（市政工程专业论文）钢筋混凝土梁桥柔性铺装工作状态有限元分析.pdf

大连理t 大学硕十学位论文 摘要 处于自然环境中的桥面柔性铺装体系，同时承受车辆轮载和外界温度作用，既是桥 梁结构的受力层，又是保护层。良好的铺装层设计不仅可以提供足够的承载力，而且可 提高桥梁结构耐久性，延长桥梁的使用寿命。 本文应用有限元软件a n s y s 的三维结构单元，对钢筋混凝土桥双层柔性铺装体系 在环境条件下的工作状态进行了数值模拟研究。对其在荷载作用下的受力状态，及铺装 层温度在气温、辐射作用下的分布情况进行了计算。在此基础上，研究了温度日变化对 双层铺装体系位移，应力，应变的影响，并与常温下的计算结果进行对比分析。 固定温度时荷载作用下的有限元受力分析的结果表明，铺装层表面拉应力、层内剪 应力是造成铺装层破坏的主要因素。在变化的气温作用下，铺装层的温度变化幅度高于 周围环境气温的变化幅度。周期性变化的温度一方面会影响铺装层的弹性模量；另一方 面造成温度梯度的变化，影响铺装上下层刚度比。在变温条件影响下的荷载作用受力分 析结果表明，由于材料感温性，变温条件使铺装层的受力情况发生明显变化，铺装层剪 应力、拉应力、拉应变、压应变的极值比按固定温度2 0 计算的值大。一天内即一个温 度循环周期内，应变、位移的变化幅度较大，峰值在高温时出现。一个温度循环周期内， 应力变化幅度较小，最大拉应力受温度影响最为显著，其次为剪应力。因此，在对桥面 铺装结构进行分析时，应考虑温度变化的影响，对固定温度下的桥面铺装计算结果进行 修正，以符合实际情况。 通过对静态、动态阶段改进车辙试验有限元方法模拟的应变结果与改进车辙试验应 变片实测值的比较可以发现，弹性阶段的有限元模拟能反映动态轮载作用下的铺装层变 形规律，t i m eh 缸d m g 型蠕变方程的模拟的计算结果与静载持荷阶段的应变接近。采 用a n s y s 提供的d r u c k e r - p r a g e r 准则对沥青混凝土铺装层的塑性阶段进行模拟可以发 现，塑性阶段的应变明显高于弹性阶段。 关键词：桥面铺装；温度分布；荷载作用；有限元 钢筋混凝十梁桥柔性铺装工作状态有限元分析 t h ef e m a n a l y s i so na s p h a l tp a v e m e n tw o r k i n gc o n d i t i o no f r e i n f o r c e dc o n c r e c tb r i d g e a b s l ：r a e t n 心b r i d g ed e c kp a v e m e n ts y s t e m , w h i c hi sb e a r i n gt h ev e h i c l el o a da n ds t m o u n d i n g e n v i r o n m e n t , i st h es t r u c t u r a ll a y e ra n dp r o t e c t i n gl a y e ro ft h eb r i d g e p r o p e rd e s i g no ft h e b r i d g ed e c kp a v e m e n tw i l lp r o v i d e 印o u g hc a p a b i l i t yf o rb e a r i n gt h el o a d ，i m p r o v et h e d u r a b i l i t yo f d e c ka n dp r o l o n gt h es c i w i c ep e r i o do f b r i d g e i nt h i st h e s i s ，t h ew o r k i n gc o n d i t i o nu n d e re n v i r o n m e n to f t w ol a y e ra s p h a l tb r i d g ed e c k p a v e m e n ti sa n a l y z e db yt h ef e ms o t t w a r ea n s y $ n 璩s t r c s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o nu n d e r f o r c e , t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nu n d e rv a r i e da i rt e m p e r a t u r ea n dr a d i a t i o n sa r ec a l c u l a t e d o nt h e - b a s e s t h ea f f e c t so f t h ep a v e m e n tt e m p e r a t u r ec h a n g e sa r ea n a l y z e d f r o mt h ef e mr e s u l ti nc o n s t a n tt e m p e r a t u r e , t h em a x i m u ms h e a rs t r e s sa n dt h e n 埔x i i i l u mt e n s i l es t r e s sr e s u l ti n d e s t r o yo fb r i d g ed e c km a j o r l y u n d e rv a r i o u s a i r t m p c r a t u r e ，t h ep a v e m e n tt e m p e r a t u r ea m p l i t u d ei sl a r g e rt h ea i rt e m p e r a t u r e i no l l eh a n d , t h et e m p e r a t u r ec h a n g eo fp a v e m e n ta f f e c t st h ey o u n g sm o d u l u s i na n o t l a c rt h eg r a d i e n to f t e m p e r a t u r ec h a n g ea tt h es a m et i m e f r o ma n a l y t i c t h ep a v e m e n tw o r k i n g c o n d i t i o nc h a n g e s o b v i o u s l y 皿他s h e a rs t l e s $ t e n s i l es t r e s sa r i dp r e s s u r es t r e s su n d e rv a r i a b l et e m p e r a t u r e 雠 b i g g e rt h a nt h ec o r r e s p o n d i n gv a l u eo ft h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r eb e c a u s eo ft h et e m p e r a t u r e s e n s e t i v i t yo f a s p h a l tm a t e r i a l i n2 4h o u r t h em a g n i t u d eo f d i s p l a c e m e n ta n ds t r a i nc h a n g ei s n o t a b l e mm a x i m u mv a l u e sa r cf o u n da th i 曲t e m p e r a t u r e n l em a g n i t u d e do fs l x e s s si sn o t n o t a b l ea sd i s p l a c e m e n ta n ds t r e s s e s 1 1 l ea f f e c to ft e n s i l es t r e s si sm o l es i g n i f i c a n tt h a n c o m p r e s s i v es t r e 鹊t h e r e f o r e ，t h ev a r i e t yo f p a v m e n ts h o u l db ec o n s i d e r e di nt h ec a l c u l a t i o n o fp a v e m e n tw o r k i n gc o n d i t i o nt op r o p e r l ys i m u l a t et h ea e u t u r a ls t a t u s a sar e s u l t , t h e t e m p e r a t u r ea f f e c tw i l lb ec o n s i d e r e di nt h ed e s i g no ft h ep a v e m e n ta n dt h er e s u l to ft h e c o n s t a n tt e m p e r a t u r es h o u l db ec o r r e c t e da c c o r d i n gt ot e m p e r a t u r e b yc o n t r a s to f t h ef e ms i m u l a t i o nr e s t , f i ta n dt e s tm e a s u r e m e n tv a l u e , t h es t r a i nv a l u eo f f e ms i m u l a t i o no fe l a s t i cm a t e r i a lc o u l di n f l e c tt h es t r a i nc h a n g eo fd y m a n i el o a d i n gs t a g e 1 1 ”m o d e lw i t ht i m eh a r d e n i n gc r e e pe q u a t i o nm o d e ls i m u l a t e st h es l r a i ni nt h es t a c t i c l o a d i n gs t a g e n 把p l a s t i cs t a g ei ss i m u l a t e db yd r u e k e r _ p r a g e rc r i t e r i o na n dt h cs t r a i ni nt h a t s t a g ei ss i g n i f i c a n t l yb i g g e rt h a nt h ee l a s t i e0 1 1 c k e yw o r d s ：b r i d g ed e c kp a v e m e n t ；t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ；l o a de f f e c t ；f e m i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：囱丝益 日期： 冱2 ：丝 大连理t 大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：剖i 至刍 导师签名世j 纭 习一 巡年五月盥 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 桥面铺装体系的功能是保护桥面板不受车辆轮胎的直接磨耗，防止主梁遭受雨水侵 蚀，分布车辆轮重的集中荷载。桥面的柔性铺装既要达到路面的结构强度高、抗变形能 力强，较好的水稳定性和温度稳定性、耐磨、平整、抗滑的要求，还要拥有较优的抗冲 击性能、良好的粘结性能、并能适应桥面板在荷载作用下的变形。但是由于缺乏系统的 设计理论，所以一直套用道路路面的结构形式。近来一些高速公路桥面铺装出现严重损 坏，社会影响较大，引起人们的极大关注。 1 1研究背景 目前，我国公路建设的速度正处于一个前所未有的发展时期，公路总里程达到1 8 0 万公里，其中高速公路总里程3 万公里，跃居世界第二位，仅用十年时间就走过了发达 国家4 0 年的发展历程。发达国家公路桥梁的发展历程表明，桥面铺装的研究是一项不 可忽视的环节。 1 9 7 9 年，a a s h t o ( a m e r i c a na s s o c i a t i o no fs t a t eh i g h w a ya n dt r a n s p o r t a t i o n o f f i c i a l s ) 的研究认为交通设施的破坏速度大于建设和维修养护速度。1 9 8 0 年，美国州 际公路桥梁的桥面重铺和升级改造中的费用超过2 0 亿美元。根据f h w a ( f e d e r m h i g h w a y a d m i n i s t r a t i o n ) 1 9 8 3 年全国桥梁统计清单，在所有5 6 4 5 0 0 座桥梁中，约有4 5 存在结构性或功能性破坏。苏格兰格拉斯哥市京斯顿大建成通车后，桥面铺装破坏，但 其车流量大，是全欧洲最繁忙的桥，维修加固时无法关闭交通，修复投资大约为1 2 7 5 0 万美元，比建桥的2 2 5 0 万美元高出了5 倍多。我国广东省肇庆市北江马房大桥，该桥 为1 4 孔跨径6 4 米的正交异性桥面板的双钢箱简支梁桥，第一次桥面铺装因材料选用不 当，使用3 个月就出现了严重的早期推挤、开裂、松散、脱层等病害。广东省佛开高速 公路，开通不到两年，全线1 7 座大型桥梁竟有1 4 座被迫返工维修，重新铺装桥面，耗 费3 0 0 多万元。汕头海湾大桥，桥面铺装采用了6 c m 厚的钢纤维混凝土，通车后不久即 发现裂缝，半年后开始重建。 根据对桥面铺装层的体系结构、工作状态下的受力状态、破坏准则、设计方法进行 研究，可使铺装层达到强度高、整体性好、抗冲击、抗疲劳、防水、适应温度变化的要 求，从而达到减少设计使用期内的早期破坏的目的，满足行车荷载和环境不利因素下的 结构性要求和功能性要求。从经济上考虑，良好的桥面铺装设计可以防止早期破坏，延 长桥梁结构的使用寿命，满足高质量的行车要求，降低维修费用和维修的周期；从安全 的角度考虑，良好的桥面铺装设计可以减少铺装层开裂，防止由于过度的铺缝导致铺装 钢筋混凝土梁桥柔性铺装工作状态有限元分析 层的迅速恶化和减短寿命，及因此导致的侵蚀性有害物质更快地渗透到其下的桥梁结 构，引起梁板体耐久性下降。从而降低造成重大灾害的可能。 桥面铺装分为刚性铺装和柔性铺装。刚性铺装是以水泥混凝土为主要材料的面层铺 装结构。柔性铺装是以沥青混凝土为主要材料的面层铺装结构。本课题主要针对桥梁的 柔性铺装层进行研究。 桥面铺装直接承受车辆轮载和外界温度作用，既是桥梁结构的受力层，又是保护层。 良好完善的桥面铺装可以起到抵御车辆荷载冲击力、抵御氯化物、汽油、酸、溶剂等等 其他污物损害，防止桥面板碳化，创造平整、抗滑的行车表面的作用。而铺装体系自身 则应有足够的强度、对温度有良好的适应性能和对混凝土有良好的粘结性能。 以往的钢筋混凝土桥梁设计中，桥面铺装往往选取与路面结构相同的铺装层材料和 厚度。对柔性铺装层本身缺少应力、应变的分析，设计也无公认的破坏准则。目前，由 于道路功能性要求的提高，由桥面铺装的破坏而影响正常使用的现象屡有发生。在车辆 荷载及温度、降水等环境因素的影响下，沥青混凝土铺装层逐步老化，出现有抗滑性能 下降、剥离、坑槽、拥包等现象，导致路用性能下降，影响行车的舒适性和安全性；并 且由于平整度降低，增加了车辆冲击、振动，使主梁直接受到外界环境不良因素的影响 而易产生更严重的破坏。 桥面铺装结构处于主梁之上，有别于路面的垫层。因此，首先要对铺装层的工作状 态进行分析。铺装层工作状态的分析包括其荷载作用下的受力状态和温度分布状态。 铺装层的工作状态是由柔性铺装层沥青混合料的特性与荷载的特点决定的。从材料 学的角度，沥青混合料是由沥青和集料构成的一种复合材料。作为基体的沥青，具有随 温度和加荷时间变化的特性，即感温性和感时性。在不同的温度和荷载作用时间里，沥 青混合料表现出弹性、粘性、粘弹性的复杂性质。而作用在桥面铺装上的荷载也较为复 杂【“。从荷载作用的方向看，可分为垂直荷载、水平荷载；从荷载的动力性质看，可分 为静荷载和动荷载。荷载的作用时间、频率也有较大的差别。 对于铺装层的工作状态研究，应包括一下的几个部分。 1 轮载作用下的桥梁结构上的受力状态分析； 2 桥面铺装的温度状态和范围分析； 3 变温条件对铺装层的荷载作用影响分析。 4 根据计算结果，研究桥面铺装的设计参数的确定和破坏准则。 大连理工大学硕士学位论文 1 2国内外相关研究现状 1 2 1桥面铺装层的研究现状概述 ( 1 ) 国外研究现状 国外对于桥面铺装层的研究往往是对材料提出了具体要求，推荐了相应铺装层结构 的材料和厚度。对于大跨径钢桥的铺装层技术也比较成熟，应用最广泛的浇注式沥青混 凝土、沥青玛蹄脂混凝土、改性沥青和环氧树脂沥青混凝土等，较好的解决了大跨径桥 梁的铺装材料和铺装技术问题。在十九世纪七八十年代又将防水层材料的选择标准和防 水系统的设计方法写入了规范。至今，许多发达国家仍在对此进行研究，这一阶段研究 工作的特点是与工程实际紧密结合、目标明确、内容细化且深入。 在桥面铺装层受力状态研究方面，美国加州大学s a nd i e g o 分校的f s e i b l e 和c t l a t h a n l 教授，在通过在桥面板上加铺全厚式混凝土来恢复和提高旧桥面板的承载力的 研究课题中，详细地对钢筋混凝土桥面板上水泥混凝土铺装层进行了研究。研究内容主 要集中在交界面上，发展了夹层非线性滑动和弯曲模型，将这一模型用于桥面铺装层的 分析，具有较好的可行性【2 1 。日本的t a t s u on i s h i z a w a 以三棱体单元和剥离单元分析了 正交异型板桥的受力状态，并进一步考虑了动态作用和沥青混凝土的粘弹性p j 。 ( 2 ) 国内研究现状 早在1 9 9 8 年，王秉纲等【4 】就提出了跨构造物路面结构修筑技术问题，并总结了我国 桥梁不采用防水和采用防水情况下的铺装层常规做法，也对日本和印度的做法进行了介 绍。1 9 9 9 年，黄晓明等【5 】使用夹层单元对大跨钢桥桥面铺装结构进行了有限元受力分析， 为模拟了层间既不完全连续又不完全滑动的状态，在桥面板和沥青混凝土之间采用了夹 层单元，给出了夹层单元刚度参数的试验方法和正交异型板桥铺装层和粘结层的最大应 力位置。2 0 0 0 年，张占军等哪，i 9 】对水泥混凝土桥面沥青铺装层厚度进行研究，采用弹 性层状体系理论，通过对常见防水层材料和层间结合料进行直剪试验，对水泥混凝土桥 面层间剪应力进行了力学计算与分析。并结合防水层、平整度、施工工艺和车辙指标的 要求，提出了桥面沥青铺装厚度的计算方法，在此研究基础上推荐了桥面铺装结构与厚 度范围。之后又应用有限元法，对设防水层的水泥混凝土桥面沥青铺装结构进行剪应力 计算，认为层间最大剪应力主要取决于铺装层厚度和防水层模量，在相同的防水层模量 下，增加面层厚度是降低层间剪应力的最有效手段。王京元掣i o 对水泥混凝土桥沥青混 凝土桥面铺装早期病害原因进行了分析，参照沥青混凝土路面系统的提出了结构设计方 法：初步确定铺装层的各结构层、预定铺装层厚度、进行剪切设计，经以上设计初步确 定满足强度要求的铺装层厚度，再检验这一厚度是否满足车辙等其它方面的要求，该厚 钢筋混凝土梁桥柔性铺装_ 1 ：作状态有限元分析 度不能太大，以免过多增加桥梁的自重。崔健伟】分别按照空心板日j 铰接完好和铰接完 全破坏两种极限情况对铺装层的受力状态进行了分析，并对在持续大幅降温条件下的应 力分布进行了计算分析，同时分析了沥青混凝土材料性能对铺装层受力的影响。 我国近几年的工程实例证明：由于沥青、集料等材料上的差异、各地气候因素差别、 施工水平的不同，国外的桥面铺装技术在我国的桥面铺装上很难得出很好的效果，加之 我国桥型的选择上有了自己的特色，国外的规范更加不适用，须针对我国桥型、气候下 的问题进行具体分析。而国内的铺装层研究目前还并不完善，研究方法也不尽相同，其 具体表现在为车辆荷载选取上的不同、层问结合条件选取不同、采用模型方法不同等等。 加上桥面铺装问题本身选取参数、计算桥型的差异，很难将以上的研究成果总结成适合 编制规范的系统的设计方法。 国内近年来对于桥面铺装的研究集中在： 1 应用数值方法模拟各种形式桥梁在荷载作用下的内力； 2 对桥面铺装材料，桥面铺装粘结材料进行试验研究； 3 对桥面铺装粘结材料试验方法的研究。 综合国内外的研究现状，完善桥面铺装设计理论和设计方法，还需要在已有的研究 基础上加以归纳和总结，取用合理的荷载、模型方案，归纳对各个桥型的受力状态分析 结果。以及试验的结论。 1 2 2已有的桥面铺装层的荷载参数和荷载模型 ( 1 ) 桥梁规范中的荷载规定 公路桥梁通用设计规范( j t gd 6 0 - 2 0 0 4 ) 规定对桥梁结构和其附属结构计算时 的荷载包括汽车荷载、汽车冲击力、汽车离心力、制动力等，荷载按设计等级分为公路 i 级与公路级，按类型分车辆荷载和车道荷引1 2 】对于结构物的局部加载使用车辆荷 载。采用的汽车荷载重为5 5 0 k n ，前轴重3 0 k n ，后轴重分别为2 x 1 2 0 k n 、2 x 1 4 0 k n 。 相应的后轮接地宽度和长度分别为o 6 m 和0 2 m 。汽车冲击力按桥梁的基频计算出系数， 与汽车荷载值相乘。制动力最小为车辆荷载的o 3 倍。 ( 2 ) 道路规范中的荷载规定 公路沥青混凝土设计规范( j t j 0 1 4 - - - 9 7 ) 规定的汽车的标准的轴载为b z z - 1 0 0 ， 即设计标准轴重为1 0 0 k n ，荷载简化为双圆或单圆均布荷载，双圆荷载接地直径为 0 2 1 3 m ，两圆中心距为1 5 倍的直型1 3 】。水平荷载规范一般不作演算。水平荷载的大小 应为标准轴载乘以纵向滑移路面附着系数，路面结构在干湿相同的状态下，车速越高， 系数越小。汽车的冲击系数一般不超过o 3 【l4 】。 4 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 其他因素 公路桥规【1 2 】中还规定了桥面温度和温度梯度的情况。对温度的规定，只用于水泥 混凝土主梁的计算未从铺装层沥青混合料设计的角度做出规定。另外，以上所用的汽 车荷载都是静态的，没有荷载作用时间的相关数据。 公路桥规中采用的是按极限荷载设计准则，而公路沥青混凝土设计规范取标 准车型b z z 1 0 0 ，认为大部分车辆的后轴轴载在1 0 0 k n 以下，而由于其采用了累积作 用次数导致破坏的准则，公路沥青混凝土设计规范中的车辆实际作用还需要经过轴 载换算。桥梁的设计年限较长，而公路较桥梁设计年限短。直接采用道路或桥梁规范中 的车辆荷载，计算出的轮胎接地压力不同，因此，计入的汽车冲击力、水平荷载也都不 相同 在桥面铺装的计算中，产生早期破坏的荷载往往是水平荷载，如采用不同的荷载， 或者水平力系数选取不同，结论也会有所区别。以上的两种荷载形式在国内的研究中都 有使用。另外桥面铺装层也受温度和温度梯度的影响，所以宜综合考虑以上因素，选取 安全、经济、合理的轴载类型和水平荷载作用的系数。 ( 4 ) 模型采用的材料和结构 桥面铺装结构的一般形式为沥青混凝土层+ 防水层+ 铺装层水泥混凝土+ 主梁的结构 体系。常用的直接接受荷载作用的面层材料多为沥青混凝土或沥青玛蹄脂碎石，设计时 采用一层或多层。常用的桥面防水材料主要有乳化沥青、改性乳化沥青、热沥青、热改 性沥青、a p p 卷材、s b s 卷材。其中，改性乳化沥青、热改性沥青、a p p 卷材用量最多。 部分高速公路的桥面防水工程开始将国外的自粘卷材、树脂类防水层用于实际工程。铺 装层水泥混凝土为与主梁同一标号的水泥混凝土或纤维混凝土。参数由材料试验及相关 规范而定。 目前研究中，计算中往往采用三维有限元模型，建立有限元模型之前引入以下假设： 假设沥青混凝土是均匀、连续、各向同性的弹性材料； 约束施加在主梁端的底端面上，对结构应力分析产生的影响不大； 混凝土桥面体系是均匀、连续、各向同性的弹性材料； 钢筋混凝土梁桥的主要类型有简支梁桥如现浇板桥，铰接实心板、空心板桥，连 续梁桥等【”l 。在用有限元分析中用板壳单元来模拟铺装层；用空间梁单元来模拟空心板 梁、t 形梁、横隔梁；用板壳单元来离散箱梁；用杆单元来模拟钢筋 1 7 , 1 8 , 1 9 1 。当分析的 结构较大时往往分为多个层次：首先用较粗的网格划分对桥的整体结构进行受力分析， 以确定桥梁结构整体变形对铺装的作用；然后应用较细的单元网格划分对局部梁段桥面 钢筋混凝t 梁桥柔性铺装工作状态有限元分析 板在轮载作用下的变形进行分析；最后用很细的单元网格划分对铺装层在车轮作用下的 结构内部的应力状态进行分析 1 6 1 。 1 2 3桥面铺装层的工作温度和弹性模量研究现状 桥梁结构处于的自然环境中，桥面铺装结构工作温度随季节气候环境变化有显著不 同。影响沥青混凝土温度的主要外界因素为辐射和气温。国内外学者研究已对沥青路面、 桥梁结构的表面温度进行了多年的研究。研究的内容包括计算和实测桥梁结构体系温度 极值、温度梯度极值、升降温速率的极值；确定结构内的维温度分布( 温度场) ，二 维温度分布；研究由于辐射日变化和温度日变化引起的结构周期性温度场和温度应力 对温度分布的研究方法主要有两种：一为理论分析法，是根据气象学和热传学的基 本原理，利用路面的热力学参数，采用数值分析方法建立沥青路面温度场的预测模型， 如文献 2 0 2 4 1 q b 所作研究。理论分析方法的特点是需要输入环境气温、辐射的边界条件 和材料热工性能等参数。并不需要大量的实测数据，但如模型参数不准确则直接影响结 果的精度：二是统计分析法，是根据路面温度的实测数据和气象站的资料采用回归分析 方法建立路面温度场与平均气温、地理位置等参数间的定量关系，如文献 2 5 ，2 6 】的研究。 其特点是需要大量的原始数据作为不同地区的参数回归资料，此方法仅对于确定路面温 度极值有效，无法确定一天内随气温、辐射热变化的某时刻的具体温度分布。 ( 1 ) 沥青混凝土路面工作温度 由于沥青混凝土的感温性特点，各国在制订沥青混合料设计规范时，都会考虑到沥 青路面的温度情况，以确定道路面层材料。因而，包括了路面的最低温度、最高温度、 任意深度处的温度等方面的研究较为成熟。鉴于沥青混凝土和桥面铺装的工作温度有很 多相似之处。在此先对国内外的沥青路面工作温度的研究加以总结。 s h r p 计划( s t r a t e g i c h i g h w a y r e s e a r c h p r o g r a m ) 采用回归模型确定不同纬度地区的 路面最高温度以及路面以下任意深度的温度【27 】： t i = t 。+ 0 0 0 61 8 l 。+ o 2 2 89 l + 2 4 4 ( 1 1 ) t d m = ( t 。+ 1 7 7 8 ) ( 1 - 2 4 8x 1 0 。d + 1 0 8 5 x 1 0 。- 2 4 4 1 x l f f5 矿) - 1 7 7 8( 1 2 ) 式1 1 中t s 表面最高温度、l 表示纬度。 式1 2 中t d 铺装层任意深度d ( m m ) 处的最高温度。 日本基于对沥青路面温度的调查研究提出了雨天的温度关系式，认为表面温度和气 温t a 之间，在雨天时大致为线性关系，而在晴天和阴天则呈曲线关系【i 】。沥青路面层 内的最大温度与其表面温度之间成线性关系。其表达式为： 雨天： 6 大连理工大学硕士学位论文 t g = 1 2 3 3 t a + 0 8 3 8( 1 3 ) 晴天及阴天时： t 萨1 1 0 0 t a + 1 5 0 + 1 7 0 0 e o 。2 6 h( 1 4 ) 加拿大战略公路研究计划c s h r p 认为路表最低温度要高于气温，提出了沥青路面 低温状况模型如下： t s m 矾= 0 7 4 9 t i m 删 ( 1 5 ) 黄立葵根据现场实测结果详细分析了高温情况下沥青路面的温度分布状况【2 6 1 ，实测 过程中发现，l h 时之内1 2 n u n 处的路面温度( 即最高温度处) 变化超过5 的数据占所有 记录数据的2 4 以上，峰值变温速率可以达到l 肛1 2 h ，并提出该地区预估高温季节沥 青路面最高温度值和任意深度处日最高温度的计算式： r ：一 t 1 2 - = 9 6 9 t 1 2 _ + 2 2 4 6x 1 0 4 s 一+ 2 0 3 3 v t oe , s 由+ i 8 8 t m + i 0 4 2 t 妯一4 7 2 5 2 t d = 1 8 4 8 t 1 2 。- 3 8 1 x 1 0 3 ( d - 1 2 ) x t l 2 。一9 0 7 x 1 0 4 ( d - 1 2 ) 2 9 5 8 ( 1 6 ) ( 1 7 ) 式中：t 1 2 。为当日铺装最高温度，出现在路面1 2 姗处，t d 为铺装层任意深度d ( m m ) 处的最高温度，t 。为前一日的平均气温；1 矗。为前一日的最低气温，l 。为f i 最高气 温，。s 一为日太阳辐射峰值w m 2 。 孙立掣2 5 1 采用回归分析的方法建立沥青路面任意深度温度预测模型： o p - - - p l + ( p 2 oa s + p 3 q 5 ) + h ( p 40a + p 5 q ) h p 6 h + p 7 h 2 + p 8 h ) ( 1 8 ) 式中：0 p 为沥青路面某一深度的温度，；o a 为当前气温，；q 为当| j 太阳辐 射强度，k w n 1 2 ；e a 5 为此前5h 平均气温；q 5 为此前5h 平均太阳辐射强度，k w m 2 ；h 为 路面深度，g i l l ；p l - p 8 为待定的回归系数。 吴赣昌通过对吉林、河北进行的半刚性基层沥青路面的长期温度观测，发现路面 结构横断面上温度分布有所不同，给出了随时间变化的路面二维温度场的分布和粘弹性 理论体系下的沥青路面温度应力计算结果。 台湾地区此方面的研究 2 8 1 考虑了不同季节和午夜和中午的路面温度： t h = b 2 h 2 + b l h + b o ( 1 9 ) 式中：b o 、b l 、b 2 为系数。 韩子东1 2 2 】给出了路面作为一维非稳态温度场的解析解，提出了路面最高、最低温度、 最大温度速率、最大温度梯度等的计算公式。提出路面的最大升、降温速率分别为4 4 9 h 和3 7 0 几。 钢筋混凝t 梁桥柔性铺装- t 作状态有限元分析 余红海【2 9 l 计算了路面结构在考虑周期性温度条件的荷载应力，计算结果显示变温条 件下不同时刻最大剪应力值与恒温情况的结果有显著的偏差，最大偏差为1 8 3 和1 3 6 因此在对路面结构进行荷载剪应力计算时，变温条件不容忽略。 上述路面结构温度的研究成果总结如下： 1 在路面温度场的计算中，最重要的因素是路表温度的确定，它受气温、辐射量、 风速、时间的影响波动幅度最大。可认为最高、最低温度都出现在路表面的薄层范围。 路面极端最高温度6 5 左右，最低温度较气温高。 2 仅仅确定表面温度的极值不足以反映路面温度状况。表面温度达到最大时，内部 温度并未达最大值，且温度梯度也不是最大。因此需要对结构温度场进行研究。 3 在正确的掌握边界条件和路面材料特征参数的情况下，路面温度场的理论计算结 果能准确的反映路面结构的真实温度状态。 4 沥青混凝土面层的保温效果随层厚增大而增强，面层厚度在1 0 c m 以内时，顶部 底部温度差按对数形式衰减，当面层厚度在1 0 c r n 以上时，可认为按线性递减。 5 影响温度速率的主要因素为气温变化速率，辐射强度，风速。文献中所见路面降 温速率为6 c h 。 ( 2 ) 桥面铺装结构的工作温度 桥面和路面结构及两者所处热环境的差别决定了两者温度分布的不同。路面的热传 递全部来自行车道表面的辐射，路面以下沿深度方向温度的极值减小，最高温的出现时 间依次延迟，路面以下一定深度处为相对稳定( 只随季节变化) 的地温。对于桥梁结构 而言，由于其上下表面全部暴露在自然环境中，从行车道表面、底面、两边腹板都受到 辐射、对流等热传递，因此，桥梁结构受气温、辐射、朝向、环境反射等因素的影响较 路面结构更加显著。 目前，对于桥梁温度分布的研究主要用于桥梁结构温度应力的计算，因此对桥面出 现的最大温差和温度梯度较为关注 3 0 l 。各国的桥梁设计规范对温度沿梁高的分布和表面 温差都有规定。我国旧版公路桥规( j t j 0 2 3 8 5 ) 规定以5 c 温差计算桥梁温度应力，2 0 0 4 的新公路桥规( j t gd 6 0 - 2 0 0 4 ) 采用了美国a a s h t o 规范规定的双线性温度分布。我国铁 路规范规定桥梁温度按指数分布，最大表面升温2 0 ，最大降温l o 。英国b s 4 5 0 0 规范 规定最大表面升温1 3 5 ，最大降温8 4 ，美国a a s h t o 规范规定的双线性分布，温差 受气候区域划分和沥青层厚影响，在1 2 1 2 - 3 0 之间取值。新西兰规范规定温度分布按 幂指数变化，表面温差为3 2 各国规定的结果汇总如图1 1 所示。 8 一 大连理工大学硕士学位论文 毒 厂瓮毯燕 童 r ( )r i ( c )r ，f 生l5】一in 5 枷 1 2 3 oi s 鲫 l o 3 o2 o 式， 踟 1 3 5 3 0 ” 度( 曩) c a ) 英国b s 4 5 0 0 规范( b ) 新西兰规范 警 鼍 螺 # 蟹 r 厅1 日 2 0 时 k ，2 e x p i h ( 二t 一亩) 】1mi 当t l 2 0 时 k ，= e x p 0 0 2 h ( 2 0 - t 1 ) 】 ( 1 1 2 ) 式中h 为沥青面层厚度，t i n 。 凌天清【h l 根据“dl 路基路面材料参数测试程控仪”对典型沥青混凝土的测试成 果，将回弹模量( 劲度) 表示为加荷时间t 和温度t 的函数： e ：b v -( 1 1 3 ) 大连理工大学硕士学位论文 式中：e 为沥青混合料的回弹模量( m p a ) ； 归系数。 对于劈裂模量b = 3 6 6 0 4 1 3 3 5 t m = 0 0 9 2 + 0 0 0 2 t v 为加荷速度，b 、m 为与温度有关的回 ( 1 1 4 ) 对于抗压模量b = 5 7 3 2 9 7 2 0 8 6 4 t ( 1 1 5 ) m = 0 0 9 0 7 0 0 0 3 t 式中：t 为温度( ) ；v 为加荷速度( n u n r a i n ) 。 许志鸿等【3 5 对实验数据进行了汇总，按各温度下抗压模量值与2 0 c 标准温度下抗压 模量值之比与温度的关系进行回归分析，经适当修正得到了其关系式如下： e p r e p 2 0 = 2 9 8 0 0 - 0 0 9 90 t ( 1 1 6 ) 式中：t 为温度值( ) ；e p r 、e p 2 0 分别为温度t 及标准温度2 0 c - f 的抗压回弹模 量值。 a i 沥青路面设计方法采用的是由室内试验回归的动模量该方程用于d a m a 的程 序计算，可由其推出空隙率为为v b 时的温度、荷载频率修正项： 口 l o g 导一= ( o 0 0 0 0 0 5 0 0 0 1 8 9 f “) ( o 4 8 3 v b ) ”( t 一t 0 4 ) 廿0 m = 1 3 + 0 4 9 8 2 5 1 0 9 f ( 1 1 7 ) 式中气温为华氏温度，= 9 5 x + 3 2 。 澳大利亚规范给出的温度修正公式和加载速率修正公式： 口 半= e x p ( - 0 0 8 x ( w m a p t - d ) p - t k = 0 1 7 v ( 1 1 8 ) 式中：e 。m n 为设计温度( t 删p a t ) 对应的模量：e t 为试验温度t 下的标准间 接抗拉试验测定的弹性模量，k 为加载速率修正系数。 查旭东蚓认为弹性模量修正系数为： k = 1 0 鲫( “m( 1 1 9 ) 录慧丽在文献【3 7 】中的给出的修正系数为： 置= e 删7 - 2 0 )( 1 2 0 ) 上述文献中沥青混凝土的弹性模量和温度的关系对比结果如图1 2 所示，图中的弹 性模量修正结果以2 0 c 的弹性模量为1 2 0 0 m p a 的基准值计算得出。 钢筋混凝十粱桥柔性铺装工作状态有限元分析 2 5 0 0 0 2 0 0 0 0 5 0 0 0 0 f l | 心l 姜惑 一 i!： 一文献 1 4 一文献 2 7 一文献 3 4 一文献 3 5 一文献 3 6 一文献 3 7 t ( ) 一3 0 - 2 0 - 1 001 02 03 0 4 0 5 0 6 0 图1 2 弹性模量和温度关系 f i g i 2o 嘲o f r e l a t i o n s h i pb e t w c e l lt e m p e r a t u r ea n dy o u n g sm o d u l u s 通过不同文献中的弹性模量和温度之间关系的对比，可得以下结论： 1 弹性模量的温度修正在低温区以指数形式较多，在高温区，指数形式和线性的结 果相差不多，低温区，弹性模量变化率较大。 2 文献【2 7 】修正后弹模在低温时很高，而文献【3 4 】【3 5 】的回归公式不适于计算3 0 以上的弹性模量。 3 文献【1 4 】【3 6 】【3 7 】修正的弹性模量结果数值上较为接近。文献 1 4 1 计算结果与参数 的取值相关。【3 6 3 7 在高温区较为接近，在低温区【3 7 】的结果较大。 由于弹性模量的值还与沥青的性能、沥青混合料的空隙率、级配、试验方法、加载 速率等因素有关，所以各文献中针对于室内试验的温度修正结果之间有差异按照沥青 材料的性质，沥青混凝土的弹性模量应与温度呈指数关系。 泊松比，或称横向变形系数，即一方面的单位拉压变形引起的另一方向的拉压应变 大小。我国以弯沉为设计指标的路面设计规范中，使用的沥青混凝土的泊松比为o 2 5 。 综合各国的设计方法，肛的取值一般在o 2 5 4 ) 4 5 之间。文献【3 8 】采用m t s 直接测量沥 青混合料的泊松比，认为随着温度的增高，泊松比升高。由试验数据回归a c l 3 混合料 泊松比与温度的关系式： t t = 0 0 7 “1 9 6 x 1 0 0 - o s t ) ( 1 1 7 4 9 + 1 0 00 5 ) ( 1 2 1 ) 泊松比作为材料的基本参数，其大小直接影响结构计算的结果。 吣 勺夤一 大连理工大学硕士学位论文 1 2 4 桥面铺装层的层问结合条件 在对桥面铺装的研究中，铺装层与其下水泥混凝土在一定的受力条件下，在其接触 面上有产生错动滑移和开裂的可能。为了充分反映夹层的受力特性，层间结合条件采用 的数值模拟方法主要有以下几种。 1 公共节点或位移协调 对于层和层之问的采用公用节点的连结方式，或使层与层之问的节点位移协调。公 共节点的情况下认为层之间完全连续，紧密结合无滑动，而对于节点位移协调，在耦合 所有位移时，层间为连续条件，当只耦合竖向位移时，层问的条件为滑动。 2 g o o d m a n 单元模拟 3 9 , 4 0 , 4 玎 g o o d m a n 单元是由g o o d m a n 等人首先提出的岩体节理单元，将它运用于夹层即为 夹层单元。夹层单元由两个面组成，两平面之间假想由无数微小的弹簧所连接，单元厚 度假定为0 。 在结点力旷) 作用下，两平面问的弹簧受l f ，c r z 作用，作用的应力为 p = 亿，f ，t ) 7 位移为 占) = “v ，以7 单元内部为线弹性的弹簧，所以 p = ( f ) l 五0 0 i 其中【伽= 10 以0l 【00 五j 五丸五为各个方向弹簧的劲度系数，表示两平面问要产生单位相对位移所需的应 力，相当于弹性常数。 黄晓明等在研究旧水泥混凝土道面加铺层时，采用g o o d m a n 单元模拟加铺层与 旧水泥混凝土道面的层问结合条件。在受力条件下，接触面上产生错动滑移和开裂而造 成剪切方向刚度的降低，为了反映夹层的受力特性，用法向刚度较大( 1 5 e 6 m 1 ) a ) ，切向 刚度小( 肌1 0 e s m p a ) 的夹层单元来模拟。 g o o d m a n 单元实现了法向、切向刚度不同的考虑，但由于法向刚度和切向刚度无法 用试验参数直接确定，给有限计算带来不确定性。而且使用g o o 出n 加单元计算时要避 免单元之间的嵌入现象。 3 弹性材料模拟 钢筋混凝十梁桥柔性铺装工作状态有限元分析 弹性材料模拟将铺装层和