简支箱梁桥面沥青混凝土铺装力学特性有限元分析.pdf

2 0 1 3 N O 7第1 2 卷 总 第1 1 7 期 道桥工程 1 9 d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 6 7 1 - 9 1 0 7 2 0 1 3 0 7 0 1 9 简支箱梁桥面沥青混凝土铺装力学特性有限元分析 F i n i t e E l e m e n t An a l y s i s o n M e c h a n i c a l Ch a r a c t e r i s t i c s o f Bi t u mi n o u s Co n c r e t e P a v e me n t o f Bri d g e De c k wi t l l S i mp l y S u p p o r t e d Bo x g i r d e r 赵伟 ( 重庆经济技术开发区管理委员会建设 管理局 ， 重庆 4 0 1 3 3 6) 摘要 ： 谊文利用有限元数值模拟方法对简支箱粱桥 沥青混凝土桥 面铺装进行分析 。 计算不 同弹性模量及铺装层厚度时铺 装层 间应力变化规律 。 认 识沥青混凝土桥面铺装层受力基本特性 ， 得 出铺 装层厚度 的合 理范围， 指 导沥青混凝土桥 面铺装层的设计和施工。 关键词 ： 有限元法 ； 沥青混凝土 ； 应力分析 ； 桥 面铺装厚度； 弹塑性 构件静 力学； ANS YS ； 箱形粱桥 中圈分类号 ： U4 4 3 3 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 9 1 0 7 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 0 1 9 - 0 3 Ab s t r a c t ： W i t h fi ni t e e l e me n t s t r e s s a n a l y s i s n u me r i c a l s i mu l a t i o n， b i t u mi n o u s c o n c ret e pa v e me n t o fb r i d g e d e c k t l l s i mp l y s up p o r t e d b o x - g i r de r i s a n a l y z e d a n d s t r e s s v a ria t i o n r u l e o f pa v e me n t l a y e r、 t h d i fferent e l a s t i c i t y mo d ul u s a nd d i ffe r e n t t hi c k n e s s i s o b t a i ne d Ba s i c me c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i e s o f b i t u mi n o u s c o n c ret e p a v e me n t a r e a n y z e d a n d r e a s o n a b l e thi c k n e s s r a n g e i s g o t I t c a n o ff er s o me r e f e r e n c e s f o r s i mi l a r p r o j e s Ke y wor d s ：fin i t e e l e me n t me tho d ；b i t u mi n o u s c o n c r e t e ；s t r e s s a na l y s i s ； pa v e me n t l a y er；e l a s tic a nd pl ast i c c o mpo n e n t s t a t i c s ；ANSYS；b o x g i r d er brid g e 近年来 ， 全 国各地不少桥梁刚刚建成 不久 ， 桥面就 出现了 严 重的破损 、 开裂 、 坍塌 、 坑 槽 、 拥包等病 害 ， 引起各地 道路建 设部门对桥面铺 装质量现 状的重视。桥面铺装 是铺设在水泥 混凝土桥面板 上的 ， 在受力方面属于较特 殊的复合结构 ， 不 同 于一般 的路面结 构。在荷载作用下 ，铺装层 的受力情况很复 杂 。特别是 目前对水 泥混凝土桥梁沥青混凝 土铺装 的研究 不 够深入 ， 沥青混凝土桥面铺装病害较多。本文采用常见的混凝 土箱梁桥作 为分析模 型 通过计 算 认识沥青 混凝土桥面铺装 层受力基本特性 。分析不同弹性模量及铺装层 厚度时铺装层 受力状态 ， 并给 出铺装层厚度的合理范围。 有 限元法 是利用 电子计 算求解 的一种数 值分 析方法 它 已经被 广泛 应用于工程技术领域中。可 以说 几乎所有 的弹塑 性构件静 力学和 动力学问题都能够用它求得相 当满意 的数值 结果 。 本 文采 用大型有限元通用计算软件AN S Y S 进行分析 。 目 前AN S Y S 已经成 为土木建 筑行业分析 软件 的主流软件 之一。 在各种 工程 实际和理 论分析中得到广泛 的应用。本文主要使 用结构静力分析功能。 1有 限元模型 的建 立 由于箱形梁桥具有非常 明显的优越性 ，使 其在桥梁结构 中得到 了广泛 的应用 ， 故本文选取简 支箱 形梁桥进行计 算 ， 使 其具有广泛的代表性。 对 于空间受 力问题 ， AN S Y S 程 序提供 了四面体 和六面体 收稿 la期 ： 2 0 1 3 0 5 2 7 作 者简介 ： 赵伟 ( 1 9 8 2 一) ， 男 ， 山东荷 泽人 ， 研究生 ， 工程师 ， 主要从 事 房屋建筑和 市政 工程方面 的管理 工作 。 的两种单元形状。桥面 铺装层及桥面 板主梁均采用AN S Y S 软 件程序 中的三维实体结构单 元S OL I D 4 5 单 元。S OL I D 4 5 单元本身是8 节点的块体单元 ， 每个结点有3 个 自由度川。 建立2 0 m简支混凝土箱梁模型 ， 桥面板宽8 m， 梁高2 m， 具 体尺寸见图1 。 混凝 土弹性模量E = 3 0 GP a ， 泊松 比 取O 2 ， 密度 取为2 5 0 0 k g m。 。桥面铺装采 用沥青混凝 土 ， 泊松比 取O 2 5 ， 密度取2 0 0 0 k g ， m。 。 圈1 箱梁横截面尺寸 本文侧重 于受 力特性分析 。 取一种工况 ， 荷 载取汽一 超2 0 后轴加载 ， 按照规范 ， 简支梁 桥在 跨中按照偏载形式布载 为最 不利 2 。 故在跨中距翼缘0 5 m处横 向布置两个轴栽。 每个车轮 着地面积宽0 6 m， 长0 2 m。单个车轮重1 4 0 k N， 故将 每个 车轮 荷载换算成1 2 MP a 的面力在0 6 mx 0 2 m的范 围内加载 。布载 形式见图2 。 X L -Z I 1 2 一 育 一 母 岳 m I 1 2 图2 桥 面布载形式 2 0 重庆建筑 Ch o n g qi n g Ar c h i t e c t u r e 铺装层和 桥面板之 间利 用节点 的耦合 处理来模拟 两者之 间 的良好粘结。采ms o l i d 4 5 单 元 ， 有限元 网格进行 自由划 分 ， 将铺装层单元网格 进行细划 。因为车轮荷 载作用处会产生局 部的应力集中 ， 故也将车轮荷载作用的范 围进行细化。具体划 分形式见图3 。 图3箱 梁模型 网格划分 根 据简支箱梁 的受 力特性 铺装层的破坏 主要 有面 层和接 触层的剪应力控制。铺装层与桥面板之 间接触层 的最 大剪应 力为梁端截面 的T 船 ，铺装层面层 的最 大剪应力为跨 中截面 的 f ， 故以下分析中以这两种剪应力为最大应力_ 3 。 析 2弹性模 量 的变化 对铺装 层应力 的影 响分 不 同类型的沥青混凝土弹性模量 也不 同 并且 由于沥青混 凝土对温度的影响比较 敏感 ， 在使 用过程中 ， 弹性模量 会随温 度的变化而发生很大的改变 ，同时也对铺装层受 力产 生很 大 的影响。下面通过有限元计算分析弹性模量 的变化对 铺装层 受力的影响 同时也可间接的反映出温度效应对 沥青 混凝 土 铺装层的作用 。 表1 就 为最大应力随沥青混凝土弹模 变化 表( h = O 1 m时 ) 。 从表中数据可以看出 接触层和面层 的最大 应力都 随弹性 模 量的增加而增大 ， 但增加 的速度也不尽相 同。因为水泥混凝土 的弹性模量一般情况下远大于沥青混凝土 故 由此可 知使 用 水泥混凝土做为桥面铺装层材料时 铺装层和桥面板 的受力 都将 更加 不利 表1 最大应力随沥青 混凝土弹模变化表 ( h = 0 1 m) 粱端 接触面 ( P a ) 跨 中 面层 (P a ) 8 0 6 2 2 1 0 51 5 2 1 2 1 2 3 5 1 3 2 9 7 4 1 4 1 7 2 4 1 4 7 9 9 3 1 9 2 4 1 2 3 5 7 21 5 0 7 2 9 3 9 9 3 6 5 5 0 4 3 2 7 3 根据表 中计算数据 ， 通过数值分析 的方法 ， 可得铺装层厚 度 h = 0 1 m时 ，接触层与面层 各最大应力与弹性模量E( MP a ) 的拟合 曲线图。 弹性模 量与接触层最 大剪应力梁端截面T 和面层最 大剪 应 力跨 中截面T Z N R q 4 。 宙 一 翱： 1 0 0 0 2 0 00 3 0 00 40 0 0 5 0 00 E( MPa ) 图4 ， r 、 E关 系 图 通过图4 中的比较可以看 出，接触层 的最大剪应力T 要远 大于面层 的最大 剪应力 ， 但两者 的变化趋势基本一 致 ， 都 随 铺装层弹模的增大而增大 ， 其中T 蜢 随模量成三次抛 物线方式 增 大 ， 成线性增加 。 通过计算分析可以看出 。 桥面铺装层的各最大应力都随弹 性模量 的增大而增大 。故在设计时应尽量控 制铺装层混凝 土 的弹性模量 ， 增大其柔性 。同时也说明了柔性桥面铺装的优越 性 。 3铺装层厚度对受力的影响计算 桥面铺装层的厚度是一个重要的技术指标 ， 随着铺装层厚 度 的不 同， 铺装层和桥面 板之间的受力情况都有很大的变化 ， 甚至对整个桥梁 的整体承载力都有影响 ，所 以分析 沥青混凝 土铺装层厚度变化对铺装层层 间和面层 的受 力特性 的影响也 非常必要。通过有限元计算 ， 得出各个最大应力随桥面铺装的 变化规律如表2 中数据所示 ( 弹性模量取1 8 GP a ) 。 表2应力随沥青混凝土铺装层厚度h 变化表 ( E = 1 8 GP a ) n 0 0 0 0 0 n 0 0 O 0