杜江波

(中鐵五局集團(tuán)華南工程有限責(zé)任公司 東莞市 523160)

0 引言

鋼橋面鋪裝是鋼箱梁橋的重要組成結(jié)構(gòu)之一，其不僅為交通車輛提供平整且抗滑性好的行車表面，同時(shí)也保護(hù)鋼橋面板免受外界環(huán)境的侵蝕作用[1]。對鋼橋面鋪裝的關(guān)鍵施工過程進(jìn)行分析和把控，是保證鋪裝結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵[2-3]。為減輕自重和節(jié)約成本，合六葉公路橋創(chuàng)新性地采用了不等厚橋面頂板的特殊設(shè)計(jì)，這對鋪裝結(jié)構(gòu)的施工，尤其是碾壓作業(yè)提出了更高的要求。為精準(zhǔn)把控合六葉公路橋不等厚鋪裝的施工質(zhì)量，需對碾壓作業(yè)時(shí)混合料的受力情況進(jìn)行細(xì)部力學(xué)分析。擬結(jié)合建模軟件FLAC，在離散元分析軟件PFC3D中建立細(xì)部模型，對不等厚過渡區(qū)鋪裝結(jié)構(gòu)的碾壓施工進(jìn)行仿真分析，為實(shí)際施工提供指導(dǎo)意見。

1 工程概況

合六葉公路橋?qū)儆诖罂鐝竭B續(xù)鋼箱梁橋，主橋采用100m+180m+100m的變截面連續(xù)鋼箱梁方案，其主跨跨徑達(dá)到了180m，居全國第二。合六葉公路橋由四座分橋組成，沿河道由上游至下游依次編號為1#～4#橋，其中1#與4#橋各設(shè)有一條行車道，2#與3#橋各設(shè)有三條行車道，整橋采用了雙向八車道方案，并以一級公路的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，橋梁橫橋向布置圖如圖1所示。

圖1 合六葉公路橋橫橋向布置

為減輕橋梁自重和降低建設(shè)成本，合六葉公路橋的鋼箱梁不僅采用了常規(guī)的變截面箱梁結(jié)構(gòu)，還采用了變截面頂層鋼板的不等厚結(jié)構(gòu)，整橋沿縱橋向共有16處不等厚過渡區(qū)，過渡形式為1∶8的線性斜坡。合六葉公路橋采用了“雙層EA”的鋪裝體系，為適應(yīng)不等厚鋼板的結(jié)構(gòu)形式，鋪裝體系亦為不等厚結(jié)構(gòu)，不等厚結(jié)構(gòu)過渡形式如圖2所示。

圖2 合六葉公路橋不等厚過渡形式

在合六葉公路橋的鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，下層鋪裝與頂層鋼板的厚度之和恒定為7.1cm，上層鋪裝的厚度恒定為2.5cm，鋪裝厚度與頂層鋼板厚度之和為9.6cm，即控制不等厚結(jié)構(gòu)只出現(xiàn)于下層鋪裝與頂層鋼板，以此減輕不等厚頂層鋼板設(shè)計(jì)對鋪裝結(jié)構(gòu)性能的影響。因此，下層鋪裝的施工質(zhì)量對合六葉公路橋鋪裝的整體性能存在著重要影響。

對于“雙層EA”鋪裝體系，施工過程中的碾壓作業(yè)是影響鋪裝結(jié)構(gòu)整體服役性能的關(guān)鍵因素之一。針對合六葉公路橋特殊的不等厚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，擬通過FLAC與PFC3D分析軟件建立其不等厚過渡區(qū)的細(xì)部碾壓模型，分析不同碾壓遍數(shù)組合對下層鋪裝性能的影響。

2 細(xì)部模型的建立

為對合六葉公路橋不等厚鋪裝的碾壓作業(yè)進(jìn)行研究，首先采用PFC3D建立瀝青混合料和壓路機(jī)輪的仿真模型，采用FLAC建立頂層鋼板模型，最后在PFC3D中對不等厚鋪裝結(jié)構(gòu)碾壓的最佳工序組合進(jìn)行分析，所采用的離散元模型如圖3所示。

圖3 不等厚鋪裝結(jié)構(gòu)的離散元模型

本研究設(shè)定壓路機(jī)輪的輪半徑為60mm，寬40mm，采用接觸剛度模型表征壓路機(jī)輪與環(huán)氧瀝青混合料之間的接觸，壓路機(jī)輪與混合料顆粒的接觸摩擦系數(shù)設(shè)為0.15。參考已有的研究[4]，本研究將粒徑小于2.36mm的混合料簡化為瀝青砂漿，并按照油石比、目標(biāo)空隙率與生產(chǎn)級配，計(jì)算不同粒徑混合料顆粒的數(shù)量，合六葉公路橋鋪裝的生產(chǎn)設(shè)計(jì)級配如表1所示，模型中各種尺寸顆粒的數(shù)量如表2所示。采用微觀參數(shù)驗(yàn)算法設(shè)定Burgers模型與平行粘結(jié)模型表征合六葉環(huán)氧瀝青混合料的材料性質(zhì)[5]，其參數(shù)如表3所示。

表1 合六葉公路橋EA-10生產(chǎn)配合比級配

表2 模型中各粒徑尺寸顆粒的數(shù)量

表3 環(huán)氧瀝青混合料的材料性質(zhì)

橋面鋪裝模型的邊界尺寸設(shè)為200mm×71mm×50mm，其中頂層鋼板與下層鋪裝厚度之和為7.1cm，并在模型縱向的中部設(shè)置1∶8的斜坡以模擬合六葉公路橋的不等厚結(jié)構(gòu)，頂層鋼板的材料參數(shù)如表4所示。

表4 鋼橋面板的材料參數(shù)

考慮到鋼橋面鋪裝碾壓作業(yè)不允許采用振動壓實(shí)，且需限制鋼輪壓路機(jī)的質(zhì)量不得過大，即對于鋼橋面鋪裝施工，鋼輪碾壓工序的控制更為重要；同時(shí)，為降低模型的計(jì)算難度，提高仿真效率，對碾壓荷載的作用形式進(jìn)行簡化處理，即采用單一鋼輪荷載靜壓的方式進(jìn)行模擬，并通過伺服系統(tǒng)控制豎向壓力為100N/cm2。參考合六葉公路橋施工技術(shù)指南與常規(guī)鋼橋面鋪裝碾壓作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定碾壓仿真參數(shù)如表5所示。

表5 碾壓作業(yè)參數(shù)

3 細(xì)部力學(xué)分析

首先對表5所述的碾壓參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，通過提取每次碾壓后過渡斜坡兩側(cè)區(qū)域混合料顆粒的單次下降量，匯總制成單次碾壓下降量與累計(jì)碾壓下降量的趨勢圖，如圖4所示。

圖4 單次碾壓厚度下降量與累計(jì)碾壓厚度下降量

如圖4所示，在碾壓作業(yè)的三個階段中，初壓階段混合料厚度的單次碾壓下降量最大，之后單次碾壓下降量隨碾壓遍數(shù)的增加而逐漸降低；混合料的累計(jì)碾壓厚度下降量在初壓階段的下降幅度最大，隨著碾壓遍數(shù)的增加，混合料累計(jì)碾壓厚度的下降趨勢逐漸放緩，并在終壓階段穩(wěn)定，符合鋼橋面鋪裝的實(shí)際碾壓效果，即本模型可以較好地模擬鋼橋面鋪裝的碾壓作業(yè)。

合六葉公路橋不等厚過渡區(qū)的鋪裝可基于厚度大小分為三部分，即厚度較薄的一側(cè)、過渡斜坡和厚度較厚的一側(cè)，本節(jié)記下鋪裝層厚度從高到低為碾壓方向a，相反則為碾壓方向b，如圖5所示。

圖5 不等厚鋪裝的碾壓方向示意圖

為進(jìn)一步分析不等厚結(jié)構(gòu)對合六葉公路橋下層鋪裝應(yīng)力響應(yīng)的影響，提取碾壓作業(yè)時(shí)混合料顆粒在三維方向上的平均應(yīng)力張量，以此定量分析不等厚結(jié)構(gòu)對碾壓過程的影響，各計(jì)算區(qū)域的選擇如圖5中方框所示，平均應(yīng)力張量的計(jì)算如式(1)所示，匯總結(jié)果如圖6所示。

(1)

式中，σij代表在混合料體積V上的應(yīng)力張量。

圖6 環(huán)氧瀝青混合料的平均應(yīng)力

如圖6所示，在碾壓過程中，不等厚過渡區(qū)與附近區(qū)域混合料的應(yīng)力響應(yīng)存在顯著差異。3號區(qū)域混合料的平均應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他區(qū)域，這說明不等厚過渡區(qū)較薄一端的混合料在碾壓作業(yè)中的受力狀態(tài)最差，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場情況適當(dāng)減少其碾壓遍數(shù)，避免發(fā)生過壓造成混合料中的集料發(fā)生破碎；3號與4號區(qū)域混合料在三個方向上的平均應(yīng)力均明顯大于其他區(qū)域，這說明不等厚過渡區(qū)的混合料在碾壓中更容易出現(xiàn)過壓，應(yīng)當(dāng)控制壓路機(jī)避免在不等厚過渡區(qū)上方長時(shí)間靜止停留；1號與2號區(qū)域的平均應(yīng)力大于5號與6號區(qū)域，這是因?yàn)?號與6號區(qū)域混合料的厚度更大，能相對更好地分散壓路機(jī)的碾壓作用，因此應(yīng)嚴(yán)格控制不等厚過渡區(qū)的碾壓作業(yè)，避免由于過壓或壓路機(jī)的長時(shí)間停留而影響鋪裝性能。

4 結(jié)論

為保證合六葉公路橋不等厚鋪裝的施工質(zhì)量，基于PFC3D離散元軟件，模擬分析了不等厚鋪裝的碾壓作業(yè)，得到以下結(jié)論：

(1)在初壓階段與復(fù)壓階段，環(huán)氧瀝青混合料的厚度下降量較顯著，而在終壓階段，混合料的厚度基本無變化，因此應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格把控碾壓作業(yè)的初壓與復(fù)壓工序，以保證施工質(zhì)量。

(2)在碾壓過程中，不等厚過渡區(qū)的混合料受力明顯大于其他區(qū)域，特別是不等厚過渡區(qū)鋪裝較薄的一側(cè)，其受力狀態(tài)最差，應(yīng)控制壓路機(jī)不在此區(qū)域長時(shí)間靜止停留，以避免混合料出現(xiàn)過壓或破壞。

(3)鋪裝厚度越大，碾壓作業(yè)所引起的力學(xué)響應(yīng)相對越小，即混合料越不易壓實(shí)。對于合六葉公路橋的不等厚鋪裝結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，靈活調(diào)整碾壓遍數(shù)與速度等參數(shù)，保證各區(qū)域混合料的碾壓質(zhì)量。