水泥混凝土橋瀝青鋪裝層病害成因有限元分析

1、水泥混凝土橋瀝青鋪裝層病害成因有限元分析陳太泉武漢理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院,武漢 (430070E-mail :摘 要:近年來 , 隨著我國公路橋梁建設(shè)的快速發(fā)展 , 橋面鋪裝發(fā)生早期病害的問題已引起重 視。為解決此類問題,了解病害的原因是非常必要的。本文采用有限元分析模型,對橋面鋪 裝的剪切破壞和開裂破壞原因進行了計算分析。 分析中充分考慮鋪裝層內(nèi)部因素和外部因素 的影響, 模擬了實際情況中的各種工況, 最終找出了引起橋面鋪裝層剪切破壞和開裂破壞的 根本原因。分析結(jié)果對鋪裝層的設(shè)計和施工有一定的借鑒意義。關(guān)鍵詞:瀝青鋪裝層,病害成因,剪切破壞,開裂破壞,有限元1. 引言橋面鋪裝層是橋梁結(jié)構(gòu)的重

2、要組成部分, 其直接受車輪作用, 防止車輪輪胎直接磨耗行 車道板、 保護主梁免受雨水侵蝕、 并對車輛輪重的集中起分布作用。 鋪裝層的質(zhì)量好壞和使 用耐久性直接影響到行車的安全性、舒適性、橋梁的耐久性及投資效益。近年來,隨著交通 流量和重型車輛的增加以及環(huán)境因素的影響, 橋面鋪裝損壞情況越來越嚴重。 有的橋梁在投 入營運后不久 , 鋪裝層上便出現(xiàn)了裂縫、擁包、車轍、碎裂、脫落等破壞現(xiàn)象。這不僅妨礙 了正常交通,影響了橋面的美觀,更易造成交通事故,所帶來的經(jīng)濟損失也是不可估量的。 橋面鋪裝病害已成為我國公路界普遍關(guān)注的問題 12。了解病害產(chǎn)生的原因是解決橋面鋪裝病害問題前提條件, 這是十分必要和迫

3、切的。 文獻 36都從鋪裝結(jié)構(gòu)受力特點、鋪裝材料性能、橋面鋪裝施工等幾個方面對橋面鋪裝病害原 因進行分析,然而,他們僅對病害原因作了比較籠統(tǒng)的定性描述或推斷。鑒此,本文利用有 限元分析軟件, 建立包含橋面鋪裝層及防水粘結(jié)層的橋梁實體, 模擬鋪裝層在各種條件下的 受力狀況, 結(jié)合計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)或已有實驗研究成果, 通過對比分析, 對鋪裝層病害原 因做進一步的分析和闡述,以期對其有更深一步的了解。2. 分析模型本文選取典型的 T 形梁橋和箱形梁橋, 實橋尺寸見表 1。 采用有限元程序空間實體建模, 建立的 T 形梁橋和箱形梁橋如圖 1、 2所示。其中,用 solid95 單元來模擬主梁混凝土、

4、用 link8單元來模擬預(yù)應(yīng)力鋼絞線、 用 solid65單元模擬鋪裝層及防水粘結(jié)層。 邊界條件為橋梁 兩端固結(jié),不考慮下部結(jié)構(gòu)。經(jīng)比較確定:網(wǎng)格密度最密劃分至 222cm,而連續(xù)梁遠離 負彎矩區(qū)劃分至 100cm 。表 1 橋梁參數(shù)橋梁形式 橫截面 跨徑 頂板厚 肋板T 形梁 5片梁共寬 12m 30m 0.08m 0.2m 1.52/0.2箱形梁 4片梁共寬 12m 30m 0.12m 0.23m 0.9/0.35 圖 1 T形梁橋有限元模型 圖 2 箱形梁橋有限元模型Fig1 T shape bridge finite element model Fig2 box shape bridg

5、e finite element model車輛荷載采用均布荷載, 荷載作用面積現(xiàn)行 公路工程技術(shù)規(guī)范 規(guī)定的輪胎接地形狀 由圓形面積等效轉(zhuǎn)換成 0.2 m0.6 m矩形面積,保持兩輪中心間距 1.8m 不變。在不考慮超 載情況下,取汽-超 20后軸重 140KN ,為了保持和現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計規(guī)范規(guī)定的胎壓 相同,取軸載沖擊系數(shù)為 1.2,輪胎接地壓強取 0.707MPa ,如圖 3: 圖 3 計算荷載圖示Fig3 Computation load chart3. 剪切破壞分析剪切破壞是瀝青混凝土橋面鋪裝層在行車荷載作用下的典型破壞形式, 常表現(xiàn)為擁包和 推移。 由于瀝青混凝土與混凝土橋梁結(jié)構(gòu)

6、在材料性能上的懸殊差異性, 以及防水粘結(jié)層的存 在, 瀝青混凝土與水泥混凝土橋面板層間因此成為整個橋面鋪裝體系中最薄弱的部位, 剪切 破壞頻繁在該層間發(fā)生。外界荷載在此部位產(chǎn)生的剪應(yīng)力與該層間的抗剪切強度的相對大 小,很大程度上決定了橋面鋪裝剪切破壞的發(fā)生與否。瀝青混凝土與水泥混凝土橋面板層間剪切應(yīng)力的大小與橋面鋪裝層內(nèi)部和外界條件密 切相關(guān)。鋪裝層模量、厚度、行車狀態(tài)(正常行駛、緩慢制動、加速減速、緊急制動、車 輛荷載對其均有不同程度的影響。 本文以下分析鋪裝層模量、 鋪裝層厚度、 行車狀態(tài)及超載 對鋪裝層剪切應(yīng)力的影響程度,找出使鋪裝層發(fā)生剪切破壞的主要因素。(1鋪裝層模量的影響瀝青混凝土

7、在常溫下為粘彈性材料, 瀝青混凝土模量隨溫度有較大變化。 同時瀝青混凝 土的模量也會隨混合料的級配、瀝青性能及各組成比例的不同有較大變化 57。針對瀝青 混凝土模量的一般變化范圍取 1000MPa 、 1200MPa 、 1400MPa 、 1600MPa 四個模量進行對比 分析。采用粘結(jié)層為連續(xù)體系的鋪裝層結(jié)構(gòu)分析模型,其中摩擦系數(shù) =0.05。計算結(jié)果見 圖 4?？梢?隨著模量的增加,層間剪應(yīng)力呈線性增加趨勢。鋪裝層模量從 1000MP 變化到 1600MP , T 形梁層間剪應(yīng)力相應(yīng)由 0.15898MP 增加到 0.15976MP ;箱形梁由 0.18012MP 增 加到 0.1818

8、7MP 。但是,這兩者增加的幅度都非常小,分別為 0.49%、 0.97%。因此,可以 認為鋪裝層模量的變化對剪應(yīng)力沒有影響。(2鋪裝層厚度的影響參考國內(nèi)外的橋面鋪裝厚度, 取值范圍為715cm 8。 計算假定層間完全連續(xù), 摩 擦系數(shù) =0.05。結(jié)果見圖 5。可見,隨著厚度的增加, T 形梁和箱形梁橋面鋪裝層間剪切應(yīng) 力的變化規(guī)律基本一致。厚度較小時,剪切應(yīng)力減小緩慢,隨后急劇下降。鋪裝層厚度從 7cm 變化到 15cm , T 形梁層間剪應(yīng)力相應(yīng)由 0.16188MP 減小至 0.13028MP ;變化幅度為 20 %;箱形梁由 0.18341MP 減小到 0.15278MP ,變化幅度

9、為 17%。影響較為明顯。 圖 4 鋪裝層模量對剪應(yīng)力影響 圖 5 鋪裝層厚度對剪應(yīng)力影響Fig4 module to shearing stress influence Fig5 Thickness to shearing stress influence (3行車狀態(tài)的影響車輛在行駛時, 由于加減速及制動, 車輪對路面有水平摩擦力作用。 此水平作用力可按 式 F=P 確定。式中 , 為摩擦系數(shù) , 與輪胎類型、路面狀況及車速有關(guān); P 為豎直壓力。一 般情況下車輛在瀝青路面正常行駛過程中 值為 0.010.05;緩慢制動過程中 值為 0.2; 制動或驅(qū)動過程中 值為 0.51.03, 4。

10、 針對不同的行車狀態(tài), 取摩擦系數(shù)為 =0.05、 =0.2、 =0.5、 =1.0。計算時設(shè)層間接觸為理想狀態(tài),即層間連續(xù),結(jié)果示于圖 6。由圖 6中可以 看出:T 形梁和箱形梁的層間剪切應(yīng)力在車輛正常行駛狀態(tài)下,分別為 0.15976MP 、 0.18187MP ;緩慢制動時,分別增至 0.19195MP 、 0.21556MP ;制動或驅(qū)動過程中,分別為 0.25632 MP0.37704 MP和 0.28294MP 0.39525MP 。車輛從正常行駛狀態(tài)到制動狀態(tài), T 形梁層間剪切應(yīng)力的增幅達 136%;箱形梁的層間剪切應(yīng)力的增幅達 117%?？梢?不同的 行車狀態(tài)對層間剪切應(yīng)力的

11、影響十分顯著。 圖 6 行車狀態(tài)對剪應(yīng)力影響Fig6 Driving condition to shearing stress influence 圖 7 超載對剪應(yīng)力影響Fig7 Overload to shearing stress influence(4超載作用的影響有調(diào)查 9表明:當前車輛超載的現(xiàn)象十分普遍,在一條公路上, 80KN 以上載重車約占 車輛總數(shù)的 10%30%,其中超載車約占重車的 30%70%,平均超載率為 50%70%, 最大超載率達到了 177%。采用粘結(jié)層為連續(xù)體系鋪裝層結(jié)構(gòu)分析模型, 荷載面積不變, 通過改變豎直壓力來分析 超載作用。豎直壓力分別取 0.707M

12、Pa、 0.88375MPa 、 1.0605MPa 、 1.414MPa 、即比較超載 25%、 50%、 100%情況下鋪裝層受力狀態(tài),其中摩擦系數(shù) 取 0.05,計算結(jié)果如圖 7所示。 可見,隨荷載的增加, T 形梁及箱形梁鋪裝層間的剪切應(yīng)力顯著增加,并呈現(xiàn)出明顯的線性 關(guān)系。超載 25%、 50%、 100%時,兩者的層間剪切應(yīng)力也相應(yīng)增加 25%、 50%、 100%。 這表明,超載作用對鋪裝層間的剪切應(yīng)力影響巨大。由以上分析可知, 鋪裝層的厚度、 行車狀態(tài)、 超載作用是引發(fā)橋面鋪裝剪切破壞的主要 因素。在實際情況中,這 3種因素往往非單獨存在,而是多者并存,共同作用的。它們之間 的

13、不同組合都將產(chǎn)生較大的層間剪切應(yīng)力, 若其超出橋面層間抗剪切強度, 鋪裝層將遭受可 能的破壞。 鑒此, 考慮這幾個因素的不同組和, 計算不同工況條件下鋪裝層間相應(yīng)的剪切應(yīng) 力,并與試驗所得防水粘結(jié)層的抗剪切強度相互比較,進一步探明剪切破壞原因。其中, 本文對鋪裝層厚度、 行車狀態(tài)、 超載作用這 3種引發(fā)破壞的主要因素取較為不利 的情況,即,鋪裝厚度 5cm 、行車狀態(tài)為制動或驅(qū)動(=1、超載 100%,將其進行不同 工況組合,具體如下:工況 1, 9cm 瀝青混凝土鋪裝層 +正常行駛 +標準車載;工況 2, 5cm 瀝青混凝土鋪裝層 +正常行駛 +標準車載;工況 3, 9cm 瀝青混凝土鋪裝層

14、 +正常行駛 +超載 100%; 工況 4, 9cm 瀝青混凝土鋪裝層 +制動或驅(qū)動 +標準車載;工況 5, 5cm 瀝青混凝土鋪 裝層 +制動或驅(qū)動 +超載 100%;防水粘結(jié)層抗剪實驗采用圖 8所示的實驗裝置, 加載裝置使試件的著力面與加載方向所 成角度為 40o , 試驗溫度考慮常溫和高溫情況,即 25 、 60 ,剪切速率 5mm/min,對抗剪 能力較好且目前較為常用的 SBS 防水粘結(jié)材料測試。各工況計算結(jié)果與粘結(jié)層抗剪實驗結(jié) 果匯總?cè)鐖D 9。 圖 8 剪切試驗示意圖 圖 9 計算和實驗結(jié)果Fig8 Shear test schematic drawing Fig9 Computa

15、tion and experimental result由圖 9可見,在高溫條件下,防水層的抗剪強度較弱,僅有 0.15MP 。除工況 1外,其余 工況所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力均大于防水材料的抗剪切強度。 這表明:在夏季, 普通車輛在薄瀝青 橋面上正常行駛、 超載車輛在一般橋面上正常行駛、 普通車輛在一般橋面上驅(qū)動或制動、 以 及超載車輛在薄瀝青橋面上驅(qū)動或制動時, 都會發(fā)生剪切破壞。 在常溫條件下, 除工況 5外, 其余工況所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力均小于防水材料的抗剪切強度。這表明:在春、秋季節(jié),橋面鋪 裝發(fā)生剪切破壞的幾率大大減小, 僅當超載車輛在薄瀝青橋面上驅(qū)動或制動時, 才會發(fā)生剪 切破壞。因此,在夏

16、季,瀝青鋪裝層較薄、汽車超載以及車輛在橋面上驅(qū)動或制動是橋面鋪 裝發(fā)生剪切破壞的原因; 非夏季時段, 橋面鋪裝發(fā)生剪切破壞的主要原因是超載車輛在薄瀝 青橋面上驅(qū)動或制動。4. 開裂破壞分析就應(yīng)變水平而言, 水泥混凝土橋梁的受力結(jié)構(gòu)是水泥混凝土構(gòu)件和橋面板, 其局部變形 本來是非常小的,瀝青鋪裝層不可能有大的應(yīng)變 12。為充分說明該問題,本文增加建立鋼 箱梁模型,并將其與前述 T 形梁橋模型進行比較分析,以明確水泥混凝土橋橋面鋪裝層的 受力、變形特性,進而得出水泥混凝土橋瀝青鋪裝層的應(yīng)變水平規(guī)律。其中,鋼箱梁計算寬 度 1.2m , “ U ” 形肋間距 32cm ,高度 26cm ,開口寬度 32cm ,厚度 8mm ,鋼面板厚度 12mm 。 水泥混凝土橋和鋼箱梁橋均取瀝青鋪裝層厚度 9cm ,模量 1600MP ,車輛荷載 0.707MP 。假 設(shè)鋪裝層與橋面板之間粘結(jié)良好,即為完全連續(xù)狀態(tài),計算得到的鋼箱梁橋及 T