考虑温度-车辆耦合的准低温季节混凝土桥铺装应力分析.pdf

考虑温度 一车辆耦合 的准低温季节混凝土 桥 铺 装应 力分 析 刘 云 ( 河海大学土木与交通学院， 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘 要 ： 为了研究环境与车载耦合作用对混凝土桥铺装层受力 的影 响 ， 首先推导 材料特性 随温 度变化 的沥 青混合料 桥面铺 装在温 度一车辆耦 合作用下 的应力有 限元计算公式 。然后采用有 限元方法建立混凝土箱 梁桥多层铺装 复合结构仿 真模 型 ， 通过现场实 测 和仿 真计算 ， 分析准低温季节铺装结构温度场 日变化和车辆荷 载耦合 作用下 的铺装层 拉应力 。计算 结果表 明 ： 拉 应力峰 值 出现 在 桥墩上方对应的铺装层表面 ， 较易较早 出现开裂破坏 ； 考虑铺装各层 结构 温度梯度 变化后 ， 耦 合作用下 的横 向拉应力 峰值在 中午处 于谷值 ， 纵 向拉应力峰值变化不 明显 ； 耦 合荷 载作 用下的横 向拉 应力 峰值 比车辆荷 载作 用情况增加 2 7 6 倍 ， 纵向拉应力峰值涨幅为 4 2 。在铺装层 的设计 中必须考虑温度荷载 的作用 。 关键词 ： 混凝土桥 ； 桥 面铺 装 ； 准低温 ； 温度 一车辆耦合 0 引 言 混凝土箱梁桥沥青混凝土铺装层作为铺装体系结 构的面层完全裸露于 自然环境 中， 虽然沥青混合料具 有 很 高 的抗 压 强 度 ， 但 是其 抗 拉 能 力 却 较低 。在 季 节 周 期性 变化 的温 度 场 作 用 下 ， 桥 面铺 装 内部 将产 生较 大的温 度应 力 ， 再加上 车辆 荷载 的反 复作 用 ， 势 必 导致 沥青 混合料 桥 面铺装 层 的开裂 破坏 。研究 桥 面铺 装层 在车辆荷载和温度荷载耦合作用下的力学响应分布是 探 求 开裂破 坏机 理 的基 础 ， 为 结 构 与材 料 的设计 提供 理论 依据 。 关于水 泥混 凝 土桥桥 面铺 装层温 度效 应 的研 究 主 要集 中在 温度 场分布 ， 借 助工程 所在 地 的气象 资料 ， 确 定温 度场 的边 界条 件 和 初 始 条件 ， 建 立 二 维 或 三 维 温 度场模 型 l _ 3 _ ， 分析 得 到温度梯 度变 化 。部 分学 者 建立 了桥 面铺装 与桥 梁 的复 合 结构 模 型 ， 分 析 了铺装 与桥 梁之 间 的温度 梯 度 产 生 的 温 度应 力 I 4 。另有 学 者 采 用实 验手段 或有 限元 方法 分析 了沥青 路 面 的温度 场 与 车辆 荷载之 间 的耦 合作 用 - 。但是 ， 关 于 水 泥 混凝 土 桥 桥 面铺装 层在 车辆 一温 度耦 合作用 下 的应力 分 布鲜 见报 道 。 本文 推导 了材料 特性 随温 度变 化 的沥青 混合 料 桥 面铺装在温度一车辆耦合作用下的应力有限元计算公 收稿 日期 ： 2 O 1 3 O 7 一 O 7 基金项 目： 上海建交 委科研项 目( 2 0 0 9 0 0 3 0 0 6 ) ； 中国博士后基 金 ( 2 0 1 l O 4 9 1 3 4 2 ) ； 江 苏 省博 士后 基 金 ( 1 l O l O 1 8 C) 1 6上 么咯N o 3 2 0 1 3 式， 然后结合沪杭 高速公路拓宽工程 中的箱梁段高架 桥 ， 建 立混 凝土 箱梁 桥多层 铺装 复合 结构仿 真 模 型 ， 最 后 分析 准低 温 季节铺装 结构 温度 场 日变化 和车 辆 荷载 耦合作 用 下 的铺 装 层 拉 应 力 ， 探 求铺 装 层 开 裂 的破 坏 机理 。 1 温度 一车辆 荷载 耦合作 用 有 限元分析 当沥 青混凝 土 各 部分 温 度 发 生 变化 时 ， 物 体 由于 热变 形将 产生线 应变 a ( TT 。 ) ， 其 中 a是沥青 混 凝 土 产生 温 缩变 形 时 的热 膨 胀 系数 ； T是 弹性 体 内任 一 点 现时的温度值 ； T 。 是初 始温度值_ 7 。如果物体受到约 束或 者各 部分 的 温度 变 化 不 均匀 ， 使 得 物体 的热 变 形 不 能 自由进行 时 ， 则 会 在 物体 中产 生 温 度 应力 。 当弹 性体的温度场 已经求得时 ， 就可以进一步求 出弹性体 各部 分 的热应力 。 沥青 混凝 土 由于 热 变形 只产 生 线 应 变 ， 而 剪 切 应 变 为零 。这种 由于 热变形 产生 的应 变可 以看 作 是物 体 的初 应变 e 。 。对 于三维 问题 ， 。 的表 达式 是 e 0 一口 ( 丁一T o ) 1 1 1 0 0 0 ( 1 ) 式中： a是材料的热膨胀系数 ( 1 ) ； T 。 是物体的初 始 温度场 ； T是 结 构 的 物 体 瞬态 温 度 场 。T 可 由温 度 场分析得到的单元结点温度 丁 通过插值求得 ， 即可按 下式 计算 得 到 7 ： T一 N ( z， Y， z ) T， 一NT ( 2 ) i l 在物 体 中存 在 初 应 变 的情 况 下 ， 应 力 应 变 关 系 可 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 不 成 ： 口一 D ( 一 o) ( 3) 式 中 ： D 为 表 征 应 力 和 应 变 之 间 弹 性 关 系 的 弹 性 矩 阵 。 不计 体力 时 弹性静 力方 程 如下 ( 柱 坐标 系) ： + + - 0 a r 。Oz 詈+ + a a r 。 r 当考 虑弹性 模 量 、 泊 松 比和 线 收 缩 系数 为 温 度 的 函数 时 ， 应 力和 应变 关 系可 以写成 ： 一 n + 6 ( + 等) + c 一 n + 6 ( + ) a 警+ 6 ( + ) ( + ) 式 ( 4 ) 和式 ( 5 ) 中 ： “ 、 W 分 别 为水 平 、 竖 向位 移 分 别 为 ； r 、 、 z方 向的应 力 ， r 2 r 为剪 切应 力 。 ， ， 一 二 “ 1 + ( ) 1 2 ( ) ： 墨 尘 尘 1 + ( ) 1 2 ( ) 一 尘 。 1 2 a( ) ， E( ) 一 式中： E( 咖) 为弹性模量 ； ( 咖) 为泊松 比； a ( ) 为热收 缩系 数 ， 都是 温度 的函数 。 将 式 ( 3 ) 代 人 虚位 移原 理 的表达 式 I( 捷 T O , 抛 ) d VI u T d S 一0 ( 6 ) J V J s 则 可得 到包 括 温度应 变 在 内的用 以求 解 热应 力 问 题 的最 小 位能原 理 。它 的泛 函表 达式 如下 ： I I ( “ ) 一 j。 ( 丢 e D 一 T D 0 - U T f ) d a j “ ( 7 ) 将 求解 域 Q 进行 有 限元离 散 ， 就 得 到有 限元 求解 方 程为 口一 P ( 8) 式 中 ； 为结 构 刚度矩 阵 ； n为结 构 的结 点位 移 ； P 为结 构结点载荷列阵 。与不包含温度应变有限元求解方程 的区别 在于 载荷 向量 中包 括 了 由温 度 应变 引起 的 温度 一s 载荷 。这 里载荷 向量表达 为 P P， +P ( 9 ) 0 式中： P， 是车辆荷载等外荷载引起 的载荷项 ； P 是温 度 应变 引起 的载 荷项 7 。 r P 一 I B D 。 ( 1 0 ) J n 式 ( 1 0 ) 中 ： B 为应 变矩 阵 。稳 态 温 度 应力 计 算 在 温度 场 分析 后进 行 。至 于 瞬态 温 度 应 力 的计 算 ， 可 以在 每 一 时 间步 的瞬态 温 度 场计 算 后 进 行 ， 也 可 以在 整个 瞬 态 温度 场分析 完 成 后 ， 再 对 每 一 时 间步 或 指 定 的若 干 步进 行 【_ 7 。 2 荷载 条件 车 辆荷 载对 桥 面 的作 用 是 多 方 面 的 ， 就荷 载 的方 向而言 ， 有垂 直荷 载和水 平荷 载 。另外 ， 沥青 混 凝 土桥 面在 太 阳辐射 和 大气对 流热 交换 的共 同作用 下 产 生可 观 的路 表温度 。一天 内不 断变化 的路 表温度 通 过 热传 导 ， 沿桥 面厚度 方 向产生 不稳 定 的热流 ， 因此 形 成较 大 的温 度梯 度 ， 而沥青 混合 料对 温度 的变 化极 为 敏感 ， 强 度受 温度 的 影 响 很 大 ； 因此 ， 在 这 种 温 度 梯 度 的 作 用 下 ， 桥 面铺 装 内部 将 产 生分 布 不 均 匀并 且 局 部 较 集 中 的温 度应 力 。 2 1 温度 荷载 2 1 1 铺 装层 温度 场监 测方 案 沪杭 高速公 路拓 宽改 建工 程入 城段从 收 费 口至 莘 庄 立交 为 高架加 地 面铺 道 。上部 结 构采用 简 支预 应 力 混 凝 土预制 小箱 梁 ， 标 准跨 径基 本 为 3 0 m， 横断 面 由 9 片箱 体 组 成 。预 制 段 梁 宽 度 中 梁 为 2 4 m， 边 梁 2 4 5 m， 相 邻 梁 中心 距 为 3 0 2 5 m， 腹板 厚 度 0 1 8 0 2 5 m。1 6 r r l 梁高 梁纵 向在跨 中和两端 各设 一 道横 隔板 ， 共 3道横隔板。铺装上层 、 下层均采用厚度5 c m 的改性 沥青 S MA 一 1 3 _ 9 j 。 高 架桥桥 面铺 装 的施 工 在 1 1 月 开 始 ， 因此 ， 在 1 1 月末 对依 托工 程 的桥 面铺装 层温 度场 进行 了 多天 连续 测量 。采 用 电阻 温 度计 对 铺 装 层 的 温度 进 行 监 测 ， 在 试验 路段 桥 面铺 装 层 布 置 了观 测 点 ， 埋 设 深 度 如 图 1 所示 。具 体监 测铺 装层 深度 位置 为铺装 表 面 、 1 5 C I T I 、 4 c m、 7 c m 及 1 0 c m。 2 1 2实测 温度 场分布 为 了反 映准 低 温 季 节 桥 面铺 装 温 度 场 的变 化 状 况 ， 选择几天气温度较低天气 时的温度场变化状况进 行 了连续 测量 ， 选 取 其 中 1 1月 1 7日的桥 面铺 装 温 N 。 3 2 0 1 3上 么姥 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m s一 一s 通 过 准低 温 季 季 节 日变 化 温 度 场 与 车 辆 荷 载 的 耦 合 作用 分 析 结 果 ( 罔 1 1 ) 可 见 ， 拉 应 力 峰值 出现 在 铺 装 层 的 表 面 ， 主 要 是 因 为 铺 装 表 层 的 温 度 变 化 幅 度 较 大 ； 横 向拉 应 力 在 将 近 中午 时 间处 于谷 值 ， 纵 向 拉 应 力 变 化 不 明 显 ， 从 全 天 范 围 内 看 较 为 平 稳 。从 图 1 2可 以看 出 ， 在 低 温 季 节耦 合 荷 载 作 用 下 拉 应 力 峰 值 明 显 大 于 常 规 车 辆 荷 载 作 用 情 况 ， 横 向 拉 应 力 峰 值 比车辆 荷 载 作 用 情 况 增 加 2 7 6倍 ， 纵 向拉 应 力 峰 值 涨 幅 为 4 2 。 0 3 0 25 皇 02 警0 l 5 0 l 羹 n 0 5 0 、 I 一 路 表 一 1 5 c m 4 c m 7 m l 、 “ 、 、 、 ， ， 、 j ， 一、 。 r -一 一 ： 0 2 4 6 8 1 0 l 2 1 4 l 6 1 8 20 2 2 24 时间， | I ( a ) 横 向 拉 应 力 I 一路 表 一 - 一 1 5 m 4 c m一 7 r m 1 r ， 一， r 一 J 一 一 ： 一 、 辑 * 一 * 一 ， 图 1 1 铺 装 层 准 低 温 季 节 耦 合 作 用 应 力 日变 化 横 向拉臆 力峰值 纵向拉应力峰值 图 1 2 准低温 季节铺装层拉应 力峰值 5 结 语 ( 1 ) 从铺 装 层 表 面 力 学 响 应 横 、 纵 向平 面 分 布 来 看 ， 拉 应力 峰 值 出 现 在 桥 墩 上 方 对 应 的 铺 装 层 表 面 。 2 0 上冯 么堍 N 。 3 2 0 1 3 从铺 装层 力学 响应 竖 向分 布来 看 ， 横 向拉 应 力 峰值 和 纵 向拉应 力峰 值 均 出现 在 铺 面表 面 ， 底 面呈 压 应力 分 布 。因此 ， 桥墩 上 方 的铺 装 层 表 面较 易 较 早 出 现 开裂 破 坏 。 ( 2 ) 考 虑铺 装各 层结 构温 度梯度 变化 后 ， 车辆 荷 载 与温度荷载耦合作用的拉应力峰值出现在铺装层 的表 面 ， 主要 是 因为铺装 表层 的温 度变化 幅度 较大 ； 横 向拉 应 力在 中午处 于谷 值 ， 纵 向拉 应力 变化 不 明显 ， 从 全 天 范 围 内看 较 为平 稳 。可 见 ， 将 近 中午 时 间温 度 场 变 化 不 大 ， 温 度应 力较小 ， 不 易产 生温度 裂缝 。 ( 3 ) 耦 合 荷载作 用 下拉 应 力 峰值 明显 大 于 常 规 车 辆荷 载作 用情 况 ， 横 向 拉应 力 峰 值 比车辆 荷 载 作 用情 况增加 2 7 6倍 ， 纵 向拉应力峰值涨幅为 4 2 。在铺 装层 的设 计 中 ， 仅 考 虑 车辆 荷 载 作 用 已经不 能 满 足 实 际 工程 的需要 ， 必须 考虑 温度 荷载 的作 用 。 参 考文 献 ： 1 陈仕 周 ， 倪小军桥 面铺装 与路面温 度差异研 究 J 中国 公路 学报 ， 2 0 0 5， 1 8 ( 2 )： 5 6 6 0 2 逯彦秋 ， 张 肖宁 ， 唐伟 霞桥 面铺 装层 温度场 的 ANS Y S模 拟 J 华 南 理 工 大学 学 报 ： 自然 科 学 版 ， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 2 ) ： 5 9 6 3 E 3 逯彦 秋 ， 陈宜言 ， 孙 占琦 等钢桥桥面铺装层 的温度场分 布 特征E J 华 南 理工 大学 学 报 ： 自然科 学 版 ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 8 ) ： 11 6 1 21 E 4 王光辉 ， 韦成龙 ， 李斌等 大跨度桥梁桥面铺装 温度效应仿 真分析E J 湖南理工学院学报 ： 自然科学 版 ， 2 0 0 7 ， 2 0 ( 4 ) ： 8 3 - 8 7 5 王乾 ， 童 申家 ， 王选 仓等桥面铺装温度场 与温度应力分 析 E J 西安建 筑科 技 大学 学 报 ： 自然科 学 版 ， 2 0 0 9 ， 4 1 ( 2 ) ： 21 9 22 4 6 郑秉乾水泥混凝土路 面板温度翘 曲与轴 载耦合作用分 析 D 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学 ， 2 0 0 9 7 冯云彪面向等离子材 料钨涂层 的设计 、 制 备和评价 E D 成 都 ， 西 南 交 通 大学 ， 2 0 1 0 8 耿立涛 ， 钟 阳， 乔娜考虑材料特性随温度 变化时沥青 路面 的温度应力 J 公路交通科技 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 1 1 ) ： l 6 2 O E 9 于新 ， 刘 云 ， 吴建涛混凝土箱梁桥沥青混 凝土铺装 层温度 应力分析E J 北京交通大学学报 ， 2 o 1 1 ， 3 5 ( 4 ) ： 9 9 1 0 2 E 1 o 刘云 ， 于新 ， 戴忧华 ， 等混凝土箱梁桥铺 装防水粘结 层力 学性 能 J 同 济 大 学 学 报 ： 自然 科 学 版 ， 2 0 1 2 ， 4 0 ( 1 ) ： 57 61 1 1 曾胜 ， 吴晕 ， 徐 琦路面动态模 量的特性 分析 L J 长沙交 通学 院学报 ， 2 0 0 4 ， 2 0 ( 2 ) ： 3 4 3 7 0 罨 叵 加 劬 托 0 向 纵 m 0 O O 0 O O 0 0 O 0 罨 鹫 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m