（模式识别与智能系统专业论文）沥青混凝土桥面铺装层有限元分析与试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 沥青混凝土桥面铺装作为特殊的路面结构，它起着保护桥梁和承担路面荷载的作 用。但是由于铺装层下便是水泥混凝土桥面板，不存在半空间无限体的路基，其边界条 件与普通沥青混凝土路面不同，所以受力状态与普通沥青混凝土路面不同，极易发生损 坏。许多桥梁的沥青混凝土铺装层不同程度地出现拥包、推移、车辙、开裂等早期破坏 现象，直接影响车辆的正常运行和桥梁外观，导致桥面维修期大大提前。但是目前，在 进行桥梁结构设计时，桥面铺装层只作为构造层或磨耗层来考虑，一般不作专门的计算 分析，现行规范也只是对桥面铺装的做法、材料、厚度做了指导性的说明，至今没有可 以依据的设计理论和指标。 本文首先使用a n s y s 通用有限元对整桥模型和试验模型同时进行分析并得出它们 的应力应变分布。对试验方案进行分析，提出应力应变分布较为符合整桥模型的斜剪试 验方案，来模拟桥面铺装结构的应力应变分布。 在室内试验方面，首先进行试件的强度试验，测定试件在不同加载速度下的的最大 剪切强度。而后应用m t s 8 1 0 对试件进行动载斜剪试验，采用n i 数据采集系统对试件 应变进行采集和分析，从而得出试件的动态应变。同时对试件进行不同荷载水平下的剪 切疲劳试验，得出粘结层的抗剪切疲劳特性。 关键词：沥青混凝土桥面铺装；有限元分析；斜剪试验；应力应变分布；动态应变 沥青混凝土桥面铺装层有限元分析与试验研究 t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n ds h e a r i n gt e s ts t u d yo n a s p h a l td e c kp a v e m e n t a b s tr a c t a sas p e c i a lp a v e m e n ts t r u c t u r e ，a s p h a l td e c kp a v e m e n tp l a y sa np a r ti np r o t e c t i n gt h e b r i d g ea n da s s u m i n gl o a d s b e c a u s eo fi t sb o u n d a r yc o n d i t i o ni sd i f f e r e n tf r o mc o m m o n a s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t , s t r e s s e dc o n d i t i o ni sd i f f e r e n tf r o mc o m m o na s p h a l tc o n c r e t e p a v e m e n t ，t h es t r e s s e dc o n d i t i o no fa s p h a l td e c kp a v e m e n ti su n u s u a la n di t se a s i l yb r o k e n u i l l i k et h ec o m m o na s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t ，t h e r ei sn oh a l fs p a c ei n f i n i t er o a d b e d a n d t h ec e m e n tc o n c r e t ed e c ki sr i g h tu n d e rt h ea s p h a l td e c kp a v e m e n t m a n yb r i d g e sa s p h a l t d e c kp a v e m e n th a dp r e m a t u r ef a i l u r e si nv a r y i n gd e g r e e s ，s u c h 弱u p h e a v a l ，t r a c t i o n ，t r a c k , c r a c k , e g i t sd i r e c t l y i n f l u e n c e sv e h i c l e s n o r m a l o p e r a t i o na n dc a u s e s t h en o r m a l m a i n t e n a n c et i m et ob ea h e a dg r e a t l yo ft h eb r i d g ed e c k w h e n d e s i g n i n gt h eb r i d g e s t r u c t u r e ，b r i d g ed e c ko v e r l a yi so n l yt r e a t e da st h ea p p e n d a g eo fb r i d g e ，p e o p l ed o n 。tm a k e s p e c i a lc a l c u l a t ea n da n a l y z ea b o u ti t ，a tt h es a m et i m e ，t h ec o d e sj l a s tg i v ed i r e c t e da c c o u n t f o rm e t h o d ，m a t e r i a la n dt h i c k n e s so fd e c kp a v e m e n t s ，w h a t sm o r e ，t h e r ei s i f ta n yd e s i g n t h e o r ya n di n d e x ia n a l y z e dt h ew h o l eb r i d g em o d e la n dt e s tm o d e lb ya n s y sa n df i n do u tt h e i r s t r e s s - s t r a i nd i s t r i b u t i o n a n dia n a l y z e dt e x tp l a n s ，a n df i n do u ta nr e a s o n a b l es h e a r i n gt e s t p l a ni no r d e rt os i m u l a t et h es t r e s s - s t r a i nd i s t r i b u t i o no fa s p h a l td e c kp a v e m e n t a n df i n do u t t h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft e s tp i e c e i nt h ep a r to fi n d o o r st e s t ，f i r s tf i n d i n go u tt h em a x i m a ls h e a rs t r e n g t hb ys t r e n g t ht e s ti n d i f f e r e n tl o a d i n gr a t e a n dt h e nt a k i n gt h em o b i l el o a d s h e a r i n gt e s tb ym t s 8 10a n d g a t h e r i n gd a t ab yn id a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t a k i n gs h e a rf a t i g u et e s ti nd i f f e r e n tl e v e l so f l o a d s ，a n df i n do u tt h es h e a rf a t i g u eb e h a v i o u ro fb o n d i n gl a y e r k e yw o r d s ：a s p h a l td e c kp a v e m e n t ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；s h e a r i n gt e s t ；s t r e s s s t r a i n d i s t r i b u t i o n ；d y n a m i cs t r a i n 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：孕置丝丛鱼生盏逝丛塑迢塑丝厶堕型鲨金壁堕整l 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 问题的提出 近年来我国公路桥梁建设快速发展，桥梁结构不断刨新，大跨桥梁已很普遍，但桥面铺 装的设计与施工仍沿用传统的习惯做法，在进行桥梁结构设计时，对桥面铺装层一般不作 专门的计算分析。随着交通量和重型车辆的增加，桥面铺装问题普遍存在。这不仅妨碍 了正常交通，影响了桥面的美观，更易造成交通事故，也给维修工作带来了很大困难。 桥面铺装是指铺筑在桥面板上的防护层，是桥梁结构的重要组成部分，其作用在于 防止车轮直接磨耗行车道板，保护主梁免受雨水及其它有害物质的侵蚀，并起到扩散荷 载的作用。桥面铺装质量的好坏和使用耐久性将直接影响到汽车的行驶质量和使用耐久 性。桥面柔性铺装能大大缓和行车对桥面板的冲击，较易达到运营中平整舒适的要求。 桥面铺装不仅是桥梁的保护层，而且还直接承受各种车辆的行车荷载的作用，随着 交通量的迅速增加及重型车辆的频繁作用，加之设计和施工中存在某些缺陷，致使很多 桥梁的桥面铺装在设计年限内，便出现种种病害，这些病害一旦发生，则影响行车的舒 适性以及桥梁的耐久性，降低桥梁的寿命。如果重新铺装，所需的费用比原来还要大， 而且还要承担交通中断所造成的经济损失。如：苏格兰格拉斯哥市的京斯顿大桥建成通 车后，1 9 9 0 年出现破坏症状，因为车流量是欧洲最繁忙的桥，无法停止交通维修加固， 修复投资大约为1 2 7 5 0 万美元，比建桥造价( 2 2 5 0 万美元) 高出5 倍，在1 9 7 9 年美国联 邦总审计长呈送国会的报告中指出，设置防水层的费用与效益比为l ：2 7 5 。其社会效益 和经济效益均具有重大意义【l 】。 目前，桥面铺装的研究在国内外都引起了高度重视，许多国家正在或已经加大对桥 面铺筑的研究力度，并投入了大量的人力物力，虽然取得了一定的成效，但桥面铺装的 早期破坏问题依然存在且依旧比较严重，目前对于桥面铺装的研究，尤其是寻求既经济 又实用的桥面铺装材料与结构形式仍然是必需的。传统的桥梁设计主要重视桥梁本身的 结构受力特性分析，其设计目的在于保证桥梁整体安全，铺装层只是作为构造层或磨耗 层来考虑，一般也不对铺装层进行专门的受力分析。国内外对桥面铺装的研究通常着重 于桥面铺装材料及结构形式的研究。 2 - 3 所以急需对桥面铺装层内部应力分布进行系统 研究，从而对施工设计进行指导，延缓病害的发生。 1 2 国内研究现状 对于桥面防水层的研究我国相对国外滞后，由于在桥梁建设中未采取防水措施或防 水措施不当，从而加速了桥梁结构破坏的例子比比皆是。如北京西直门立交桥建成1 0 沥青混凝士桥面铺装层有限元分析与试验研究 年左右即遭此类损坏，沙洋汉江公路大桥1 9 8 5 年7 月建成通车，经过1 年时间运营后， 即发现主桥面铺装层局部隆起而遭破坏，第二年又出现部分梁箱内因裂缝渗水等病害。 自2 0 世纪8 0 年代中后期开始，逐渐地认识到设置防水层的作用，并开始将桥梁、道路 的水害防治提到议事日程上来，如北京、上海等城市自2 0 世纪9 0 年代初即开始对城市 桥梁结构防水技术进行专题研究( 北京首都机场高速路，上海南浦大桥) 4 1 。北京市政对 几种防水材料进行了对比研究【5 1 ，成果应用于北京市的立交桥桥面防水工程中，通过研 究他们发现卷材类防水材料虽然具有铺装快、施工简单等特点，但是施工质量难以控制， 大面积推广较为困难。而涂膜类材料的总体防水效果强于卷材类材料，但是施工过程中 难免遭到破坏，因此推荐其上加铺保护层，这同国外的研究结果是一致的。东南大学的 钱振东，刘云，黄卫等人【6 l ，从动力学的角度出发，模拟考虑由桥面的不平度引起的行 驶车辆的随机动荷载，应用有限元方法分析了铺装层在车辆随机动荷载作用下的动力响 应分布规律，并与以往的移动恒载作用铺装下面层的动力响应和静力响应的分析结果做 出比较，并讨论了车速的变化对铺装层的最大竖向位移和最大横向拉应力的影响。东南 大学的许涛，黄晓明，高雪池等人【7 】将车辆荷载简化为移动均布荷载，采用有限元法分析了 铺装层在移动荷载作用下的动力响应。分析得出各应力分量与移动荷载速度基本呈线性 关系：刹车情况下离表面较近区域不再经历正反两次剪应力作用，只是离表面较深处存在 很小正反剪应力作用；最大水平剪应力发生在铺装表面，且随深度的增加迅速减小；水平 荷载对水平剪应力影响很大，随着水平力系数6 增大，在同一铺装层深度处的最大水平剪 应力增加比较明显；在相同6 的条件下，随着深度的增加水平剪应力越小。长安大学的裴 建中【8 】就防水材料、环境温度和混凝土表面状况等因素对防水材料粘结性能和抗剪性能 的影响规律进行了分析后得出，不同材料类型、同一材料类型不同材料组成的粘结、抗 剪性能差别很大，另外材料的粘结、抗剪性能随温度变化很大，不同地区不同气候条件 下材料选择应有所不同。西安公路交通大学的张占掣9 。1 0 】对水泥混凝土桥面沥青混凝土 铺装结构进行了较为系统的研究后发现，防水层剪切破坏是水泥混凝土桥面沥青混凝土 铺装损坏的主要原因。作者通过有限元方法，得出了车辆荷载作用铺装下面层内及铺装 层各个界面产生的剪应力，随后通过对常见防水层材料和层间结合料进行直剪试验，确 定桥面板与沥青层粘结面抵抗水平剪切的能力，建立了相应的抗剪指标，并且提出了桥 面沥青铺装层厚度的计算方法。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 国外研究现状 各国根据自己的情况围绕桥面铺装的使用功能要求和对桥梁结构的防护保护开展 了大量的研究，经过几十年的实践和探索，取得了许多科研成果，一些发达国家还结合 工程应用实践和经验，制定了相应的桥面铺装用防水层材料供技术标准、试验技术标准、 设计、施工指南或规范。国外一般采用沥青混凝土作桥面铺装，其结构类型包括防水层 和沥青混凝土面层。 欧美混凝土桥面一般铺设防水层或防水系统，大多采用双层式( 防水层+ 面层) 或三层 式( 防水层+ 中间层+ 磨耗层) 铺装，总厚度为4 - 1 0 c m 或更厚。各国在防水系统的选用上， 因为对不同防水材料的使用经验和技术上存在差异，有的国家偏重于使用卷材，而有些 国家则偏重于使用涂膜。 丹麦采用的桥面铺装形式为：在喷砂处理的桥面上涂环氧树脂作底涂层，铺设完全 粘结于桥面的改性沥青卷材，其上铺1 5 - - - 2 0 m m 厚的开级配沥青混凝土作保护层，保护 层也起排除面层渗入水的作用，并以4 0 m m 改性沥青混凝土为联结层，4 0 m m 沥青混凝 土或s m a 混合料为磨耗层【j 。 德国采用的桥面铺装形式与丹麦基本相同，但是设置了排气层，取消了保护层。在 法国要求所有桥梁均须设置防水层，并建议防水材料优先采用由高分子聚合物制成的涂 膜或卷材，底涂层一般采用改性沥青合成橡胶乳液，保护层为2 2 m m 厚的沥青碎石，面 层厚度一般为7 1 0 m m 。 日本道路协会编的水泥混凝土桥面设计施工纲要1 1 2 】规定水泥混凝土桥采用如下 铺装形式：沥青层+ 沥青橡胶粘结剂+ 混凝土；沥青层+ 3 层氯丁橡胶型防水粘结层+ 氯丁 橡胶粘结剂+ 混凝土；沥青层+ 乳化沥青( 粘结) + 沥青层( 防水) + 沥青橡胶粘结剂。 国外较多集中在沥青混凝土桥面铺装防水体系的研究上，桥面防水体系的修筑则是 提高桥梁使用寿命的保证，不容忽视，它与面层的设计与施工是有机的整体。欧美自2 0 世纪6 0 年代已开始大量采用桥面防水层，其中美国联邦公路署1 9 7 2 年规定应对桥面采 取保护措施以防止钢筋腐蚀和桥面破坏。t r l 和o e c d 及n c h r p 等机构从实际应用的 角度对桥面防水进行研究。许多国家重视防水层的应用，而荷兰则特别注意桥面沥青混 凝土面层的修建及其质量，日本和澳大利亚是有选择的应用防水层。而德国的钢桥面铺 装更重视防水体系的完善，铺装结构组合特别是防水层的结构形式多种多样。防水粘结 层不仅要有良好的不透水性，还要与混凝土桥面板沥青面层之间有足够的粘结力，这也 是各国开发研究防水层所努力的方向。在提高铺装层层间稳定性研究方面，主要从以下 两个方面入手：一方面，选择抗剪性能好的沥青铺装结构型式。通过桥面铺装结构力学 分析明确铺装层结构的受力状态，进而找到符合桥面铺装层的材料及其性能指标和结构 沥青混凝土桥面铺装层有限元分析与试验研究 形式，如近几年在桥面铺装中得到了广泛应用的改性s m a 沥青混合料、环氧树脂薄层 铺装等；另一方面从界面处理方面入手，主要的方法有喷洒防水粘结层、布加强筋和表 面粗糙处理。在梁板体表面喷洒高效的防水粘结层可达到增加铺装层与梁板体间的粘结 力的作用；在梁板体表面植入锚筋，可增强铺装层与梁板体间的结合，阻止脱层和滑移： 对于表面粗糙处理方面，目前比较流行的方法是喷砂清理法、抛丸处理及酸蚀法等。还 有一些处理方法如高压水冲毛( 水压达3 5 m p a 以上) 、机械式钢丝刷刷毛等表面处理方法 也据有很好的使用效果。在混凝土桥面铺装的设计理论、规范方面，美国公路桥梁设 计规范一荷载与抗力系数设计法中提出：选择或设计一个桥面铺装层，应包括足够的 延伸度、足够的疲劳强度、足够的耐久性、不渗透性等功能。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 m 教授【1 3 1 4 1 。长安大学在桥面铺装上加铺全厚式沥青混凝土 来恢复和提高旧桥面板的承载力的研究中，详细地对水泥混凝土桥面铺装结构进行了研 究。研究内容主要集中在交界面上，他们认为桥面铺装层是处于非线性滑动和弯曲的， 而铺装层的破坏主要是因为铺装层的剥离。从整体上讲，虽然国外在桥面防水工程上有 丰富的实践经验，对桥面铺装沥青层的相关研究主要针对沥青层( 主要是底层) 与防水层 的匹配性及对防水层的保护功能，确定与防水层相协调的沥青混凝土类型，但未针对桥 面铺装的温度特性和力学特性，对桥面铺装用沥青混凝土提出专门的技术性能要求，桥 面铺装的沥青混凝土技术要求多数套用道路上沥青混凝土技术标准。至今对设置防水层 的铺装结构没有系统地进行力学分析，未形成成熟的设计理论。 1 4 本文研究的意义和主要内容 1 4 1本文研究的意义 目前我国公路桥梁建设快速发展，但桥面铺装的设计与施工仍沿用传统的习惯做法， 在进行桥梁结构设计时，对桥面铺装层一般不作专门的计算分析。随着交通量和重型车辆 的增加，桥面铺装问题普遍存在。这不仅妨碍了正常交通，影响了桥面的美观，更易造成交 通事故也给维修工作带来了很大困难。其中推移、拥包等病害比较严重i l 引，产生这类 破坏是由于紧急刹车或者立交匝道和山区高速公路具有较大纵坡特点，行车荷载施加于 沥青混凝土铺装层的纵向和横向水平力大大增加，使铺装结构层内部产生较大的剪应力 以及铺装层层间产生较大水平剪应力，引起不确定破坏面的剪切变形和层间滑移。国内 外研究的主要方向为对铺装层和粘结层的材料研究或者是对异性桥梁结构的铺装层的 应力应变分析，但是鲜有对水泥混凝土桥的沥青混凝土铺装层进行有限元分析其剪应力 分布情况，且同时对铺装层结构进行动态斜剪试验，得出其动态应变。本文在最不利工 大连理工大学硕士学位论文 况的荷载条件下，提出四种试验方案对铺装层结构进行动态斜剪试验，分析铺装层内及 层间的动态剪切性能，从而对以后的设计与施工提出建议。 1 4 2 本文研究的内容 ( 1 ) 广泛调查现今桥面铺装层存在的常见病害形式，分析其原因。 ( 2 ) 对桥面铺装模型和试验模型进行a n s y s 有限元分析，得出它们内部应力应变 分布，对其水平方向剪应力和最大剪应力进行比较，选择比较符合桥面铺装模型受力情 况的试验方案。 ( 3 ) 对不同桥面铺装粘结层进行斜剪强度试验，得出不同桥面铺装粘结层抗剪切强 度。 ( 4 ) 提出四种动载试验方案，对桥面铺装结构进行动载试验，并采集其应变。之后 对试验数据进行分析。 沥青混凝土桥面铺装层有限元分析与试验研究 2 沥青混凝土桥面铺装病害及成因分析 2 1 病害调查 针对北京市主要桥梁桥面铺装出现的病害进行了调查和统计。其调查结果见下表 2 1 所示【1 6 】。 表2 1 北京市立交桥面铺装病害调查表 t a b 2 1 d a m a g eo f d e c kp a v e m e n to no v e r p a s sb r i d g ei nb e i j i n g 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 2 沥青混凝土桥面铺装病害种类及原因 目前我国高速公路沥青混凝土桥面铺装破坏的最大特点是早期破坏且较为普遍和 严重。因此，水泥混凝土桥桥面损坏状况调查的主要目的是了解桥面铺装易于出现的典 型病害类型，分析桥面铺装损坏的原因，为铺装结构和材料技术的研究提供技术基础。 鉴于国内桥面防水层使用中存在的主要问题，桥面沥青混凝土铺装层的早期破坏形式主 要有以下几种【7 2 4 】： ( 1 ) 推移和拥包。 桥面沥青混合料铺装层与沥青混凝土路面一样，在受到较大的车轮垂直和水平荷载 作用时，铺装表面经常会出现推移( 或波浪) 、拥包。推移是沥青混凝土的塑性流动滑移 产生的，其特征为横跨沥青表面的波形起伏；拥包是铺装表面的局部隆起；由于铺装层 内部产生较大的剪应力，引起不确定破坏面的剪切变形，或者由于铺装层与桥面板层间结 合面粘结力差，抗水平剪切能力较弱，沥青路面在气温较高时抗剪强度下降，在水平方向上 产生相对位移发生剪切破坏，产生推移、拥包等病害。产生这类破坏是由于紧急刹车或者 立交匝道和山区高速公路具有较大纵坡特点，行车荷载施加于沥青混凝土铺装层的纵向 和横向水平力大大增加，使铺装结构层内部产生较大的剪应力以及铺装层层间产生较大 水平剪应力，引起不确定破坏面的剪切变形和层间滑移。同时桥面铺装在高温季节或长 时间承受车辆荷载( 包括交通量成倍增长、重载、超载、慢速行驶、渠化交通) 作用铺装 下面层沥青混合料的抗永久变形能力不足引起的，尤其在高温季节，铺装材料本身因较 强的粘塑性而表现出抗永久变形能力不足。 ( 2 ) 车辙。 车辙是指沿道路纵向在车辆集中碾压通过的位置，路面产生的带状凹陷，车辙己成为 沥青路面的一种主要病害，是导致沥青路面破坏的重要原因。产生这类破坏的原因主要为 水泥混凝土板刚度大，沥青混合料铺装层受到更大的垂直应力作用。 ( 3 ) 松散、坑槽。 因温度变化并伴随桥面板或梁结构的大挠度而产生的裂隙，在车辆荷载及渗入的水 的作用下产生面层松散和坑槽破坏。松散是路表面集料的松动、散离现象：而坑槽是松散 材料散失后形成的凹坑。当面层材料组合不当或施工质量差，结合料含量太小或粘结力不 足，使面层混合料中的集料失去粘结而成片散开，形成松散。若松散材料被车轮后的真空 吸力及风和雨水带离路面就会形成坑槽，坑槽是龟裂及其他裂缝的进一步发展，使松动碎 块脱离面层，便形成大小不等的坑槽。从而导致汽车从平稳舒适的高速公路路面行驶至桥 面时，出现颠簸和左右摇摆，极大地影响了行车的舒适性，严重者影响行车安全。产生 沥青混凝士桥面铺装层有限元分析与试验研究 此类破坏的原因主要为桥面积水只在相对固定的排水管位置排除或水流完全经过桥面 流向两端，桥面积水时间更长，沥青混合料受到的压应力更大，渗入材料内部的有压水 更多、压力更大，造成路面材料水损害。 ( 4 ) 平整度达不到要求。 摊铺机机械性能好坏，决定着铺装层的平整度。摊铺机基准线的控制，影响着平整度。 目前使用的摊铺机大都有自动找平装置，摊铺是按照预先设定的基准来控制，但施工单位 往往不够重视或由于高程的测量误差，形成基准控制不好、基准线因张拉力不足或支承间 距太大而产生挠度，使面层出现波浪。摊铺机操作不正确，最容易造成桥面出现波浪、搓 板。无论在施工中采用哪一种型号的摊铺机，若摊铺机操作手不熟练，导致摊铺机曲张前 进、运料车在倒料时撞击摊铺机、摊铺机不连续行走或在行走过程中熨平板高低浮动等 不规范作业，都会使路面形成波动或搓板。 ( 5 ) 开裂。 开裂是路面出现裂缝的现象，在桥面铺装中也是属于较为常见的损坏现象。开裂的种 类和原因有多种，上述各种变形伴有裂缝出现，而这时指的开裂是路面在正常使用情况下， 路面无显著永久的变形而出现的裂缝疲劳开裂。其特点是首先出现较短的纵向开 裂，从而在纵裂的边缘逐渐发展为网状开裂，开裂面积不断扩大。桥面铺装一旦出现裂缝， 水将沿缝侵入，导致承载能力降低，加速裂缝发展，还可能会引起其他的病害，如坑槽、松 散。产生此类破坏的主要原因为： 由于温度变化，桥面板或梁体结构产生大挠度变形，导致桥面铺装层因变形超过 其允许变形而开裂。 部分桥梁为了减轻恒载，增加了配筋率或采用高强度钢筋来减薄桥面板的厚度， 造成桥面板整体刚度降低，在重荷载的作用下引起较大的形变，导致铺装层因过大的反 复变形而形成疲劳开裂。 桥面铺装受到的动荷载作用更为明显。通常沥青路面设计时并不考虑行车荷载的 动力作用特点，但桥面铺装则不一样，行车荷载本身是一个动荷载，桥梁在荷载作用下 也会产生振动，导致桥面铺装在工作时完全处于动载环境，有加速铺装层破坏的作用。 桥面铺装受到的冲击力更大、更频繁。由于山区公路桥梁的桥头填方往往较大， 通车后产生沉降量也较大，形成桥头跳车现象，车辆通过桥头时产生剧烈跳动后落在桥 面铺装层上。此外，桥梁结构不可避免地存在伸缩缝，车辆经过伸缩缝时会产生更大的 振动，加大了行车荷载垂直冲击力。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 桥梁负弯矩的影响。对于连续梁桥、拱桥及悬臂梁桥等桥型结构，由于梁体在荷 载作用下产生负弯矩或拉力，使桥面铺装层受到拉应力的作用而容易产生开裂。 沥青混凝土桥面铺装层有限元分析与试验研究 3 有限元分析 3 1 整桥模型分析 黟- 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 沥青混凝土a c 1 3 层与防水层，防水层与沥青混凝土a c 1 6 层，防水层与水泥 混凝土桥面板层之间完全连续： ( 3 ) 由于本文重点分析在紧急刹车的瞬时荷载作用下的沥青混凝土桥面铺装粘结层 水平剪应力和铺装层内最大剪应力，所以本模型未考虑桥型的影响，假定在单一标准轴 载下桥梁未发生挠曲变形。 ( 4 ) 各层材料不考虑自重的影响。 3 1 3 边界条件 假设桥墩与承台的变形不考虑，分析时主要考虑上层沥青混凝土铺装层、防水层、 下层水泥混凝土层内以及各层间的受力情况：各结构层间完全连续：水泥混凝土梁底面 固结，前后断面没有纵向位移；模型中的坐标系方向规定为：横桥向为x 方向，顺桥向 为y 方向，竖向为z 方向。 3 1 4 材料参数 表3 1 材料参数及尺寸 t a b 3 1p a r a m e t e r so f g e o m e t r ya n dm a t e r i a l 3 1 5 计算结果 本分析发现水平方向剪应力随深度的变化下降的比较快，路表水平方向剪应力非常 大，最不利工况的水平荷载水平下的轮迹中心处路表水平方向剪应力最大为0 5 7 m p a ， 但是当传递到上粘结层处的水平方向剪应力减少到o 1 3m p a ，当传递到下粘结层时水平 方向剪应力减少到o 0 5m p a ，水平方向剪应力分布如图3 2 ，3 3 。 沥青混凝土桥面铺装层有限元分析与试验研究 水 平一0 方 向吨 剪 应。0 力 m 一0 图32 水平方向剪应力分布图 f i g 3 2 t h e p r o f i l e o f h o r i z o n t a ls h e a r d t 嚣s 图33 水平方向剪应力随深度变化图 f 嘻3 3 c h a n g e s o f h o r i z o n t a ls 嘲rs 讹w i t h d e p t h 从图3 4 表现出在最不利工况条件下，铺装层内晟大剪应力随深度方向分布情况， 。在路表处晟大，大小为o5 7 m p a ，在铺装上面层中表面深度以下25 c m 先下降到 0 4 m p a ，而后再次上升在粘结层处上升到o5 m p a ，之后向下突变至0 1 9 m p a ，后在铺 装下面层缓慢上升，到粘结层处上升到0 3 2 m p a 后下降至o1 7 m p a ，在水泥混凝土铺装 大连理工大学硕士学位论文 层中沿深度方向缓慢下降。由此图看出铺装层剪切破坏应首先发生在铺装上面层的表面 与防水粘结层附近，铺装设计时应提高对铺装上面层的抗剪强度要求。 令 山 邑 r 趟 ：蜜 + 瞬 0 7 o 6 0 1 0 0o 0 50 10 1 5 深度( m ) 图3 4 最大剪应力随深度变化图 f i g 3 4c h a n g e so fm a x i m u ms h e a rs t r e s sw i t hd e p t h 分别考虑到不同摩擦系数及纵坡的影响，分别选择了摩擦系数为o 8 5 、o 7 、0 5 、 o 3 、0 1 、o 进行分析得出图3 5 为不同摩擦系数下的轮迹中心处水平方向剪应力随深度 的变化，在前5 e m 左右随深度的增加水平剪应力骤减，到5 c m 后出现拐点水平剪应力 降低速度变缓，这条曲线反映了水平剪应力在铺装层内部的传递情况。 o 1 o 盘一0 = 姜一0 基一0 羹一0 一o 5 一o 6 2 图3 5 不同摩擦系数水平方向剪应力沿深度的变化情况 f i g 3 5c h a n g e so f h o r i z o n t a ls h e a rs t r e s sw i t hd e p t hb yd i f f e r e n tf r i c t i o nf a c t o r s 沥青混凝土桥面铺装层有限元分析与试验研究 o 一0 0 2 ，、一0 0 4 星- 0 0 6 翅- r 一0 0 8 铩一0 1 一o 1 2 0 1 4 摩擦系数 图3 6 不同摩擦系数上粘结层水平方向剪应力 f i g 3 6h o r i z o n t a ls h e a rs t r e s so fu p p e rb o n d i n gl a y e r 不同摩擦系数下轮迹中心处粘结层深度的水平剪应力如下图3 6 所示。此图反映出 水平方向剪应力随水平荷载的变化而基本成线性增长。表明层间水平剪应力主要是由水 平荷载产生的，竖向荷载对层间水平剪应力的贡献不大。 ，_ 、 凸一 = 、- ， r 趟 蜜 斗 嘣 0 7 0 6 * 一tm a x 0 8 5 00 0 5o 1o 1 5 0 2 深度( m ) 图3 7 不同摩擦系数下粘结层水平方向剪应力 f i g 3 7c h a n g e so f m a x i m u ms h e a rs t r e s sw i t hd e p t hb yd i f f e r e n tf r i c t i o nf a c t o r s 大连理工大学硕士学位论文 不同摩擦系数下轮迹中心处粘结层深度处的最大剪应力如下图3 7 所示。如图所示 在前5 c m 深度处最大剪应力先减小再增大，由于粘结层的模量较小，在粘结层处最大剪 应力有一个突变，快速减小后随着深度的增加最大剪应力逐渐增大，到达第二个粘结层 处再次突变减小，随着深度的增加最大剪应力缓慢减小。当摩擦系数在o 5 和0 8 5 之间 时最大的k 。出现在路表面与接近第一个粘结层处。当摩擦系数在0 和0 5 之间时最大 的只出现在接近第一个粘结层处，而且不同下在第一粘结层处及更深处的沥青 混凝土大小基本一致。同时不同摩擦系数下沥青混凝土铺装下层和水泥混凝土铺装找平 层的k 。基本没有变化，说明摩擦系数对m 。的影响只出现在沥青混凝土铺装上层，并 且越接近表面处对气。，的提高越大。 3 2 试验模型介绍 根据整桥模型的桥面铺装结构的特点对桥面铺装粘结层进行试验研究，对试验方案 进行探索。根据已有研究【2 引，干燥沥青混凝土路面，峰值附着系数在0 8 o 9 左右，取 中值0 8 5 ，则斜剪角度为4 0 0 ，建立如下图的试验夹具，其所提供的水平力符合峰值附 着系数时的最大水平力，水平力系数约为0 8 5 。试件为3 层车辙试件的1 4 ，长为1 5 c m ， 宽为1 5 c m ，高为1 5 c m 。试件及夹具如下图3 8 。 图3 8 试验试件示意图 f i g 3 8t h eg e n e r a lv i e wo f t e s tp i e c e 沥青淀凝土桥面铺装层有限元分析与试验研究 圈 图39 试件有限元模型 f i g3 9 t h e f i n i t ee l e m e n t m o d e o f t e s t p i e c e 奉模型使用八结点等参单元s o l l d 4 5 进行计算，为便于改变加载方式，没有将夹 具建立模型，只是对该夹具条件下的荷载条件和边界条件进行模拟，由于夹具模量比较 大是否建模对结果影响不大。本模型材料参数与整桥模型相同，模型如图3 9 。 33 试验方案分析 331 方案一 方案一为剪切上粘结层，此试验方案可铡试出上粘结层的静态及动态抗剪切特性。 图31 0 为剪切上粘结层s x y 即水平方向剪应力分布图。如图可见水平剪应力最大处分 布在试件中间部位的粘结层处，以及其上方l c m 处左右，大小为o5 7 m p a 。在试件x 方向中部水平剪应力是随试件深度先增大后减小的，传递到水泥混凝土铺装找平层处停 止。这是由于水泥混凝土铺装找平层较之沥青混凝土铺装层模量较大导致的。同时试验 条件下的试件边界条件与真实桥面铺装情况不同，且在夹具附近处易产生应力集中所以 越靠两边部分的应力越投有代表性，而中间部分的应力较为有代表性。 大连理工大学硕士学位论文 图31 0 方案一水平剪应力分布图 f i g3 1 0 1 1 l e 口m l eo f h o r i z o n 伽s h g s f r o m 口 0 1 o 勺一0 1 妻一 蚕- o3 譬如4 一o 5 一o 6 2 图3 1 1 方案一试件沿深度方向水平剪应力 f i g3 l lt h e h o f i z o n l a ls h e 甜n 琳s f r o m p l a 兀i 此图反映试件中心处水平方向剪应力沿深度方向的变化，水平剪应力随深度先增 大到粘结层及其上附近i c m 处出现峰值，水平剪应力最大值为0 5 8 7 m p a 。之后快速下 降，传递到水泥混凝土铺装层时下降到00 6m p a 。 沥青混凝士桥面铺装层有限元分析与试验研究 ，、 量 i 詈 深度( m ) 图3 1 2 方案一试件沿深度方向水平剪应力 f i g 3 12t h em a x i m u ms h e a rs t r e s sf r o mp l a n1 此图为试件随深度的变化，气娃随深度变化先增大到粘结层处出现一次突变， 最大值为0 6 8 3m p a 。之后快速下降，传递到粘结层时又一次突变，由0 3 4m p a 上 升至0 1m p a 。传递到水泥混凝土铺装层时缓慢下降。 3 3 2 方案二 方案二为剪切下粘结层，此试验方案可得出下粘结层的静态及动态抗剪切特性。 图3 1 3 为剪切下粘结层s x y 即水平方向剪应力分布云图。如图可见水平剪应力最大处 分布在试件下粘结层及以上1 5 c m 处。在试件x 方向中部水平剪应力是随试件深度先增 大后减小的，传递到水泥混凝土铺装找平层处有一次向下突变。 大连理工大学硕士学位论文 图31 3 方案二水平剪应力分布圉 f i g31 3 t h e p r o f i l e o f h o r i z o n t a ls h e a fs l _ e s s f r o m p l a n 2 o _ 01 名- 02 皂- 03 巷一 荦_ 0 5 一0 6 - 0 7 - 0 8 深度( m ) 2 图31 4 方案二试件沿深度方向水平剪应力 f i g31 4 t h e h o r i z o n t a ls h e a rs f r o mp l a n2 此图反映方案二试件中心处水平方向剪应力沿深度方向的变化，水平剪应力随深 度先增大到下粘结层及其上附近1 s c m 处出现峰值，水平剪应力最大值为0 7 1 m p a 。 沥青混凝十桥面铺装层有限元分析与试验研究 勺 垒 、_ 一 r 翻 番 斗 略 0 8 o 7 0 1 0 0o 0 5o 10 1 5o 2 深度( h i ) 图3 1 5 方案二试件沿深度方向最大剪应力 f i g 3 15t h em a x i m u ms h e a rs t r e s sf r o mp l a n2 此图为试件随深度的变化，随深度变化先增大到粘结层处出现一次向上突 变，到达下粘结层以上1 5 c m 处出现峰值，最大k 。值为0 7 2 5 m p a 。之后应力下降， 传递到下粘结层时再次向下突变，传递到水泥混凝土铺装找平层时缓慢下降。 3 3 3 方案三 以上试验剪上粘结层和剪下粘结层的试验方案只能得出粘结层间抗剪切特性，其铺 装上面层及铺装下面层层内水平剪应力及最大剪应力分布与整桥模型不近相同，为探索 更接近实际情况及整桥模型的试验方案，提出以下三种试验方案进行分析并与整桥模型 的水平剪应力及最大剪应力进行比较选择比较合理的试验方法。由于整桥模型的水平剪 应力随深度增加而快速下降，试验方案如下。方案三为剪试件上l c m 处，试件另一侧约 束，试验方案如图3 1 6 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图j 1 6 方案三示意图 f i g 3 1 6 t h e g e n e r a lv i e w o f t e s ! p i e c eo f p l a n3 下图3 1 7 为方案三的水平方向剪应力分布图，由图可以看出由于应力集中水平剪应 力最大值分布在右侧试件边缘和夹具接触处。 图31 7 方案三水平方向剪应力 f i g 3 1 7 t h e p r o f i l e o f h o r i z o n t a ls h e a rs t r e s s o f p l a n3 沥青混凝土桥面铺装层有限元分析与试验研究 0 2 o 篓一0 2 - 毯r 一0 4 密 厘一o 6 喽 一0 8 - 1 深度( m ) 2 图3 1 8 方案三试件不同x 值处沿深度方向水平剪应力 f i g 3 18c h a n g e so fh o r i z o n t a ls h e a rs t r e s sw i t hd i f f e r e n txv a l u e s 方案三的水平剪应力在试件x 方向分布出现差异，从而对x 方向分别取5 个具有 代表性的位置的水平方向剪应力与整桥模型进行对比，结果如图。从图中可以看出，试 件中水平方向剪应力的最大值比整桥模型的水平剪应力最大值大5 0 ，且出现的位置与 整桥模型不同，出现在铺装上面层表面深度2 5 c m 处。但铺装下面层与水泥混凝土铺装 找平层的水平剪应力分布及大小与整桥模型基本相似。 3 2 5 o2 山 = 1 5 巨 卜 1 0 5 0 0o 0 50 1o 1 5o 2 深度( m ) 图3 1 9 方案三试件不同x 值处沿深度方向最大剪应力 f i g 3 19c h a n g e so fm a x i m u ms h e a rs t r e s sw i t hd i f f e r e n txv a l u e s 大连理工大学硕士学位论文 方案三的在x 方向分别取5 个具有代表性的位置的水平方向剪应力与整桥模型 进行对比，结果如图。从图中可以看出，试件中。随深度的的分布以及最大值与整桥 模型有一定差异，在沥青混凝土铺装上面层x 值越小越接近整桥模型，在沥青混凝 土铺装下面层x = 0 1 m 时，接近整桥模型，方案三的试验结果不适合用来评价整桥桥 面铺装的层内的剪应力状况。 3 3 2 方案四 为模拟整桥模型的水平剪应力分布情况提出方案四的试验方法为剪试件上2 c m 处， 同时约束试件的另一侧，试验方案如图所示。分析后水平方向剪应力分布图如图所示， 由分布图可看出，水平剪应力最大值分布在试件上层的两侧，而试件中间水平方向剪应 力较小。 图3 2 0 方案四示意图 f i g 3 2 0t h eg e n e r a lv i e wo f t e s tp i e c eo fp l a n4 沥青掘凝土桥面铺装层有限元分析与试验研究 芒 弓 r 翅 诛 * 图3 2 1 方案四水平方向剪应力 f i g 32 1 t h e p r o f i l e o f h o t i z o n t a l