層間接觸狀態對橋面鋪裝結構力學響應的影響

萬晨光++申愛琴 薛翠真++趙學穎??

摘要：為解決混凝土橋橋面鋪裝結構設計時對調平層與瀝青鋪裝層層間真實接觸狀態考慮不足的問題，采用理論推導和室內試驗相結合的方法，應用層間接觸系數來評價不同層間處治措施下的層間接觸狀態，同時采用ANSYS軟件對不同接觸條件下的力學響應進行分析.結果表明，植石措施下的層間接觸系數值最大，為0.607，這與其表面構造深度大有關；部分連續層間接觸狀態下瀝青鋪裝結構的受力狀態明顯較完全連續接觸條件惡化，以拉毛措施下的瀝青鋪裝層剪應力為例，XY向、YZ向剪應力最大值分別為0.412 MPa和0.421 MPa，較完全連續條件下的0.195 MPa和0.222 MPa分別增加了111%和91%，說明以完全連續層間接觸條件進行鋪裝結構設計是不合理的；四種混凝土表面處治措施下，各鋪裝層所受最大應力變化不大，但與完全連續狀態相比，瀝青鋪裝層的受力狀況明顯惡化，說明在鋪筑實體工程時要盡可能增強調平層與瀝青鋪裝層的層間接觸狀態.

關鍵詞：公路建設；橋面鋪裝；部分連續式雙層梁；層間接觸系數；力學響應

中圖分類號：U443.33 文獻標識碼：A

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

目前，我國在進行橋面鋪裝結構設計時，并沒有考慮層間的真實粘結狀態，而是假設各結構層層間為完全連續[5-6]，這往往導致計算出的應力應變值偏小，使鋪裝結構處于受力不利狀態，進而使得橋面鋪裝真實壽命遠遠小于設計壽命[7].為此，本文針對橋面鋪裝水泥混凝土調平層和瀝青鋪裝層層間受力特點，采用理論推導和室內試驗相結合的方法，應用層間接觸系數來評價不同層間處理措施下的層間接觸狀態，同時運用ANSYS有限元軟件對不同接觸狀態進行模擬，并對其受力情況進行對比分析.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層材料的選擇提供依據，同時為混凝土橋橋面鋪裝設計方法的提出提供參考.

1層間接觸系數理論與試驗研究

1.1層間接觸系數力學模型

層間接觸系數在此定義為混凝土橋橋面鋪裝調平層與瀝青鋪裝層層間粘結狀態的評價指標，其值反映了鋪裝結構的協同受力能力.層間接觸系數的推導采用與加鋪新層的水泥混凝土路面相似的力學分析方法，即新舊層中性面相對位置對路面結構受力有很大影響[8]，用瀝青混凝土+水泥混凝土雙層梁中性軸的相對位置來反映其層間接觸狀況.完全分離式雙層梁和完全連續式雙層梁的中性軸位置是容易確定的[9]，然而部分連續式雙層梁則不然，上下層中性軸的位置隨層間粘結狀態的好壞而改變，層間粘結狀態越好，兩個中性軸就越接近，層間完全連續時，中性軸就會重合[10].據此，采用如下部分連續式雙層梁力學模型[10]，X軸為層間完全連續時中性軸的位置，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α為部分連續式雙層梁中性軸對X軸的偏離系數，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β=1-α，由建立的模型可知，該系數與雙層梁層間接觸狀態有很好的關聯性：β=1時， 上下梁中性軸與X軸重合，此時雙層梁為完全連續狀態；β=0時，雙層梁為完全分離狀態；0<β<1時，雙層梁為部分連續接觸狀態.

1.4層間接觸系數試驗研究

1.4.1試件成型

采用標準車轍板試模成型水泥混凝土板，為模擬真實施工現場，分別在混凝土表面進行拉毛、刻槽、銑刨和植石處理（如圖2所示），其表面構造深度分別為0.8 mm，0.6 mm，1.2 mm和1.4 mm；然后在標準條件下養護7 d；在處理過的混凝土板表面噴灑防水粘結層，本文選用SBS改性瀝青同步碎石封層作為防水粘結層，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興起的一種新型復合路面層間處治措施，在與拉毛、刻槽等層間處治路段的對比中取得了非常良好的效果，由于橋面鋪裝結構與復合路面結構及受力特點十分相似，因此考慮可將植石方法應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、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到粒徑的2/3，以使混凝土表面形成粗糙構造.

測試瀝青混凝土和水泥混凝土模量時，還需分別制作單層小梁，在此不再贅述.

1.4.2層間接觸系數測試

試驗在25 ℃條件下進行，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，因此在進行彈性模量測試時，加載荷載均取為小梁試件的0.5倍破壞荷載，彈性模量測試結果如表1所示.

在進行部分連續雙層梁抗彎剛度測試時，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行抗彎剛度測試，并將測試結果代入式（2）進行層間接觸系數計算，由于在試驗時不可避免地會存在由試件制作不均勻等問題而導致的數據離散性較大的現象，本研究每組試件數量取為12個，通過增加平行試驗數量，舍棄與平均值偏離較大的數據，作為試驗最終結果，在此，僅列出最終結果如表2所示.

由試驗結果可知，拉毛、銑刨和植石三種措施下均在1.6 kg/m2瀝青灑布量時層間接觸系數取得最大值，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大小排序為：植石>銑刨>拉毛>刻槽，這與銑刨、植石措施下混凝土表面構造深度大、上下層能更好的進行齒合交互作用，而同時拉毛、刻槽措施下混凝土表面構造深度小有關.

對于刻槽措施，其最佳瀝青灑布量位于1.0～1.4 kg/m2之間；對于拉毛措施，瀝青灑布量為1.2 kg/m2時層間接觸系數明顯大于2.0 kg/m2時的接觸系數，說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；對于銑刨和植石措施，瀝青灑布量為2.0 kg/m2時層間接觸系數則明顯大于1.2 kg/m2時的接觸系數，這說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造深度大有關.

2層間接觸狀態對鋪裝結構受力的影響

2.1橋面鋪裝有限元模型的建立

選取銅黃高速（銅川黃陵）沮河特大連續剛構橋為研究對象，對于橋面鋪裝結構，連續剛構橋中跨跨中為關鍵截面[1]，因此選取中跨跨中附近13 m長的梁段作為本文的研究對象，進行橋面鋪裝結構受力分析.該梁段高度在3.5～3.54 m之間，由圣維南原理可知，橋面鋪裝結構僅在距模型兩端部一定范圍內受邊界條件的影響，因此模型中間部位的結果是可以反映鋪裝結構的真實受力情況.

所建橋面鋪裝模型結構、材料屬性均與室內試驗中復合梁保持一致，溫度與模量測試試驗溫度保持一致，模型各部采用的材料單元及參數見表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、胎壓條件下對橋面鋪裝結構進行加載.鑒于銅黃高速重載車輛眾多，在進行計算時后軸輪組軸重取為140 kN，輪胎胎壓取為0.8 MPa.

由于各部分所需計算精度不同，因此在進行網格劃分時尺寸設置也不盡相同：梁體網格尺寸為15 cm×15 cm×10 cm，鋪裝結構網格尺寸為10 cm×10 cm×5 cm，輪胎模型網格尺寸為5 cm×5 cm×5 cm.后軸雙輪組輪胎模型尺寸和輪胎內部結構分別如圖3～4所示，建好的整體模型和輪胎模型如圖5所示.

模型的邊界條件設置為：模型兩端均進行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）不進行約束.

2.2鋪裝結構受力分析

為了分析混凝土調平層與瀝青鋪裝層層間接觸狀態對橋面鋪裝結構受力的影響，在前述層間接觸系數試驗的基礎上，將調平層與瀝青鋪裝層的層間接觸狀態分別設置為光滑（層間接觸系數無限趨近于零）、拉毛、刻槽、銑刨和植石所分別對應的層間接觸系數（其余各層間設為完全連續接觸狀態），計算各結構層的受力情況.對于層間接觸系數與ANSYS中摩擦系數的轉化，借鑒了董開亮等[12]的研究成果，由試算結果可知，該轉化方式是合理且可行的.

同時，為了對層間接觸系數的合理性進行驗證，還計算了層間接觸系數為1（層間完全連續）時鋪裝結構受力情況，并與完全粘結狀態下的受力情況進行對比分析.計算時假設車輛處于80 km/h的勻速行駛狀態，通過線速度和輪胎模型半徑來確定輪胎模型圍繞圓心的角速度值，同時在輪胎與鋪裝結構表面間設置摩擦對，摩擦系數統一設定為0.05[13].

不同層間接觸狀態下，模型跨中附近橋面鋪裝各結構層最大拉應力對比情況分別見圖6和圖7.

由圖6和圖7可得出如下結論：

1）當層間接觸系數為1，即調平層與瀝青鋪裝層層間完全連續時，各鋪裝層所受最大橫、縱向拉應力與完全粘結條件下的各力基本相同，最大誤差不超過3%.這說明層間接觸系數的定義、公式推導以及以層間接觸系數來評價層間接觸狀態是合理的.

2）對于完全連續與完全光滑兩種層間接觸狀態，瀝青鋪裝層所受橫、縱向拉應力最大值差別不大.而對于混凝土調平層，完全連續接觸狀態下的橫、縱向拉應力值分別為0.185 MPa和0.127 MPa，較完全光滑接觸狀態下的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下，瀝青鋪裝層與混凝土調平層間應力傳遞作用受到很大的影響，僅能傳遞壓應力，進而使得調平層所受拉應力大大減小.

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

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

圖8和圖9分別為各種層間接觸條件下，跨中部分各鋪裝結構所受最大XY向、YZ向剪應力的對比情況.

由圖8和圖9可得出如下結論：

1）當層間接觸系數為1，即調平層與瀝青鋪裝層層間完全連續時，各鋪裝層所受最大XY，YZ向剪應力與完全粘結條件下的各力基本相同，最大誤差不超過5%.這再次說明層間接觸系數的定義、公式推導以及以層間接觸系數來評價層間接觸狀態是合理的.

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

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

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

3結語

1）通過室內試驗和理論計算表明，采用層間接觸系數作為混凝土調平層與瀝青鋪裝層層間接觸狀態評價指標是合理的.

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

3）在進行橋面鋪裝結構設計時，將調平層與瀝青鋪裝層層間假設為完全連續的層間接觸狀態是不合理的.

4）四種混凝土表面處治措施下，各鋪裝層所受最大應力變化不大，但與完全連續狀態相比，瀝青鋪裝層的受力狀況明顯惡化，說明在鋪筑實體工程時要盡可能增強調平層與瀝青鋪裝層的層間接觸狀態.

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