簡支梁橋混凝土橋面鋪裝層應力分布的影響參數1)

王丕祥 郭環宇 劉云

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

混凝土橋面鋪裝層為橋梁結構的附屬結構，在長期的運營過程中，常出現磨損、剝離、露筋、裂縫等病害，更為嚴重的還會出現鼓包和橋面板與鋪裝層間滑移等破壞。這些病害不僅會影響車輛行車安全，還會造成較大的經濟損失[1-5]?；炷翗蛎驿佈b，一般在鋪裝層與橋面板之間的結合處最薄弱[6-8]，鋪裝層的開裂、剝落、脫空、橋面板與鋪裝層間滑移等破壞占很大比例。在車輛荷載及其沖擊作用下，橋面板與鋪裝層交界面結合能力弱時，則會出現橋面板與鋪裝層間滑移，導致鋪裝層完全破壞；結合能力強時，則鋪裝層與橋面板接近于整體受力，鋪裝層能將外荷載直接傳遞給主梁，增加耐久性。因此，保證橋面板與鋪裝層間的粘結性能，是橋面鋪裝工作的關鍵[9-12]。本文以13 m簡支空心板橋、T梁橋為研究對象，采用ANSYS軟件建立橋梁空間有限元模型，分析車輛輪載作用、鋪裝層混凝土強度、鋪裝層厚度、橋面板與鋪裝層間粘結狀況對鋪裝層應力分布的影響，旨在為簡支梁橋混凝土橋面鋪裝層的優化設計提供參考。

1 橋面鋪裝層有限元模型的建立

1.1 模型基本假定

橋面混凝土鋪裝層，不僅承受荷載直接作用，還承受橋梁主梁變形對鋪裝層產生應力的影響，受力情況十分復雜。綜合考慮鋪裝層結構受力和材料特性，計算時作如下假定：①鋪裝層結構均為均勻連續、各相同性材料，且主梁和鋪裝層作為整體一起承受外部荷載；②不考慮混凝土自重和開裂影響；③橋面板與鋪裝層間完全連續接觸，并考慮鋪裝層滑移；④僅考慮橋梁上部結構計算，不考慮下部結構的基礎變形、支座位移等影響。

1.2 模型計算參數遴選

橋面混凝土鋪裝層、簡支空心板、簡支空心板鉸縫、T梁和T梁橫隔板，均采用SOLID65單元模擬；橋面鋪裝層與主梁頂面采用全接觸模擬；接觸面目標面選取TARGE170單元，接觸面選取CONTA174單元進行模擬。材料參數取值：①水泥混凝土鋪裝層彈性模量取34.5 GMPa；②簡支空心板橋鉸縫、T梁橋橫隔板彈性模量均取32.5 GMPa；③簡支空心板、T梁彈性模量取30.0 GMPa?；炷敛牧喜此杀染?.2。

1.3 接觸摩擦模擬

橋面鋪裝結構，橋面板與鋪裝層間是介于完全接觸和完全滑動之間的一種特殊狀態。在ANSYS中，利用庫倫摩擦理論，在接觸面建立目標單元和接觸單元對應的接觸對，實現橋面鋪裝層和橋面板層間的接觸摩擦模擬，并考慮不同摩擦系數(μ)對橋面板與鋪裝層間粘結滑移狀態的影響。

1.4 邊界條件設置及模型的建立

鋪裝層有限元模型建立的坐標系，X向為橫橋向、Y向為豎橋向、Z向為順橋向。邊界條件采用簡支梁模擬，一端取為鉸支，約束主梁的Ux、Uy、Uz方向；另一端取為滑動支撐，約束Uy方向。13 m跨徑水泥橋面鋪裝層簡支梁橋有限元模型見圖1。

2 橋面鋪裝層力學性能的影響參數

2.1 車輛輪載作用

通過計算發現，13 m跨徑簡支空心板橋和T梁橋水泥混凝土鋪裝層，在車輛輪載作用下各應力最大值均出現在車輛車輪作用位置(見圖2、圖3)。

由圖2、圖3可見：13 m跨徑簡支空心板橋和T梁橋水泥混凝土鋪裝層，在車輛荷載作用下各應力分布規律相似?？招陌鍢蜾佈b層，第一主應力(σ1)最大值為0.13 MPa、第二主應力(σ2)最大值為0.04 MPa、橫橋向正應力(σx)最大值為0.133 MPa、橫橋向剪應力(τxy)最大值為0.033 MPa、順橋向剪應力(τyz)最大值為0.086 MPa、橋面板與鋪裝層間剪應力(τxz)最大值為0.108 MPa。T梁橋鋪裝層，第一主應力(σ1)最大值為0.402 MPa、第二主應力(σ2)最大值為0.128 MPa、橫橋向正應力(σx)最大值為0.377 MPa、橫橋向剪應力(τxy)最大值為0.06 MPa、順橋向剪應力(τyz)最大值為0.074 MPa、橋面板與鋪裝層間剪應力(τxz)最大值為0.124 MPa。橋面鋪裝層在車輪荷載作用，橫橋向約40 cm、縱向約100 cm范圍內應力較大，其余范圍應力沿橫橋向和縱橋向均衰減很快，有明顯的應力集中現象。在鋪裝層內，橫橋向剪應力(τxy)、順橋向剪應力(τyz)明顯小于橋面板與鋪裝層間剪應力(τxz)；橋面板與鋪裝層間剪應力(τxz)以車輪連線中點呈中心對稱分布。

2.2 混凝土強度等級

目前，我國中小跨徑橋梁鋪裝層，主要是剛性鋪裝。根據JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》，橋面鋪裝混凝土強度等級應大于C40。鋪裝層的混凝土強度等級選擇一般是根據經驗，選取跟主梁強度等級相同或者高一個等級。本研究鋪裝層選取介于C30—C50之間不同強度等級，分析鋪裝層應力分布變化規律(見表1)。

表1 2種橋梁水泥混凝土橋面不同混凝土強度等級時鋪裝層的最大應力變化

由表1可見：隨著鋪裝層混凝土強度等級的提高，簡支空心板橋，鋪裝層第一主應力(σ1)從0.158 MPa下降到0.134 MPa、橫橋向正應力(σx)從0.152 MPa降低到0.128 MPa，兩者分別降低15.2%、15.8%。隨著鋪裝層混凝土強度等級的提高，簡支T梁橋，鋪裝層第一主應力(σ1)從0.443 MPa下降到0.402 MPa、橫橋向正應力(σx)從0.418 MPa降低到0.377 MPa，兩者分別降低10.2%、10.9%。說明鋪裝層第一主應力(σ1)和橫橋向正應力(σx)，隨著鋪裝層混凝土強度等級的提高而明顯減??；而簡支空心板橋和T梁橋鋪裝層的第二主應力(σ2)以及其余各個剪應力，僅略微降低，基本沒有變化。

2.3 鋪裝層厚度

實際橋梁設計中，橋面鋪裝一般不會單獨進行計算分析，僅根據“規范推薦值”選取適宜的厚度。在對技術標準要求較低的小橋上，通常采用8～10 cm厚的剛性鋪裝層；而對技術標準要求較高的大中橋上，剛性橋面鋪裝層厚度通常采用6～16 cm。綜合考慮實際橋梁鋪裝層厚度情況，選擇鋪裝層厚度為4、8、12、16、20、24 cm，分析不同鋪裝層厚度對鋪裝層應力的影響(見表2)。

由表2可見：2種橋梁的鋪裝層厚度由小到大，鋪裝層內第一主應力(σ1)、橫橋向正應力(σx)、橋面板與鋪裝層間剪應力(τxz)均明顯減小。在層厚較小時，鋪裝層內各應力值較大，能迅速傳遞至下方主梁頂板處。當鋪裝層厚度在4～12 cm之間時，各應力均有明顯降低；當鋪裝層厚度大于12 cm后，各應力基本保持不變。綜合分析可得，簡支梁橋鋪裝層厚度采用12～16 cm時，鋪裝層應力分布較均勻。

表2 2種橋梁水泥混凝土橋面不同鋪裝厚度時鋪裝層的最大應力變化

2.4 橋面板與鋪裝層間結合能力

在車輛輪載及沖擊作用下，橋面板與鋪裝層交界面結合能力，主要取決于橋面板與鋪裝層間剪切力是否大于層間摩擦力。當橋面板與鋪裝層間剪切力大于層間摩擦力時，出現橋面板與鋪裝層間滑移，導致鋪裝層完全破壞；當橋面板與鋪裝層間剪切力小于層間摩擦力時，鋪裝層與橋面板完全粘結、形成整體，鋪裝層將外荷載傳遞給主梁。在ANSYS建立的簡支梁橋有限元模型(含橋面鋪裝)中，對于現場澆筑的橋面板，由于強度等級較低(采用C30混凝土)，設置為接觸面；對于鋪裝層，由于強度等級較高(采用C50混凝土)，設置為目標面。鋪裝層與橋面板之間分別取不同的摩擦系數(μ=0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5)，模擬各種不同的橋面板與鋪裝層間結合能力(見表3)。

表3 2種橋梁水泥混凝土橋面板與鋪裝層間摩擦系數不同時鋪裝層的最大應力變化

由表3可見：隨著摩擦系數的增大，簡支空心板橋鋪裝層的橫橋向正應力呈減小趨勢，且變化明顯；第一主應力、第二主應力、橋面板與鋪裝層間剪應力，呈現先減小后逐漸趨于穩定；順橋向剪應力呈略微增大的趨勢，而橫橋向剪應力呈略微減小的趨勢。隨著摩擦系數的增大，T梁橋鋪裝層的橫橋向正應力、第一主應力呈減小趨勢，且變化明顯；第二主應力呈現先減小后逐漸趨于穩定；橋面板與鋪裝層間剪應力、順橋向剪應力、橫橋向剪應力，均呈略微減小的趨勢。綜上分析可得，增大橋面板與鋪裝層間摩擦系數，能較大程度地降低鋪裝層應力，且摩擦系數大于1.0時的橋面鋪裝層應力分布比較均勻。

3 結論

13 m跨徑簡支空心板橋和T梁橋水泥混凝土鋪裝層，在車輛輪載作用下，各應力最大值均出現在車輛車輪作用位置，橋面鋪裝層在車輪荷載作用橫橋向約40 cm、縱橋向約100 cm范圍內應力較大；鋪裝層橫橋向剪應力、順橋向剪應力明顯小于橋面板與鋪裝層間剪應力，且橋面板與鋪裝層間剪應力以車輪連線中點呈中心對稱分布。

隨著鋪裝層混凝土強度等級的提高，簡支梁橋鋪裝層內第一主應力、橫橋向正應力、橋面板和鋪裝層間剪切力均呈減小趨勢。

隨著橋面鋪裝層厚度的增加，簡支梁橋鋪裝層內第一主應力、橫橋向正應力均呈明顯減小趨勢，且鋪裝層厚度采用12～16 cm時鋪裝層內應力分布較為均勻。

隨著混凝土鋪裝層與主梁橋面板間摩擦系數的增加，簡支梁橋鋪裝層第一主應力、橫橋向剪應力，呈現明顯下降趨勢。增大橋面板與鋪裝層間摩擦系數，能很大程度上降低鋪裝層內應力，且摩擦系數大于1.0時的橋面鋪裝層應力分布較為均勻。