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層間接觸狀態(tài)對(duì)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

2016-11-19 18:59萬(wàn)晨光申愛琴薛翠真趙學(xué)穎??
關(guān)鍵詞:橋面鋪裝公路建設(shè)

萬(wàn)晨光++申愛琴 薛翠真++趙學(xué)穎??

摘要:為解決混凝土橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)調(diào)平層與瀝青鋪裝層層間真實(shí)接觸狀態(tài)考慮不足的問題,采用理論推導(dǎo)和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法,應(yīng)用層間接觸系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)不同層間處治措施下的層間接觸狀態(tài),同時(shí)采用ANSYS軟件對(duì)不同接觸條件下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析.結(jié)果表明,植石措施下的層間接觸系數(shù)值最大,為0.607,這與其表面構(gòu)造深度大有關(guān);部分連續(xù)層間接觸狀態(tài)下瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)明顯較完全連續(xù)接觸條件惡化,以拉毛措施下的瀝青鋪裝層剪應(yīng)力為例,XY向、YZ向剪應(yīng)力最大值分別為0.412 MPa和0.421 MPa,較完全連續(xù)條件下的0.195 MPa和0.222 MPa分別增加了111%和91%,說(shuō)明以完全連續(xù)層間接觸條件進(jìn)行鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是不合理的;四種混凝土表面處治措施下,各鋪裝層所受最大應(yīng)力變化不大,但與完全連續(xù)狀態(tài)相比,瀝青鋪裝層的受力狀況明顯惡化,說(shuō)明在鋪筑實(shí)體工程時(shí)要盡可能增強(qiáng)調(diào)平層與瀝青鋪裝層的層間接觸狀態(tài).

關(guān)鍵詞:公路建設(shè);橋面鋪裝;部分連續(xù)式雙層梁;層間接觸系數(shù);力學(xué)響應(yīng)

中圖分類號(hào):U443.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

水泥混凝土橋橋面鋪裝典型結(jié)構(gòu)由水泥混凝土調(diào)平層、防水粘結(jié)層和瀝青鋪裝層組成[1].其中防水粘結(jié)層是設(shè)在調(diào)平層和瀝青鋪裝層層間,起粘結(jié)、防水作用的一層結(jié)構(gòu)層.由于上下層材料性質(zhì)的巨大差異和施工缺陷的存在,使得防水粘結(jié)層常出現(xiàn)粘結(jié)不足的問題,成為橋面鋪裝的病害多發(fā)區(qū)[2-3],橋面鋪裝層間壽命已成為影響鋪裝結(jié)構(gòu)整體壽命的重要制約因素[4].

目前,我國(guó)在進(jìn)行橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),并沒有考慮層間的真實(shí)粘結(jié)狀態(tài),而是假設(shè)各結(jié)構(gòu)層層間為完全連續(xù)[5-6],這往往導(dǎo)致計(jì)算出的應(yīng)力應(yīng)變值偏小,使鋪裝結(jié)構(gòu)處于受力不利狀態(tài),進(jìn)而使得橋面鋪裝真實(shí)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)壽命[7].為此,本文針對(duì)橋面鋪裝水泥混凝土調(diào)平層和瀝青鋪裝層層間受力特點(diǎn),采用理論推導(dǎo)和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法,應(yīng)用層間接觸系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)不同層間處理措施下的層間接觸狀態(tài),同時(shí)運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)不同接觸狀態(tài)進(jìn)行模擬,并對(duì)其受力情況進(jìn)行對(duì)比分析.本文的研究成果可以為橋面鋪裝層間處理措施和防水粘結(jié)層材料的選擇提供依據(jù),同時(shí)為混凝土橋橋面鋪裝設(shè)計(jì)方法的提出提供參考.

1層間接觸系數(shù)理論與試驗(yàn)研究

1.1層間接觸系數(shù)力學(xué)模型

層間接觸系數(shù)在此定義為混凝土橋橋面鋪裝調(diào)平層與瀝青鋪裝層層間粘結(jié)狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo),其值反映了鋪裝結(jié)構(gòu)的協(xié)同受力能力.層間接觸系數(shù)的推導(dǎo)采用與加鋪新層的水泥混凝土路面相似的力學(xué)分析方法,即新舊層中性面相對(duì)位置對(duì)路面結(jié)構(gòu)受力有很大影響[8],用瀝青混凝土+水泥混凝土雙層梁中性軸的相對(duì)位置來(lái)反映其層間接觸狀況.完全分離式雙層梁和完全連續(xù)式雙層梁的中性軸位置是容易確定的[9],然而部分連續(xù)式雙層梁則不然,上下層中性軸的位置隨層間粘結(jié)狀態(tài)的好壞而改變,層間粘結(jié)狀態(tài)越好,兩個(gè)中性軸就越接近,層間完全連續(xù)時(shí),中性軸就會(huì)重合[10].據(jù)此,采用如下部分連續(xù)式雙層梁力學(xué)模型[10],X軸為層間完全連續(xù)時(shí)中性軸的位置,Y軸為梁跨中位置.

圖1中:L為梁跨徑;E1,E2和h1,h2分別為上下梁的彈性模量和高度;h0為梁頂面與X軸間距;設(shè)α為部分連續(xù)式雙層梁中性軸對(duì)X軸的偏離系數(shù),則上、下層梁中性軸與X軸的距離分別為(h0-h12)α,(h1+h22-h0)α.取層間接觸系數(shù)β=1-α,由建立的模型可知,該系數(shù)與雙層梁層間接觸狀態(tài)有很好的關(guān)聯(lián)性:β=1時(shí), 上下梁中性軸與X軸重合,此時(shí)雙層梁為完全連續(xù)狀態(tài);β=0時(shí),雙層梁為完全分離狀態(tài);0<β<1時(shí),雙層梁為部分連續(xù)接觸狀態(tài).

1.4層間接觸系數(shù)試驗(yàn)研究

1.4.1試件成型

采用標(biāo)準(zhǔn)車轍板試模成型水泥混凝土板,為模擬真實(shí)施工現(xiàn)場(chǎng),分別在混凝土表面進(jìn)行拉毛、刻槽、銑刨和植石處理(如圖2所示),其表面構(gòu)造深度分別為0.8 mm,0.6 mm,1.2 mm和1.4 mm;然后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7 d;在處理過的混凝土板表面噴灑防水粘結(jié)層,本文選用SBS改性瀝青同步碎石封層作為防水粘結(jié)層,改性瀝青灑布量分別取1.2 kg/m2,1.6 kg/m2和2.0 kg/m2,除植石措施不撒布碎石外,其余處治措施碎石撒布量統(tǒng)一取為5.5 kg/m2;之后將混凝土板放入10 cm厚車轍板試模,加鋪瀝青混凝土并碾壓成型,在室溫下冷卻;最后,將雙層板切割成5 cm寬的雙層小梁.

圖2混凝土表面處理措施

Fig.2Surface treatments of concrete slab

植石處理措施是近年來(lái)興起的一種新型復(fù)合路面層間處治措施,在與拉毛、刻槽等層間處治路段的對(duì)比中取得了非常良好的效果,由于橋面鋪裝結(jié)構(gòu)與復(fù)合路面結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)十分相似,因此考慮可將植石方法應(yīng)用于橋面鋪裝層間處治措施,以期獲得良好效果.具體處治方法是在水泥混凝土板初凝之前及時(shí)、均勻的撒布一層單一粒徑(4.75~9.5 mm)的集料,覆蓋率為75 %左右,然后施加一定的荷載將集料壓入混凝土,使集料的埋入深度達(dá)到粒徑的2/3,以使混凝土表面形成粗糙構(gòu)造.

測(cè)試瀝青混凝土和水泥混凝土模量時(shí),還需分別制作單層小梁,在此不再贅述.

1.4.2層間接觸系數(shù)測(cè)試

試驗(yàn)在25 ℃條件下進(jìn)行,由小梁加載曲線可知,瀝青混凝土小梁和水泥混凝土小梁均在0.5倍破壞荷載之前近似處于彈性狀態(tài),因此在進(jìn)行彈性模量測(cè)試時(shí),加載荷載均取為小梁試件的0.5倍破壞荷載,彈性模量測(cè)試結(jié)果如表1所示.

在進(jìn)行部分連續(xù)雙層梁抗彎剛度測(cè)試時(shí),加載荷載取為0.5倍水泥混凝土小梁破壞荷載,然后分別對(duì)不同混凝土表面處理措施及不同改性瀝青灑布量的雙層梁試件進(jìn)行抗彎剛度測(cè)試,并將測(cè)試結(jié)果代入式(2)進(jìn)行層間接觸系數(shù)計(jì)算,由于在試驗(yàn)時(shí)不可避免地會(huì)存在由試件制作不均勻等問題而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)離散性較大的現(xiàn)象,本研究每組試件數(shù)量取為12個(gè),通過增加平行試驗(yàn)數(shù)量,舍棄與平均值偏離較大的數(shù)據(jù),作為試驗(yàn)最終結(jié)果,在此,僅列出最終結(jié)果如表2所示.

由試驗(yàn)結(jié)果可知,拉毛、銑刨和植石三種措施下均在1.6 kg/m2瀝青灑布量時(shí)層間接觸系數(shù)取得最大值,而刻槽措施則在1.2 kg/m2下取得最大值,四種措施層間接觸系數(shù)大小排序?yàn)椋褐彩?銑刨>拉毛>刻槽,這與銑刨、植石措施下混凝土表面構(gòu)造深度大、上下層能更好的進(jìn)行齒合交互作用,而同時(shí)拉毛、刻槽措施下混凝土表面構(gòu)造深度小有關(guān).

對(duì)于刻槽措施,其最佳瀝青灑布量位于1.0~1.4 kg/m2之間;對(duì)于拉毛措施,瀝青灑布量為1.2 kg/m2時(shí)層間接觸系數(shù)明顯大于2.0 kg/m2時(shí)的接觸系數(shù),說(shuō)明拉毛處治措施下最佳瀝青灑布量位于1.2~1.6 kg/m2之間;對(duì)于銑刨和植石措施,瀝青灑布量為2.0 kg/m2時(shí)層間接觸系數(shù)則明顯大于1.2 kg/m2時(shí)的接觸系數(shù),這說(shuō)明該處理措施下最佳瀝青灑布量位于1.6~2.0 kg/m2之間,這與銑刨和植石措施下混凝土表面構(gòu)造深度大有關(guān).

2層間接觸狀態(tài)對(duì)鋪裝結(jié)構(gòu)受力的影響

2.1橋面鋪裝有限元模型的建立

選取銅黃高速(銅川黃陵)沮河特大連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯繉?duì)象,對(duì)于橋面鋪裝結(jié)構(gòu),連續(xù)剛構(gòu)橋中跨跨中為關(guān)鍵截面[1],因此選取中跨跨中附近13 m長(zhǎng)的梁段作為本文的研究對(duì)象,進(jìn)行橋面鋪裝結(jié)構(gòu)受力分析.該梁段高度在3.5~3.54 m之間,由圣維南原理可知,橋面鋪裝結(jié)構(gòu)僅在距模型兩端部一定范圍內(nèi)受邊界條件的影響,因此模型中間部位的結(jié)果是可以反映鋪裝結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力情況.

所建橋面鋪裝模型結(jié)構(gòu)、材料屬性均與室內(nèi)試驗(yàn)中復(fù)合梁保持一致,溫度與模量測(cè)試試驗(yàn)溫度保持一致,模型各部采用的材料單元及參數(shù)見表3.

本文所建輪胎模型以米其林315/80R22.5子午線重型車用輪胎為原型,該模型可以在不同的軸重、胎壓條件下對(duì)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載.鑒于銅黃高速重載車輛眾多,在進(jìn)行計(jì)算時(shí)后軸輪組軸重取為140 kN,輪胎胎壓取為0.8 MPa.

由于各部分所需計(jì)算精度不同,因此在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)尺寸設(shè)置也不盡相同:梁體網(wǎng)格尺寸為15 cm×15 cm×10 cm,鋪裝結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸為10 cm×10 cm×5 cm,輪胎模型網(wǎng)格尺寸為5 cm×5 cm×5 cm.后軸雙輪組輪胎模型尺寸和輪胎內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖3~4所示,建好的整體模型和輪胎模型如圖5所示.

模型的邊界條件設(shè)置為:模型兩端均進(jìn)行Y向約束,即模型兩端沿橋梁豎向位移為零,X方向(橫橋向)和Z方向(縱橋向)不進(jìn)行約束.

2.2鋪裝結(jié)構(gòu)受力分析

為了分析混凝土調(diào)平層與瀝青鋪裝層層間接觸狀態(tài)對(duì)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)受力的影響,在前述層間接觸系數(shù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,將調(diào)平層與瀝青鋪裝層的層間接觸狀態(tài)分別設(shè)置為光滑(層間接觸系數(shù)無(wú)限趨近于零)、拉毛、刻槽、銑刨和植石所分別對(duì)應(yīng)的層間接觸系數(shù)(其余各層間設(shè)為完全連續(xù)接觸狀態(tài)),計(jì)算各結(jié)構(gòu)層的受力情況.對(duì)于層間接觸系數(shù)與ANSYS中摩擦系數(shù)的轉(zhuǎn)化,借鑒了董開亮等[12]的研究成果,由試算結(jié)果可知,該轉(zhuǎn)化方式是合理且可行的.

同時(shí),為了對(duì)層間接觸系數(shù)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證,還計(jì)算了層間接觸系數(shù)為1(層間完全連續(xù))時(shí)鋪裝結(jié)構(gòu)受力情況,并與完全粘結(jié)狀態(tài)下的受力情況進(jìn)行對(duì)比分析.計(jì)算時(shí)假設(shè)車輛處于80 km/h的勻速行駛狀態(tài),通過線速度和輪胎模型半徑來(lái)確定輪胎模型圍繞圓心的角速度值,同時(shí)在輪胎與鋪裝結(jié)構(gòu)表面間設(shè)置摩擦對(duì),摩擦系數(shù)統(tǒng)一設(shè)定為0.05[13].

不同層間接觸狀態(tài)下,模型跨中附近橋面鋪裝各結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力對(duì)比情況分別見圖6和圖7.

由圖6和圖7可得出如下結(jié)論:

1)當(dāng)層間接觸系數(shù)為1,即調(diào)平層與瀝青鋪裝層層間完全連續(xù)時(shí),各鋪裝層所受最大橫、縱向拉應(yīng)力與完全粘結(jié)條件下的各力基本相同,最大誤差不超過3%.這說(shuō)明層間接觸系數(shù)的定義、公式推導(dǎo)以及以層間接觸系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)層間接觸狀態(tài)是合理的.

2)對(duì)于完全連續(xù)與完全光滑兩種層間接觸狀態(tài),瀝青鋪裝層所受橫、縱向拉應(yīng)力最大值差別不大.而對(duì)于混凝土調(diào)平層,完全連續(xù)接觸狀態(tài)下的橫、縱向拉應(yīng)力值分別為0.185 MPa和0.127 MPa,較完全光滑接觸狀態(tài)下的0.103 MPa和0.032 MPa分別增加了79%和297%.究其原因,在于完全光滑接觸狀態(tài)下,瀝青鋪裝層與混凝土調(diào)平層間應(yīng)力傳遞作用受到很大的影響,僅能傳遞壓應(yīng)力,進(jìn)而使得調(diào)平層所受拉應(yīng)力大大減小.

3)對(duì)于四種不同層間處治措施,各鋪裝層所受橫、縱向拉應(yīng)力最大值差別不大,且大致表現(xiàn)出隨著層間接觸系數(shù)的增大,橫、縱向拉應(yīng)力值呈小幅降低趨勢(shì)變化.

4)與理想結(jié)合狀態(tài)下的應(yīng)力響應(yīng)情況相比,四種層間處理措施下瀝青鋪裝層所受最大拉應(yīng)力明顯增大.以拉毛處治措施為例,瀝青鋪裝層橫、縱向拉應(yīng)力最大值分別為0.579 MPa和0.562 MPa,分別較理想結(jié)合狀態(tài)下的0.429 MPa和0.383 MPa增加了35%和47%.這表明材料性質(zhì)存在巨大差異的瀝青鋪裝層與混凝土調(diào)平層層間粘結(jié)狀況對(duì)瀝青鋪裝層所受拉應(yīng)力影響顯著,當(dāng)層間粘結(jié)不足時(shí),瀝青鋪裝層拉應(yīng)力受力狀況明顯惡化.另外,對(duì)于混凝土調(diào)平層,由于層間力的傳遞作用受到影響,四種層間處治措施下調(diào)平層所受橫、縱向拉應(yīng)力均較理想接觸狀態(tài)下有所減小.

圖8和圖9分別為各種層間接觸條件下,跨中部分各鋪裝結(jié)構(gòu)所受最大XY向、YZ向剪應(yīng)力的對(duì)比情況.

由圖8和圖9可得出如下結(jié)論:

1)當(dāng)層間接觸系數(shù)為1,即調(diào)平層與瀝青鋪裝層層間完全連續(xù)時(shí),各鋪裝層所受最大XY,YZ向剪應(yīng)力與完全粘結(jié)條件下的各力基本相同,最大誤差不超過5%.這再次說(shuō)明層間接觸系數(shù)的定義、公式推導(dǎo)以及以層間接觸系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)層間接觸狀態(tài)是合理的.

2)對(duì)于完全連續(xù)與完全光滑兩種層間接觸狀態(tài),完全光滑條件下瀝青鋪裝層所受XY向、YZ向剪應(yīng)力均較完全連續(xù)條件有大幅增加.完全光滑條件下XY向、YZ向剪應(yīng)力最大值分別為0.683 MPa和0.612 MPa,分別較完全連續(xù)條件下的0.195 MPa和0.222 MPa增加了251%和176%.而對(duì)于混凝土調(diào)平層,情況則恰好相反,完全光滑條件下XY向、YZ向剪應(yīng)力為0.033 MPa和0.029 MPa,分別較完全連續(xù)條件下的0.106 MPa和0.133 MPa降低了69%和78%.

3)對(duì)于四種不同的層間處治措施,各鋪裝層所受XY向、YZ向剪應(yīng)力最大值差別不大,但卻與拉應(yīng)力變化情況表現(xiàn)出相反的變化規(guī)律,即隨著層間接觸系數(shù)的增大,剪應(yīng)力值大致呈小幅增加趨勢(shì)變化.

4)四種層間處理措施下瀝青鋪裝層XY向、YZ向剪應(yīng)力均較完全連續(xù)條件下剪應(yīng)力有大幅提高.以拉毛措施下的瀝青鋪裝層為例,XY向、YZ向剪應(yīng)力最大值分別為0.412 MPa和0.421 MPa,較完全連續(xù)條件下的0.195 MPa和0.222 MPa分別增加了111%和91%.說(shuō)明層間粘結(jié)條件不足時(shí),瀝青鋪裝層所受XY向和YZ向剪應(yīng)力均有大幅增加,這就大大增加了瀝青鋪裝層出現(xiàn)車轍、推移及擁包病害的可能性.

3結(jié)語(yǔ)

1)通過室內(nèi)試驗(yàn)和理論計(jì)算表明,采用層間接觸系數(shù)作為混凝土調(diào)平層與瀝青鋪裝層層間接觸狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)是合理的.

2)四種混凝土表面處治措施下,植石措施的層間接觸系數(shù)最大,說(shuō)明該措施下的層間接觸狀態(tài)最好,這與其混凝土表面構(gòu)造深度大有關(guān),其次是銑刨處治措施.

3)在進(jìn)行橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),將調(diào)平層與瀝青鋪裝層層間假設(shè)為完全連續(xù)的層間接觸狀態(tài)是不合理的.

4)四種混凝土表面處治措施下,各鋪裝層所受最大應(yīng)力變化不大,但與完全連續(xù)狀態(tài)相比,瀝青鋪裝層的受力狀況明顯惡化,說(shuō)明在鋪筑實(shí)體工程時(shí)要盡可能增強(qiáng)調(diào)平層與瀝青鋪裝層的層間接觸狀態(tài).

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