥青铺装体系，应要求防水黏结层间抗剪强度满足，其中最大剪应力y满足与铺装层厚度x的统计回归关系。当防水黏结层的层间抗剪强度小于该限度时，在车辆作用下层间就容易发生相对滑移引起剪切破坏。

2.3.3 防水黏结层间最大竖向拉应力

各工况下防水黏结层间最大竖向拉应力 随沥青铺装层厚度、温度条件的变化情况（见图9、图10），其中车辆荷载包括常载与超载50%两种情况。

图9 防水黏结层间最大竖向拉应力变化情况

图10 防水黏结层间最大竖向拉应力与铺装厚度的统计回归

针对不同沥青铺装层厚度、不同温度条件下的水泥混凝土桥面沥青铺装体系，应要求防水黏结层的层间黏结强度满足，其中黏结层间最大竖向拉应力y应满足与铺装层厚度x的回归关系。

综上，根据水泥混凝土桥面沥青铺装体系动力响应分析结果，提出水泥混凝土桥面薄层铺装体系的力学指标要求，如表6所示。

表6 水泥混凝土桥桥面薄层铺装体系力学指标要求

3 铺装方案设计流程

3.1 基础资料搜集

调查、搜集桥梁所在地区的地质水文条件、气候特征、降水量等基础资料，包括当地常用的铺装层材料类型，同时确定桥梁在路网中的位置和地位，并重点对桥梁所衔接的公路路面结构形式进行调查。

3.2 桥面铺装结构初拟

基于层间力学强度指标对铺装层厚度的要求，结合桥梁设计参数及水泥桥面板界面处理水平，初步拟定水泥混凝土桥面沥青铺装结构和厚度方案。

3.3 铺装层原材料检测、配合比设计及路用性能试验

对水泥混凝土桥面沥青铺装层原材料（沥青、集料）进行室内指标检测，当检测结果不满足要求时，应重新选择材料，直至检测结果满足要求，所测结果应满足相应技术规范的要求。

3.4 防水黏结层材料初选及原材料检测

在遵循方案选择原则的前提下，按照桥面铺装体系力学指标标准的要求，对几种防水黏结层材料进行初选，并对进行比选的防水黏结层材料指标（物化性能、力学性能）进行检测，所测结果应满足相应技术规范的要求，在此基础上进行开展铺装体系结构性能试验。

3.5 桥面薄层沥青铺装结构性能试验

本部分包括两部分内容：（1）开展模拟薄层桥面铺装结构的复合试件室内试验，得到防水黏结层材料的层间抗剪强度、黏结强度，并基于试验结果确定防水黏结层材料的最佳撒布量，为桥面铺装结构的现场实施提供数据支持；（2）进行模拟桥面运行环境的加速老化试验，通过室内试验得到老化后的防水黏结层的层间抗剪强度、黏结强度。

3.6 桥面铺装结构确定

验算各设计强度指标是否满足铺装结构设计指标要求，若不能满足，则需要调整铺装结构组合、更换强度更好的结构层、更换材料或配合比；重新试验确定各项设计参数，再进行验算，直到各设计指标同时满足要求为止，最终确定桥面铺装体系结构参数[7]。

4 设计实例

4.1 资料收集及桥面铺装结构初拟

实体工程在交通量上属于中交通，所处地区位于亚热带季风性湿润气候区，1月平均气温为3.5 ℃，极端最低气温-9.8 ℃；7月平均气温为28.2 ℃，极端最高气温可达38～40 ℃；年平均降水量1 063 mm，全年降水量多集中在4月—9月。选择SMA-13作为铺装层材料进行混合料设计，考虑到依托工程水泥桥面板处理水平，拟定桥面沥青铺装层厚度为 5 cm。

经室内目标配合比设计，得到最佳沥青用量为5.6%，根据实践经验、气候条件、交通情况，最佳沥青用量可适当调整。配合比为1#∶2#∶4#∶矿粉=36%∶42%∶12%∶10%，聚丙烯腈纤维内掺量为沥青混合料的2‰，通过浸水马歇尔试验验证抗水损害性能满足设计要求，试验结果如表7所示。

表7 浸水马歇尔稳定度试验结果

4.2 铺装层沥青混合料路用性能试验

4.2.1 高温车辙试验

与沥青路面相比，桥面铺装层的厚度较小，与水泥混凝土板的黏结能力差，从而更容易产生病害。因此，对于桥面铺装层的高温稳定性的要求比正常路段沥青面层要高[8]。

沥青混合料的高温性能主要受最大公称粒径、级配、沥青种类、沥青用量和添加剂等多种因素影响，从表8可以看出，改性沥青SMA-13混合料的动稳定度达到5 601次/mm，显著高于技术规范要求。

表8 高温车辙试验结果

4.2.2 低温弯曲试验

对改性沥青SMA-13混合料进行温度10 ℃，速率50 mm/min的条件下的低温弯曲试验，试件分4个平行试件，试验结果见表9。

表9 低温弯曲试验结果

从表10的试验结果可以看出，改性沥青SMA-13混合料具有良好的低温抗裂性能，满足规范技术要求。

4.3 设计指标验证及铺装结构确定

通过对桥面薄层沥青铺装体系结构性能试验结果进行整理，分别对各类防水黏结层材料的设计指标进行验证，结果如表10所示。

表10 设计指标试验验证结果

由表10可以看出，水性环氧防水黏结层材料的抗剪强度、抗拉强度、老化后抗剪强度、老化后抗拉强度均分别满足水泥混凝土桥面薄层铺装体系力学指标要求，因此确定其为水泥混凝土桥面薄层沥青铺装的防水黏结层材料类型。

通过上述一系列铺装方案设计流程，确定水泥混凝土桥面环保型薄层沥青铺装结构方案如图11所示。

图11 水泥混凝土桥面薄层沥青铺装结构方案

5 结语

文章依托某实体工程[9-10]，进行基于ABAQUS的混凝土桥面薄层铺装设计理论与方法研究，主要结论如下：

（1）提出将防水黏结层间黏结强度、抗剪强度作为桥面铺装体系性能的主要控制指标，解决混凝土桥面薄层铺装环保型沥青材料选型问题。

（2）对简支T形梁桥的最不利位置进行考察，结果表明，以9 m 半幅宽度、20 m跨径的简支T形梁桥为例，横向位于荷载中心距离桥边界1.4 m处，纵向位于桥梁纵向3/8跨处。

（3）通过黏弹性力学响应计算，得到铺装层最大横向拉应力、防水黏结层间最大剪应力与最大竖向拉应力，分别表征铺装层材料的抗拉强度、防水黏结层材料的抗剪强度与黏结强度。

（4）提出混凝土桥面薄层铺装方案设计流程，并依托某实体工程选择SMA13作为铺装层材料进行混合料设计，拟定桥面沥青铺装层厚度为5 cm。通过铺装层沥青混合料路用性能试验确定水泥混凝土桥面环保型薄层沥青铺装结构方案。