沥青铺装层厚度对混凝土桥面层间粘结性能的影响

何 浩,洪敏强,汪华坡,王智康

(1.鄂州市临空经济区工程管理中心,鄂州 436099;2.湖北省招标股份有限公司,武汉 430071)

交通事业的发展带动了车流量的增加,引起超载现象的频发。在此背景下行车荷载引发桥面铺装结构层间粘结破坏的问题变得越来越严重。层间粘结问题若不引起重视将继续引发推移、拥抱等大规模病害,危及行车安全及桥梁主体结构的安全[1]。桥面铺装层结构属于多层复合结构,主要包括沥青铺装层(多层)、防水粘结层和调平层等[2]。由于各层所用材料不同,因此在荷载或环境作用下各层的受力与变形不协调。沥青铺装层作为桥面铺装结构的上覆盖层,直接承受车轮的碾压与冲击,并将荷载分散到下层结构中去[3],其厚度会直接影响防水粘结层的受力状态。评价桥面铺装结构层间粘结性能时,通常采用拉拔试验和层间剪切试验[4],评价指标包括抗剪强度和抗拉强度,一般采用层间剪应力和层间法向拉应力作为控制指标。该文拟利用数值模拟方法分析局部轮载作用下沥青铺装层对混凝土桥面层间粘结性能的影响,为混凝土桥梁沥青桥面铺装设计和正常使用提供参考。

1 混凝土箱梁整桥模型的建立

以某跨径30 m的简支混凝土箱梁沥青铺装结构为研究对象,进行合理的简化,建立混凝土箱梁整桥有限元模型。在建立有限元模型过程中,遵循以下假定:将铺装上层、铺装下层、防水粘结层、调平层、箱梁看作连续均匀、各向同性的弹性材料,各层间始终保持变形协调,看作完全连续的材料。依据文献中的设计资料[5],基本材料参数如表1所示。

表1 材料参数

根据上述假定和材料参数,建立箱梁整桥有限元模型如图1所示。箱梁采用简支约束。我国公路桥梁设计规范中所采用的车辆荷载为汽车超-20级550 kN重车荷载,取其后轴一侧车轮,荷载作用区域为长0.6 m、宽0.2 m的矩形,采用集度为0.7 MPa的均布荷载。刹车水平力大小取竖向荷载的0.5倍。

2 沥青铺装层厚度对层间粘结性能的影响

我国公路沥青路面设计规范中规定,高速公路和一级公路水泥混凝土桥面沥青混合料铺装层厚度不宜小于70 mm,宜采用两层或两层以上的结构,沥青混合料铺装上层厚度不宜小于30 mm[6]。在此基础上分别考虑铺装上层和铺装下层厚度变化,基于上述混凝土整桥有限元模型和车辆荷载进行仿真计算层间粘结应力,进而对比分析桥面铺装结构的层间应力变化规律。其中调平层和防水粘结层相连的界面上的剪应力峰值与拉应力峰值记为τ1max和σ1max,防水粘结层内部的剪应力峰值和拉应力峰值记为τ2max和σ2max,铺装下层和防水粘结层相连的界面上的剪应力峰值和拉应力峰值记为τ3max和σ3max,取三者中剪应力峰值的最大值τmax和拉应力峰值最大值σmax作为层间粘结分析的控制指标。

2.1 沥青铺装上层厚度的影响

桥面铺装层间应力峰值随沥青铺装上层厚度的变化规律如图2所示。由图2(a)可知,调平层上表面剪应力峰值τ1max、防水粘结层内部剪应力峰值τ2max和铺装下层下表面剪应力峰值τ3max均随着铺装上层厚度的增大而减小,这是因为铺装上层厚度的增加使得荷载扩散范围增大,局部集中的力变得更加分散。其中,τ1max的减小幅度为16.7%,τ2max的减小幅度为14.7%,τ3max的减小幅度为13.9%,这说明铺装上层厚度的增加对层间抗剪性能的提升起到了较为明显的作用。τ1max减小幅度最大是因为防水粘结层也起到了扩散荷载的作用。

表2 层间法向拉应力峰值

2.2 沥青铺装下层厚度的影响

桥面铺装层间应力峰值随沥青铺装上层厚度的变化规律如图3所示。由图3(a)可知,与铺装上层相同,随着铺装下层厚度的增大,调平层上表面剪应力峰值τ1max、防水粘结层内部剪应力峰值τ2max和铺装下层下表面剪应力峰值τ3max均发生不同程度的减小,其中τ1max、τ2max和τ3max的减小幅度分别为16.0%、13.9%和8.4%。这说明铺装下层厚度的增加亦可改善桥面铺装的层间抗剪性能,其原因也是厚度的增加使上部的荷载传递到防水粘结层时扩散的面积更大。值得注意的是,τ1max的减小速度是τ3max的两倍,当铺装下层厚度增大到8 cm时,τ3max已经超过τ1max,这表明剪切作用下的薄弱界面已经从调平层上表面转移至铺装下层下表面。这种剪切作用下薄弱界面转移的现象在铺装上层厚度变化中亦有发生,只是程度不如在铺装下层厚度变化下来得快。

表3 层间法向拉应力峰值

3 结 语

通过数值模拟分析表明,沥青铺装层厚度对混凝土桥面层间粘结性能具有一定的影响。随着沥青铺装层厚度的增大可以使得层间剪应力和法向拉应力发生重分配,当沥青铺装上层厚度从3 cm增加到7 cm时,防水粘结层内部剪应力减小幅度为14.7%,平均层间法向拉应力减小幅度为17.5%;当沥青铺装下层厚度从4 cm增加到8 cm时,防水粘结层内部剪应力减小幅度为13.9%,平均层间法向拉应力减小幅度为16.4%。因此,通过调整沥青铺装层厚度,可以在一定范围内提升沥青桥面铺装结构的层间抗剪性能和抗拉性能。