混凝土桥面防水粘结层剪应力计算分析.pdf

公路交通技术2 0 1 1 年 8月 第 4期T e e h n o l o o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t A u g 2 0 1 1 N o 4 混凝土桥面防水粘结层剪应力计算分析 王火明 ， 周宏伟 ， 魏 强 ( 1 招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆4 0 0 0 6 7 ； 2 江苏省常州市武进区公路管理处， 江苏 常州2 1 3 0 2 2 ； 3 广 西壮 族 自治区交通规划勘察设计研究 院重庆分院 ， 重庆4 0 1 1 4 7 ) 摘要 ： 运 用 A N S Y S有限元分析软件 ， 对混凝土桥 面防水粘 结层 剪应 力进 行计算 ， 分析超 栽、 车辆行驶状 态、 沥青铺 装层厚 度及 模量 、 防水粘结层模 量 、 层 间接 触状态等对防水粘结层 最大剪应 力的影响。计 算结果表 明， 当超载 1 0 0 时， 防水粘结层最大剪应力增大约 3 2倍； 特殊路段 紧急刹车时层间可能出现的最大剪应力约为车辆正常行驶时的 1 1 8倍； 最大剪应力随沥青铺装层厚度增加而减少， 当铺装层厚度超过 6 c m后 ， 最大剪应力不超过 0 3 9 2 M P a ； 沥青 铺 装层模 量对最 大剪应 力影响 不大。在 此基础上提 出桥 面铺装结构 防水粘结层 的抗剪强度标准。 关键词： 道路工程 ； 桥面铺装； 防水粘结层； 有限元； 抗剪强度； 剪应力 文章编号： 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 1 4 0 5 中图分类号： U 4 4 3 3 3 文献标识码： A Ca lc u la t i o n a n d An a ly s is f o r Sh e a r St r e s s O f W a t e r p r o o f Bo n d i n g L a y e r O n Co n c r e t e Br id g e De c k WA N G H u o mi n g ， Z HO U H o n g w e i ， WE I Q i a n g Ab s t r a c t ：T h i s p a p e r c a l c u l a t e s s h e a r s t r e s s o f w a t e r p r o o f b o n d i n g l a y e r o n c o n c r e t e b r i d g e d e c k a n d a n a l y z e s i n f l u e nc e s o f o v e r l o a d，d r i v i ng s t a t us o f v e hi c l e s ，t h i c k ne s s a n d mo d u l us o f a s p h a l t pa v i ng c o ur s e， mo d ul us o f wa t e rpr o o f bo n d i ng l a y e r a n d i n di r e c t c o n t a c t i ng s t a t u s， e t c o n t he ma x s h e a r s t r e s s o f wa t e rpr o o f b o nd i n g l a y e r b y me a n s o f ANS YS fin i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t wa r e T h e c a l c u l a t e d r e s u l t s s h o w t h a t t h e ma x s he a r s t r e s s o f wa t e r p r o o f b o n d i n g l a y e r i nc r e a s e s b y a p p r o x i ma t e 3 2 t i me s u n d e r 1 0 0 o v e r l o a d；t h e p o s s i b l e ma x i n t e r l a y e r s h e a r s t r e s s d u r i n g e me r g e n c y b r a k e a t s p e c i a l r o a d s e c t i o n s i s a p p r o x i ma t e 1 1 8 t i me s t h e n o r ma l d r i v i n g o f v e hi c l e s；t h e ma xs he a r s t r e s s d e c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e o f a s p h a l t pa v i ng c o u r s e，a n d i s n o t mo r e t h a n 0 3 92 MP a a f t e r t h e t h i c k n e s s o f pa v i ng c o u r s e i s o v e r 6c m ； a n d t h e mo d u l u s o f a s p h a l t p a v i n g c o u r s e h a s n o t b i g i mp a c t o n t h e ma x s h e a r s t r e s s On t h i s b a s i s t h e p a p e r p r o p o s e s t h e s h e a r s t r e n g t h s t a n d a r d o f wa t e rpr o o f b o n d i n g l a y e r o f p a v i n g s t r u c t u r e o n b r i d g e d e c k Ke y wor ds：r o a d e n g i n e e r i ng；b r i d g e d e c k p a v e me n t ；wa t e rpr o o f bo n di ng l a y e r ；fin i t e e l e me n t ；s h e a r s t r e n g t h；s h e a r s t r e s s 水泥混凝土桥面沥青混合料铺装结构发生的损 坏形式主要有推移 、 车辙和开裂 ， 防水粘结层的剪切 破坏是造成桥面铺装损坏的根本原因u 1 - 3 。本文以 桥面铺装防水粘结层最大剪应力 为研究对象 ， 运用 A N S Y S有 限元分析软件对其进行计算 ， 考虑不同比 例超载 、 车辆行驶状态 、 沥青铺装层厚度及模量 、 层 间结合状态等对最大剪应 力的影 响， 运用功能原理 对防水粘结层可 能出现 的最 大剪应力进 行简化计 算 ， 在此基础上对桥 面铺装 防水粘结层抗剪强度标 准进行研究。 1 有限元分析模型建立 运用 A N S Y S软件分析和计算防水粘结层 内的 剪应力大小 ， 建模之前 ， 作以下几点假设 ： 1 )防水粘结层完全连续 ， 即沥青 层 、 防水粘结 层与桥面板彼此之间完全连续。 2 )忽略桥梁结构的震动和负弯矩影响， 将桥面 视为弹性半空间无限体 。 3 )为分 析方便 ， 假设各 层材料 具有线 弹性性 质 ， 材料参数用 E 表示 。 收稿 日期 ： 2 0 1 01 2 2 1 作者简 介 ： 王火 明( 1 9 8 2一) ， 男 ， 湖北省团风县人 ， 在读博士 ， 助理研究员 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第4期 王火明， 等： 混凝 土桥 面防水粘结层剪应力计算分析 1 5 4 )计算过程中不考虑温度应力对防水粘结层 剪应力的影响。 在 以上假设前提下 ， 桥面铺装结构可视为 3层 弹性体系 ， 即： 沥青层 、 防水粘结层和桥 面板。各层 都选用 8节点三维等参元 S O L I D单元 J ， 单元 的每 个节点都有 3个 自由度一 、 y和 U Z 。模型尺寸 为 ： 5 m1 0 m1 I n ， 即沿桥面宽度方 向取 5 1T I ， 长 度方 向取 l 0 1 3 3 ， 厚度取 1 m。这里利用模型 的对称 性 ， 建立 了 1 2模型 ， 荷载作用位 置处 ， 在网格 划分 时进行加密。约束条件为 ： 梁端约束 y 、 z方向的变 形 ， 两侧面约束 方向的变形 ， 在对称 面 X=0施加 对称约束。其中 ， 为横桥 向， ， ， 为顺桥向， z为沿桥 厚度方向。定义了边界条件及网格划分后 的模型 ， 如 图 1所示 。 图 1 施加荷载和边界条件后的模型 计算时， 荷 载采 用 B Z Z一1 0 0标准 轴载 ， 轴 重 1 0 0 k N， 轮压 0 7 MP a ， 双轮中心距 3 2 c m， 轮距 1 8 2 12 1 13 。为计算简便 ， 将 双轮均布荷载简化 为正方形荷 载 J ， 根据公式 4 p a = P( 式 中， a为正方形边长 ； p 为轮压 ； P为轴重。 ) 计算可得 a=1 8 9 e m。轮胎接 地面积为 3 5 7 2 1 e m ， 荷载图示及各部尺寸见 图 2 。 参考相关文献资料 J ， 选择模型计算参数 ， 见表 1 。 l 8 2 -l ! J 一 一 一 望 L 一 一 1 塑 塑 J 单位：e ln 图2 荷载模型图示 表 1 有 限元分析计算基本参数取值 结构层 模量 M P a 泊松比 厚度 c m 水平力系数 F 沥青层8 0 01 5 0 0 0 2 5 2 2 0 防水粘结层1 0 3 0 0 0 2 0 4 0 1 0 5 0 2 0 7 5 桥面板 3 0 0 0 0 0 1 5 1 5 0 2有限元计算结果与分析 2 1 车辆轴载对防水粘结层剪应力的影响 鉴于 目前超载超 限运输时有发生 ， 而超 载运输 对路面结构产生 的破坏 远 比人们想象 的要 严重得 多 ， 因此 ， 本文针对超载进行有 限元分析 ， 标准 轴载取为 1 0 0 k N， 分别计算超 载 1 0 、 2 0 、 3 0 、 4 0 、 5 O 、 6 O 、 7 O 、 8 O 、 9 0 、 1 0 0 情况下 防 水粘结层的剪应力大小。此时 ， 统一取沥青层厚度 为 1 0 c m， 模量 为 1 2 0 0 MP a ， 防水粘结层材料模量 取 1 5 0 ， 泊松 比取 0 3 ， 厚度取 0 2 a M， 水平力系数取 F= 0 。 5 ， 计算结果见表 2和图3 。 塞 瓣 蹬 虐 1 0 o l 1 O l 2 0 1 3 O 1 4 o 1 5 0 l 6 0 1 7 0 l 8 0 l 9 0 2 0 0 轴载大, k N 图 3 最大剪应力 随轴载大小变化关系 计算结果表明 ， 防水粘结层最大剪应力随轴 载 增大而增大 ， 车辆轴载增大 1倍时， 防水粘结层最大 剪应力增长为原来的 3 2倍 ， 表 明超载对防水粘结 层最大剪应力影响显著 。 2 2 沥青层厚度对防水粘结层剪应力的影响 王火明、 杨斌等人 ， 研究发现 ， 随着沥青铺装 层厚度的增加 ， 防水粘结层内最大剪应力逐渐减小 ， 当沥青层厚度超过 1 2 c m后 ， 最大剪应力趋势稳定。 运用 A N S Y S软件分析计算不 同沥青铺装层厚度下 的防水粘结层最大剪应力大小 ， 此时 ， 统一取车辆轴 载为 1 0 0 k N， 沥青层模量为 1 2 0 0 M P a ； 防水粘结层 材料模量取 1 5 0 MP a ， 泊松 比取 0 3， 厚度取 0 2 c m； 表2 不同车辆轴载下防水粘结层最大剪应力计算结果 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 公路交通技术 2 01 1 笨 表 3 不同铺装层厚度下防水粘结层最大剪应力计算结果 水平力 系数 F取 0 5 。考虑沥青层 的厚度为 2 2 0 c m， 计算结果见表 3和图4 。 窖 趔 孽 趁 惑 加铺层厚度 图 4 厚度每增加 2 c m最大剪应力降幅 计算结果表明 ， 防水粘结层最大剪应力 随着沥 青加铺层厚度的增加而减小 ， 当沥青层厚度小于 1 O c m时 ， 防水粘结层最大剪应力随沥青层厚度增大而 减小的趋势尤为明显 ； 当厚度超过 1 0 c m时 ， 厚度的 增加对最大剪应力 减小 的效果不 明显。因此 ， 工程 实践 中， 若沥青加铺层厚度小于 1 0 e m， 可 以考虑通 过增加沥青层厚度的方式来降低防水粘结层可能出 现的最大剪应力。 2 3 车辆行驶状态对防水粘结层剪应力的影响 车辆行驶状态对 防水粘结层 剪应力有 较大影 响【 8 j ， 本文采用 F来模 拟车辆在正常行驶 、 一般情 况下刹车 、 紧急刹车和特殊路段紧急刹车等 4种行 驶状态下产生的水平力作用。此时， 统一取 沥青层 厚度为 1 0 c m， 模量为 1 2 0 0 MP a ； 防水粘结层材料 模量取 1 5 0 MP a ， 泊松 比取0 3 ， 厚度取 0 2 c m； 车辆 荷载取标准轴载 1 0 0 k N， 计算结果见表 4 。 计算结果表明 ， 车辆行驶 状态对 防水粘结层剪 应力影响较大。在特殊路段 ， 紧急刹车情况 下防水 粘结层 可 能 出现 的最 大剪 应 力 为 正常 行 驶 时 的 l 1 8倍 。 2 4 沥青层模量对防水粘结层剪应力的影响 计算过程中， 考虑温度变化可能影 响到的沥青 混合料模量变化范 围为 8 0 01 5 0 0 MP a ， 计算 时统一取车辆轴载为标准轴载 即 1 0 0 k N， 沥青层厚 度为 1 0 c m； 防水粘结层材料模量取 1 5 0 MP a ， 泊松 比取 0 3 ， 厚度取 0 2 c i n ； F为 0 5 。计算结果见表 5和 图 5 菩 台 墩 沥青层模 量 MP a 图5 最大剪应力随沥青层模量变化 计算结果 表 明， 加铺 层 沥青 混 合料模 量 变化 ( 变化范围 8 0 01 5 0 0 MP a ) 对最大剪应力影 响并 不大。随着沥青 层模量 的增加 ， 防水粘结 层可能 出 现的最大剪应力 略有减小 。 2 5层间接触状态对最大剪应力的影响 层 间接触状态指的是沥青层与水泥混凝土板之 间的结合状态 ， 它取决于水 泥混凝土板的界面处理 方式和所采用的防水粘结层材料 J 。采用 A N S Y S 三维有 限元方法进行层 间接触分析时， 假设沥青铺 装层与桥面板 之间的层 间接触状态 系数 厂 在 01 之间 。计算 基本参数 为： 车辆轴 载为 1 0 0 k N， 沥 青层厚度为 1 0 c m， 沥青层模量为 1 2 0 0 MP a ； 防水 粘结层厚度为 0 2 c m， 模量取 为 1 5 0 MP a ， 泊松 比取 0 3 ， F取 0 5 。计算结果见表 6和图 6 。 计算结果表明， 层间接触越好， 防水粘结层可能 出现 的最 大剪应力越大 。 当层 间完全光滑 ( f=0 ) 表 4 不同车辆行驶状态下防水粘结层最大剪应力计算结果 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 4期 王火明， 等： 混凝土桥 面防水粘结层剪应力计算分析 1 7 罨 嘣 亘 表5 不同沥青层模量下防水粘结层最大剪应力计算结果 MP a 层 I团接 触状态 系数 厂 图 6 最大剪应力随层 间接触状态变化 时 ， 最大剪应力只有 0 1 1 2 M P a ， 约为完全接触( f= 1 ) 时的 1 2 。尽管 如此 ， 并不意 味着层 间完全接触 时结构处于最不利状态 ， 因为当层间完全光滑时， 防 水粘结层抗剪强度为 0 ， 尽管此时最大剪应力最小 ， 但结构仍处于不利状态 ( 此时抗剪强度为 0 ， 无法抵 抗剪应力作用 ) ； 当层问完全接触时 ， 防水粘结层抗 剪强度处于最有利状态 J 。因此 ， 从结构力学 角度 考虑 ， 保持层间完全接触对于防水粘结层抗剪破坏 是有利的。 3 桥面防水粘结层抗剪强度标准 J T G D 5 0 -2 0 0 6 ( 公路沥青路面设计规范中建 议桥面防水粘结层 的抗剪强度按 0 4 MP a控制 。 本文通过对桥面铺装防水粘结层剪应力的有 限元分 析与计算 ， 得到 了防水粘结层最大剪应力在 0 2 0 6 MP a 。在此基础上 ， 综合考虑气候 、 交通条件以 及工程重要性等因素 ， 结合当前实际情况 ， 提 出如下 防水粘结层抗剪强度标准 ， 见表 7 。 以上抗剪强度指标 的确定 ， 主要是基于路段的 实际交通条件和气候条件 ， 主要考虑 防水粘结层可 能受到的最大剪应力。此处并没有取防水粘结层可 能出现的最大剪应力 ， 是考虑到这些最大值 是在所 有最不利因素都同时出现之后取得的 ， 而这在实际 工程 中极少可能出现。 4结论 本文运用 A N S Y S有限元分析软件 ， 分析计算了 桥面防水粘结层在各种不 同工况下可能 出现的最大 剪应力 ， 得到了以下几点结论 ： 1 )车辆轴载对防水粘结层剪应力有较大影响。 当超载达到 1 0 0 时 ， 防水 粘结层最大剪应力增大 约 3 2倍。车辆行驶状态对防水粘结层的剪应力也 表 7 桥面铺装 防水 粘结层抗 剪强度标准 工程类别 桥面铺装防水粘结层抗剪强度标准 MP a 第 1 类工程 第 2类1 二 程 第 3类工程 t0 5 0 4 10 3 注： 第 1 类工程， 指特大型桥梁， 各种特殊路段桥梁( 如立交桥闸道， 坡桥 ， 弯桥等) ； 长大纵坡路段， 急弯路段 ， 实际交通量大 的高等级公路， 存在较频繁超载、 超限车辆运输的路段 ； 气候条件恶劣 、 年最高气温与最低气温相差超过 4 5或年最高 气温超过 3 5的路段 。 第 2类1 二 程， 指各种形式的中型桥梁， 无特殊路段的大型桥梁； 无特殊路段的各高等级公路 ， 实际交通量不超过初试设 计量， 不存在频繁的超载、 超限车辆运输路段 ； 气候条件一般， 年最高温度不超过 3 5 ， 年最高气温与最低气温相差不超 过4 5的路段。 第 3类工程， 指各种形式的小桥， 无特殊路段的中桥； 无特殊路段的各等级公路( 高速公路、 城市主干道和各干线公路除 外) ， 交通量较小 ， 不存在超载、 超限车辆运输路段 ； 气候条件较好 ， 年最高温度不超过 3 O ， 年最高气温与最低气温相 差不超过 4 0的路段。 以上标准仅供参考。 ( 下转第2 7页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 第4期 周建山， 等： 集料加工关键技术在太澳高速公路 中的应用研 究 2 7 表 1 1 路面压实度与渗水系数测试结果 表 1 1的检测结果表 明， 该路段沥青层 的厚度 、 压实度代表值、 渗水指标均满足规范要求 ， 路面性能 良好。 6结论 沥青路面用原材料 ， 采用集料加工新技术 生产 质量稳定 ， 沥青混合料拌和楼几乎无溢料和废料 ， 沥 青混合料级配变异小 ， 质量稳定。路面各项性能指 标满足规范要求， 使用寿命延长， 工程造价降低， 具 有 良好的经济效益和社会效益。 参 考 文 献 1 沙庆林 高速公路沥青路面早期破坏现象及预防 M 北京 ： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 1 沈金安， 李福普， 等 高速公路沥青路面早期破坏研究 及对策 M 北京 ： 人民交通出版社， 2 0 0 4 刘涛， 赵文声， 等 沥青路面施工配套关键技术研究 R 广州 ： 广东省长大公路工程有限公司第三分公 司 ， 2 0 0 8 张婧娜 基 于数 字图像处 理技术 的沥青混 合料微 观结 构分析方法研究 D 上海： 同济大学， 2 0 0 0 李智 基于数字图像处理技术的沥青混合料体积组 成特性分析 D 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学， 2 0 0 2 徐科， 张肖宁， 王端宜 利用数字图像处理技术量测针 片状颗粒含量 J 交通与计算机， 2 0 0 5 ， 2 3 ( 5 ) ： 4 6 4 8 肖源杰， 倪富健， 蒯海东 ， 等 基于图像的粗集料形态 对沥青面层抗剪性能的影响 J 郑州大学学报： 工学 版 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 4) ： 4 44 8 ( 上接 第 1 7页) 有较大影响 ， 特殊路段紧急刹车情况下防水粘结层 可能出现的最大剪应力为 车辆正 常行驶 时的 1 1 8 参 考 文 献 倍 。 _ I 胡长顺， 王秉纲- 复合式路面设计原理与施工技术 2 )防水粘结层最大剪应力随力 铺层厚度 2 ， 特性研究 D _ 重 加而降低。当加铺层厚度小于 i 0 c m时 ， 防水粘结 庆： 重庆交通大学， 2 0 0 8 层最大剪应力随厚度增加而显著降低； 当加铺层厚 3 关昌 余， 王哲人， 等 路面结构层间结合状态的研究 度超过 1 0 c m， 下降幅度明显减小。实际工程 中， 当 J 中国公路学报, 1 9 8 9 ( ) ： 一 4 方 口 铺层厚度不 足 1 0 c m时 ， 可 以考虑通过士 曾 加沥青 。 4 础及 A N s Y s 庵 北 械 层厚度来降低防水粘结层可能 出现的最大剪应力 。 5 王林涛 刚 柔安 合 式 路面 结 构分 析 研究 D 重庆： 重 3 )沥青铺装层模量对 防水粘结层可能 出现 的 庆交通大学， 2 0 0 7 最大剪应力影响不大 ， 层间接触状态对防水粘结层 6 柏圆 桥面铺装粘结层的研究 D 西安： 长安大学， 可能出现的最大剪应力有较大影 响， 层间完全连续 7 1 日 水泥混凝土路面沥青加铺层结构研究 D 时的剪应力约为完全光滑时的2倍。 西安： 长安大学 ，2 0 0 5 4 )应根据工程所在地气候及交通条件 、 工程重 8 张占军 水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装结构研究 要程度等制定相应 的桥 面防水粘结层抗剪强 度标 D 西安： 长安 ( 学， 2 0 0 0 准 。提出对于 1类工程 ， 抗剪强度标准应大 于 0 5 铺层结构及卡 才 MP a ； 对于 2类工程 ， 抗剪强度标准应大于 0 4 MP a ； 1 0 中交公路规划设计院 J T G D 5 0 _ 2 0 0 6 公路沥青路面 对于 3类工程 ， 抗剪强度标准应大于 0 3 MP a 设计规范 S 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 6 1JJ 1I 1 j 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m