环氧沥青混凝土桥面铺装力学接触分析

2021-08-30赵海涛栗振锋曾焯怿

太原科技大学学报 2021年4期

赵海涛，栗振锋，曾焯怿

(太原科技大学交通与物流学院，太原 030024)

桥面铺装作为桥梁的重要组成部分，是桥梁上部结构中与车辆轮载直接接触的结构层，它不起到承重作用，能够有效地分散荷载、降低冲击，使行车平顺、稳定、舒适等作用。桥面铺装病害通常发生较早，与桥梁的其他结构损坏不一致，这严重的影响的桥梁的使用寿命。国内外学者一直在为桥面铺装的材料改进、性能评价作出研究。

环氧沥青混凝土是基质沥青、固化剂、环氧树脂经过固化反应形成的热固性沥青混凝土材料。环氧沥青混凝土作为桥面铺装的三大材料之一(SMA、浇筑式沥青砼、环氧沥青砼)，因其耐高温、韧性好、抗疲劳等特性，在美国、加拿大等国家得到广泛应用[1]。我国自东南大学黄卫[2]教授的团队对其进行研究，并应用于长江二桥以来，在国内的桥梁铺装中，逐渐成为桥面铺装的主要材料，润扬长江大桥、南京长江三桥、太原市天龙山旅游公路桥等均采用环氧沥青混凝土铺筑，尤其在钢桥面铺装中。

本文以环氧沥青混凝土同质双层结构为基础，在二维状态下，利用有限元软件ABAQUS建立模型，对5%纵坡及平坡状态下做接触分析。提出环氧沥青砼桥面铺装的在5%纵坡和平坡状态下应力应变及最不利位置处的位移的区别。

1 有限元模型的建立

1.1 基本假设

(1)桥面板、粘结层以及铺装结构层工况良好，均无病害产生；

(2)铺装上、下面层材料，防水粘结层材料等均符合线弹性假定；

(3)铺装结构层、防水粘结层以及桥面板均假设成一个完整的体系，即保证其能够共同承受来自铺装表层车轮荷载的作用；

(4)各铺装结构层间属于完全连续接触；

(5)车轮荷载由于并非本文研究重点，所以采用无弹性和塑性变形的模拟数据[3-4]。

1.2 模型简化

本文对桥面铺装的研究选取二维空间，采用双层环氧沥青混凝土的上下面层结构，进行局部接触分析，桥面铺装层间的接触条件良好，主要分析5%纵坡状态下的桥面铺装应力应变及位移。

因此，将模型进行简化[5]，由于车轮接触后的受力状况并非本文所研究重点，所以将车轮模型简化为刚性物体，无弹性且不产生塑性变形。建立如下结构：

图2 铺装结构示意图

图3 装配模型示意图

1.3 材料及荷载参数

目前公路路面设计标准中以轴重100 kN的双轮组作为标准荷载，即BZZ-100.车轮直径为70 mm，单轮上的荷载为25 kN，胎压稳定在0.7 MPa.

表1 材料参数

1.4 单元及网格划分

模型建立过程中，铺装结构及桥面板为了能够充分的体现铺装结构层间的应力应变，选取细化的线性减缩单元CPS4R.减缩单元比普通的完全积分单元在每个方向少一个积分点，它具有更精确的位移求解，网格存在扭曲变形时，精度影响较小。网格划分如图4所示。

图4 网格划分示意图

1.5 边界条件及接触设置

桥面铺装层间接触为了确保相互之间的随从性，对桥面板底部进行固结，保证结构体系不产生横向位移。层间利用ABAQUS软件中Tie进行约束，结构层间的相邻两个面之间牢固地粘结在一起，提高了结构层间的应力应变的准确性。

1.6 受力情况

图5 纵坡、平坡状态下Mises应力云纹图

2 计算结果及受力情况分析

2.1 应力分析

表2为在平坡和纵坡5%状态下的应力值。

表2 不同坡度状态下最大/小应力

从表中数据可知，环氧沥青混凝土桥面铺装在与车轮荷载接触分析中，在水平和垂直方向上铺装结构受到的拉应力基本与平坡状态下一致。压应力则明显的大于平坡状态下。平坡状态下，桥面铺装结构最大剪力与最小垂直剪力一致，均位于铺装层的上面层中。纵坡状态下，最大剪力位于最大应力下，最小剪力位于接触点下，且均位于铺装层的上面层，两者的数值差基本一致。