橋面瀝青鋪裝層間應力分析簡化模型

趙鋒軍　李宇峙　易偉建

湖南大學，湖南長沙410082　長沙理工大學　湖南長沙410076

引言

    橋面瀝青鋪裝設計方法是國內外路面工程中的一項空白。在橋面鋪裝體系的受力計算方面，不論是鋼橋還是水泥混凝土橋，均由于橋梁結構本身的復雜性，需要借助于有限元法。有限元法具有明顯的局限性，這就是計算結果與計算結構的一一對應性，這就為橋面鋪裝通用設計方法帶來了困難。橋面瀝青鋪裝的破壞形式多樣，在疲勞破壞方面主要表現為兩種模式，一種是鋪裝表面在縱橋向加勁肋或縱隔梁頂部位置，由于受到較大橫橋向彎拉應力(應變)而產生縱橋向疲勞開裂；另一種是由于鋪裝與橋面板材料存在較大的模量差，導致荷載作用下防水黏結層產生較大的剪應力(剪應變)，產生剪切疲勞，即橋面鋪裝出現脫層，在肋間鋪裝底部產生較大彎拉應力，導致鋪裝產生縱橋向疲勞開裂，同時，脫層導致橋面瀝青鋪裝在車輛加、減速的水平力作用下，局部承受較大拉應力，最終導致橋面出現橫橋向裂縫。以往的研究一般采用層間連續假設，將重點放在對鋪裝表面最大橫向彎拉應力(應變)的分析上，對鋪裝結構層間應力的計算較少，而且采用有限元方法計算層間應力，受到單元尺寸和形狀的限制，計算精度不高。本文嘗試利用疊層梁模型計算分析橋面鋪裝層間應力。

1、橋面鋪裝疊層梁模型

　　1.1橋面鋪裝受力特性分析

    橋面鋪裝受力特|生方面，國內外采用有限元方法進行了大量的計算分析，總結如下：

    (1)大跨徑橋一般具有肋式結構，箱梁側壁也可以看成“肋”。“肋”頂是橋面鋪裝容易產生縱橋向彎曲疲勞裂縫的位置；

    (2)水泥混凝土橋的“肋”間距一般較大(一般大于lm)，即肋問可以橫向完整布置雙輪荷載(雙輪荷載的規范寬度值為50cm)，因此最不利的荷載布置位置一般在主梁橫向懸臂或最外側的兩個“肋”間。而對于正交異性鋼橋面板，  “U”形加勁肋的間距一般較小(一般不超過35cm)，肋間不能完整布置雙輪荷載，因此最不合理的荷載布置位置一般為雙輪荷載橫向跨“肋”布置；

    (3)水泥混凝土橋面的局部抗彎剛度較大，鋪裝表面產生的最大拉應變較鋼橋面小的多；

　　(4)“肋”間距或閉口肋開口寬度、橋面板與瀝青鋪裝厚度是決定鋪裝體系荷載應力的重要結構參數。

　　1.2鋪裝受力模型的簡化

    由于橋梁結構形式的差異，橋面鋪裝受力模型復雜多變，國內外橋面鋪裝的研究人員一般均采用有限元法進行分析計算，有限元法要求對具體結構建模，這就使計算結果沒有通用性，要實現像瀝青路面設計那樣的通用計算模型，必須針對橋面鋪裝受力特性，簡化受力模型。針對橋面鋪裝受力的主要特征是橫向彎拉疲勞的特點，而肋間距(U形肋的開口寬度也可認為是一種肋間距)、橋面板與瀝青鋪裝厚度是影響鋪裝受力狀態的關鍵參數，將鋪裝受力模型簡化為兩跨連續疊層梁模型是合理的，模型見圖1。

    圖1中ha為鋪裝厚度，hs為橋面板厚度，l為肋間距，荷位1推薦用于鋪裝表面彎拉疲勞設計，荷位2推薦用于防水黏結層抗剪強度與剪切疲勞驗算。

2、層間應力計算

    橋面鋪裝簡化模型為非對稱各向同性疊層梁，假設鋼板和瀝青鋪裝層均滿足平衡與變形協調條件，這一問題的求解依賴于支座反力或荷載在梁端面的分布，因此假設梁端部剪應力分布與梁中部一致。

圖1鋪裝受力簡化模型

　　2.1均布荷載

    首先考慮簡單的情況，均布荷載作用下的簡支梁，梁端應力分布與梁橫斷面內剪應力的分布相同，計算模型見圖2。

圖2層間應力分析計算模型

    鋪裝結構層間剪應力最大位置一般位于荷載邊緣，這與鋪裝表面最大橫向彎拉應力一般位于荷載中心是不一致的，因此，鋪裝表面彎拉疲勞與鋪裝層間剪切疲勞的不利位置一般不重合。

　　2.2集中荷載

    層問剪應力沿梁縱向為常量，這說明當梁端支反力的分布滿足一定條件(滿足式(17)的分布)時，疊層梁層間壓應力為常量。

　　2.3鋪裝模型層間應力分析

    首先，鋪裝受力模型簡化為兩跨連續疊層梁模型時，實際上是將梁端的應力分布簡化為梁兩端的支座反力，在計算梁中部鋪裝頂部彎拉應力時不會帶來太大誤差，而鋪裝結構層間剪應力計算依賴于梁端部的應力分布，但要實際求算梁端部的實際應力分布非常困難。將梁端的支座反力假設為沿截面高度二次分布是合理的，因為實際結構“肋”的數量足夠多，或肋間距足夠大，根據圣維南原理，這樣的假設對計算梁中部的層間應力影響不大。

    其次，對于鋼橋面瀝青鋪裝，肋間距一般較小，一般不會大于雙輪的分布寬度50cm，因此采用圖l模型，荷載分布寬度大于肋間距，超出肋的部分會對肋間跨中的正彎矩產生減小作用，因此僅考慮肋間部分荷載是偏于安全的。對于混凝土橋，肋間距一般較大，可直接考慮雙輪均布在肋問跨中。  

    本文計算結果較有限元計算結果大7.48％。這主要是由于本文采用簡支疊層梁模型，約束了支座位移，忽略了部分鋪裝橫向約束造成的。

    對比鋼橋面瀝青鋪裝與水泥混凝土橋面瀝青鋪裝的實例可以發現，由于局部剛度差異較大，鋼橋面瀝青鋪裝層間應力較混凝土橋大的多，同時，鋼橋面防水黏結層的工作溫度條件較混凝土橋嚴酷地多，因此，一般在水泥混凝土橋上成功應用的防水黏結層材料與結構，往往難以滿足鋼橋面瀝青鋪裝的要求，這也是我國在鋼橋面瀝青鋪裝方面引進國外環氧瀝青防水黏結層材料與結構的原因之一。

4、結論

    由于橋梁結構的復雜性，橋面瀝青鋪裝的設計計算一直是一項工程難題，特別是對于鋼橋面瀝青鋪裝，深入探究橋面鋪裝的受力特點與破壞形式可以發現，層間產生滑移或脫層是導致橋面鋪裝壽命不長的重要原因。鋪裝體系的有限元計算表明，橋面瀝青鋪裝普遍存在很大的層間剪切應力，其關鍵影響因素是橋面板厚度與“肋間距”，而其受力模式與疊層連續梁相似。本文以簡支疊層梁分析橋面瀝青鋪裝，在合理邊界條件下推導了鋪裝結構層間應力計算公式，并通過與實橋有限元計算結果進行對比，說明了計算模型與公式的實用性。通過對比鋼橋面瀝青鋪裝與混凝土橋面瀝青鋪裝的層間剪應力發現，即使在混凝土橋上取得成功應用的黏結層材料，在用于鋼橋面鋪裝時仍需謹慎對待。

　　由于篇幅的限制，文中僅列出典型的計算圖式與計算結果，相關修正系數、計算程序的討論將在其他論文中進行，本文所給出的計算結果可供橋面瀝青鋪裝研究人員參考。

參考文獻

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[4]趙鋒軍．正交異性鋼橋面瀝青鋪裝體系受力與疲勞特性研究[D]．長沙：長沙交通學院，2003

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)