水泥混凝土桥面铺装层最不利荷载位置的确定

徐永丽，程培峰，孙志明

(东北林业大学土木工程学院，哈尔滨150040)

我国沥青混合料桥面铺装早期破坏严重［1］，逐渐引起人们的重视，传统的桥梁设计只重视桥梁结构自身的受力性能，以至于目前桥梁设计方法日趋成熟但是对桥面铺装层却不做专门的力学分析，我国目前的路面设计规范对沥青混凝土铺装层设计仅从所用材料和厚度上根据以往的施工经验做了指导性说明，没有具体的设计理论和方法［2］。关于桥面铺装的研究较多，然而大多集中在材料和层间粘结材料［3］，然而由于主梁的不同形式使桥面铺装结构受力更为复杂，有必要针对结构受力进行分析，本文以T型简支梁桥为对向分析不同荷位下沥青混凝土铺装层切应力状况变化规律，作为桥面铺装体系力学行为的基础。

1 混凝土梁模型的建立

1.1 基本假定

(1)本文假设沥青混凝土是均匀、连续、各向同性材料，采用线弹性理论分析铺装层内各种力学响应。

(2)混凝土桥面系是均匀、连续、各向同性材料。

(3)在沥青混凝土铺装层与水泥混凝土铺装层之间设置一层1 mm的实体单元夹层，用以分析胶结界面的受力特性。

(4)沥青混凝土铺装层与水泥混凝土铺装层、水泥混凝土铺装层与桥面板之间为完全连续状态。

(5)在两侧计算跨径处分别施加固定支座和移动支座约束。

(6)考虑混凝土梁和沥青铺装层的自重，但是忽略桥梁振动的影响。

1.2 计算荷载及模型参数

车辆荷载采用标准车型BZZ－100，轴重100 kN，车轮压力0.7 MPa。为方便有限元计算分析按面积等效原则将双轮荷载转换为正方形，车轮与路面的接触面理想化为18.9 cm×18.9 cm的正方形［4］，双轮轮心间距28.9 cm，双轮组轴距1.8 m。尽考虑车轮荷载的竖向压力而不考虑由于正常行驶或制动时产生的水平力。计算参数见表1。

表1 模型计算参数Tab.1 Calculation parameters of the model

参照文献中的典型钢筋混凝土T型梁桥具体尺寸，以及具体配筋情况建模［5－6］。T型梁计算跨径19.5 m，桥梁全长19.96 m，桥面净宽度7 m，由5片T梁组成。按照以上计算参数建立荷载作用下有限元模型如图1所示。其中单元类型为:主梁、素混凝土层，沥青混凝土铺装层均采用三维8节点等6面体单元;钢筋采用线单元。以x轴方向为横桥向，z轴方向为纵桥向，y轴方向为桥梁高度方向。

图1 计算模型全图Fig.1 The whole picture of the model

图2 5种不同工况荷载位置图Fig.2 Five different load locations

2 横向最不利荷载位置确定

根据桥面的结构和计算荷载的尺寸特点，分别在支点处横向布置5种不同工况的荷位如图2所示。其中工况一和工况四轮载分别位于1号梁和2号梁翼缘板中间;工况二轮载作用于一侧T梁的翼板边缘;工况三轮载对称分布于T梁接缝处。工况五轮载对称分布于2号梁腹板两侧。

按照如图2所示5种荷载工况进行加载，由于本文的基本假定为沥青混凝土铺装层与水泥混凝土铺装层、水泥混凝土铺装层与桥面板之间为完全连续状态，以至于在沥青混凝土铺装层得层底追随混凝土主梁变形而不出现拉应力，所以分别计算铺装层内以及界面处最大纵、横向切应力，用切应力作为控制铺装层产生破坏的指标。计算结果如图3和图4所示。

图3 最大纵向切应力变化图Fig.3 The variation of maximum longitudinal shear stress

图4 最大横向切应力变化图Fig.4 The variation of maximum transverse shear stress

分析比较图3和图4可以得到以下结论:铺装层内纵、横向切应力沿铺装深度方向非线性增大，分别在在铺装层4cm和5cm处达到最大;纵、横切应力无论在何种工况下均在层底界面处产生突变，且横向切应力突变较大，其中工况二的横向切应力突变最大，为112.5%;工况三处的横向切应力明显低于其他工况，约是其他工况的85%;除工况三以外的其他荷载工况横向最大切应力峰值均略大于纵向切应力，所以在支点截面横向最大切应力为主要控制指标。横向最不利位置为纵向切应力与横向切应力均为最大的工况二。

3 纵向最不利荷载位置确定

根据上述横向的最不利荷载工况二，按照支点、1/8、1/4、3/8、跨中5种荷位进行纵向最不利布载，其中在1/4跨和跨中处设有横隔板。纵、横向切应力变化计算结果如图5和图6所示。

图5 纵向不同荷位纵向切应力变化图Fig.5 The variation of longitudinal shear stress at different load locations

分析比较图5和图6可知:在纵向不同荷位作用下纵向最大切应力有显著变化，其中最大的1/8荷位为最小的跨中荷位的1.43倍，而横向最大切应力变化不显著，所以纵向最不利荷位由纵向最大切应力控制。从图5中不难发现最大纵向切应力在越接近支座越大，在支座处由于力主要由支座承受车轮荷载反而纵向切应力降低。所以纵向最不利荷载位置位于靠近支座附近的1/8截面。

图6 纵向不同荷位横向切应力变化图Fig.6 The variation of transverse shear stress at different load locations

4 结论

本文对钢筋混凝土简支T型梁桥以及桥面铺装结构进行了数值模拟分析，对横向5种工况，纵向支点、1/8、1/4、3/8、跨中等荷位作用下桥面铺装层的力学行为，得到以下结论:

(1)在仅受垂直荷载作用下，桥面铺装的纵横向最大切应力出现在距铺装层表面4～6 cm。

(2)在任何荷载工况下纵、横向切应力均在层底界面处产生突变。

(3)最不利荷载位于横桥向偏载，作用于一侧T梁的翼板边缘;纵桥向接近支座的位置，本文定于1/8截面处。

［1］杨育生，陈渊召，汪日灯.沥青混合料桥面铺装层间工作状态确定及新型防水粘结材料研究［J］.公路，2009，(4):119 －123.

［2］高雪池.滨州黄河公路大桥桥面铺装研究［D］.南京:东南大学，2006.

［3］曾 蔚.同步碎石桥面铺装粘结层层间应力分析与应用研究［D］.西安:长安大学，2008.

［4］梁 涛.动载作用下沥青路面三维有限元分析［J］.北方交通，2009，(11):35 －37.

［5］姜 震，朱宜琛，吴永胜.整体式板桥静力荷载试验及计算方法研究［J］.森林工程，2012，28(4):47 －50.

［6］闫志刚，季文玉，战家旺.钢筋混凝土及预应力混凝土简支梁桥结构设计［M］.北京:机械工业出版社，2008.