橋面鋪裝在車輛緊急制動(dòng)狀態(tài)下的受力分析

■肖成勇，姜 鵬 ■重慶交大道路橋技術(shù)研究有限公司，重慶 400060

橋面鋪裝是橋面結(jié)構(gòu)的組成部分。橋面鋪裝層在承受車輛荷載作用時(shí)容易出現(xiàn)層間推移、起皮擁抱、縱橫裂縫等，這些剪切破壞是導(dǎo)致橋面鋪裝整體破壞的重要原因。當(dāng)車輛剎車制動(dòng)時(shí)，車輛對(duì)橋面鋪裝產(chǎn)生一個(gè)巨大的剪應(yīng)力，這個(gè)剪應(yīng)力就是造成橋面鋪裝層層間剪切破壞的直接原因之一［1－3］。

車輛在橋面上行駛狀態(tài)包括:正常行駛、加速行駛、減速行駛、緊急制動(dòng)、起步等。車輛在橋面上正常行駛過(guò)程中，主要考慮滾動(dòng)摩擦，對(duì)橋面鋪裝產(chǎn)生一個(gè)向后的水平推力。車輛在橋面上緊急制動(dòng)時(shí)，主要考慮滑動(dòng)摩擦，對(duì)橋面鋪裝產(chǎn)生一個(gè)向前的水平推力。車輛起步時(shí)，橋面鋪裝的受力過(guò)程恰好和緊急制動(dòng)的過(guò)程相反。加速行駛和減速行駛時(shí)，橋面鋪裝的受力過(guò)程是上述三種情況的綜合。通過(guò)分析，車輛在緊急制動(dòng)時(shí)，橋面鋪裝所受到的水平推力最大。

本文采用有限元分析方法，求解在車輛制動(dòng)荷載作用下橋面鋪裝層的局部受力情況。根據(jù)所獲得的應(yīng)力分布形狀和大小的規(guī)律，為指導(dǎo)橋面鋪裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及預(yù)防橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的早期破壞提供可靠的依據(jù)。

1 有限元分析模型

1.1 模型尺寸

根據(jù)橋規(guī)規(guī)定重輪接地面積0.2m×0.6m。通過(guò)詳細(xì)分析重軸車輪接地情況，確定接地形式為:雙輪接地，單輪寬18cm，輪隙10cm，接地長(zhǎng)24cm，接地壓強(qiáng)0.91Mpa。重軸車輪作用面積為46cm×24cm，同時(shí)考慮荷載具有150%的影響范圍，有限元模型尺寸為69cm×36cm。在模型的邊界處，考慮周圍材料對(duì)模型的約束作用，限制邊界處的各個(gè)自由度。

鋼板厚度為15cm，瀝青混凝土鋪裝層厚度參照一般的鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)取8cm。橋面防水黏結(jié)層假設(shè)為柔性橋面防水黏結(jié)層(例如瀝青膠砂)，厚度一般為 4mm［4］。

1.2 單元選擇

計(jì)算分析采用三維空間實(shí)體建模，對(duì)于瀝青混凝土鋪裝層和橋面板采用實(shí)體單元SOLID45模擬，單元通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著xyz方向平移的自由度。防水黏結(jié)層采用殼單元SHELL41模擬，平面內(nèi)具有膜強(qiáng)度但平面外沒(méi)有彎曲強(qiáng)度。

因?yàn)橐谌S模型表面施加水平荷載，所以增加一個(gè)3D表面效應(yīng)單元作為輔助單元，將水平分布荷載施加在模型的表面效應(yīng)單元上。

1.3 材料的基本參數(shù)

瀝青混凝土鋪裝層模量采用3.0×103MPa，泊松比采用0.25。橋面板假設(shè)為鋼橋橋面板，模量采用2.1×105MPa，泊松比采用0.30。橋面防水黏結(jié)層模量采用150MPa，泊松比采用0.30。

1.4 荷載形式

行駛狀態(tài)的車輛除了對(duì)路面施加垂直靜壓力之外，還對(duì)路面施加水平作用力。制動(dòng)時(shí)車輛在橋面鋪裝上的水平荷載由公式(1)確定。

式中fs－行駛中的車輛在車輪制動(dòng)情況下作用在橋面鋪裝上的水平荷載(kN);

φ－滑動(dòng)摩阻系數(shù);

P－車輛的垂直荷載(kN)。

由研究表明，φ值根據(jù)橋面鋪裝的結(jié)構(gòu)類型、車輛類型、車輛行駛速度、環(huán)境溫濕度密切相關(guān)。瀝青混凝土滑動(dòng)摩阻系數(shù)φ值取0.5～0.65。本文考慮SMA面層鋪裝、汽車－超20級(jí)中的重車、行車速度在40 ～60km/h、常溫干燥情況下，滑動(dòng)摩阻系數(shù)取0.50［5］。

車輛的垂直荷載由140kN重軸車輪接地形式確定:雙輪接地，單輪寬18cm，輪隙10cm，接地長(zhǎng)24cm，接地壓強(qiáng)0.91Mpa。

1.5 模型的基本假設(shè)

(1)所有材料符合線彈性假設(shè)，且各項(xiàng)同性;(2)鋪裝層、橋面板和防水黏結(jié)層間完全連續(xù)接觸并都處于無(wú)裂縫工作狀態(tài);(3)不考慮環(huán)境溫度對(duì)鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的影響因素;(4)不考慮所選模型周圍車輛對(duì)模型產(chǎn)生的影響;(5)不考慮橋面板整體在荷載作用下的變形影響。

1.6 單元?jiǎng)澐?/h3>

采用體映射網(wǎng)格劃分，單元尺寸為0.01m，共劃分出24745個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2 分析結(jié)果

2.1 變形結(jié)果

采用上述有限元模型，在ANSYS11.0的環(huán)境下得到計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)變形圖，在車輛制動(dòng)荷載和自重荷載作用下，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)在荷載區(qū)域的前端出現(xiàn)一個(gè)受壓區(qū)，在荷載區(qū)域的下方及后端出現(xiàn)一個(gè)受拉區(qū)。結(jié)構(gòu)變形圖直觀的說(shuō)明了橋面鋪裝結(jié)構(gòu)推移、起皮、擁抱的變形過(guò)程。變形的計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況。

2.2 行車方向的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果

根據(jù)計(jì)算得到的行車方向鋪裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，在荷載作用下，鋪裝層表面行車方向上最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在荷載區(qū)域的后端，最大拉應(yīng)力為1.34MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在荷載區(qū)域的前端，最大壓應(yīng)力為1.34MPa。在黏結(jié)層處，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在荷載區(qū)域的后端，呈扇形分布，最大拉應(yīng)力為0.447MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在荷載區(qū)域的前端，最大壓應(yīng)力為0.447MPa。

根據(jù)計(jì)算得到的行車方向鋪裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)變?cè)茍D，如圖3所示。在荷載作用下，鋪裝層表面行車方向最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在荷載區(qū)域的正下方，最大拉應(yīng)變?yōu)?.33×10－4m。在黏結(jié)層處，最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在荷載區(qū)域的正下方，最大拉應(yīng)變?yōu)?.39×10－4m。為了避免鋪裝層瀝青混凝土的開裂破壞，橋面的瀝青混凝土鋪裝必須具有足夠的抵抗變形能力。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，鋪裝層瀝青混凝土的抗變形能力必須大于7.33×10－4m。

2.3 橫向的剪應(yīng)力結(jié)果

根據(jù)計(jì)算得到的行車方向鋪裝結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力云圖，在荷載作用下，鋪裝層表面行車方向上最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在荷載區(qū)域的兩側(cè)邊沿，最大剪應(yīng)力為0.508MPa，在黏結(jié)層處，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在荷載區(qū)域的外側(cè)，呈帶狀分布，最大剪應(yīng)力為0.282MPa。黏結(jié)層的正常工作在橋面鋪裝結(jié)構(gòu)中十分重要。黏結(jié)層失效導(dǎo)致橋面鋪裝大面積早期破壞。提高黏結(jié)層的抗剪能力對(duì)于預(yù)防橋面鋪裝早期破壞具有重要意義。根據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果，黏結(jié)層的抗剪能力必須大于0.282MPa。

3 結(jié)論

(1)在車輛緊急制動(dòng)時(shí)，橋面鋪裝受到車輛的荷載作用，車輪的前端產(chǎn)生推移變形，車輪正下方及后端產(chǎn)生拉伸變形。

(2)在荷載作用下，鋪裝層表面行車方向最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在荷載區(qū)域的正下方，最大拉應(yīng)變?yōu)?.33×10－4m。在黏結(jié)層處，最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在荷載區(qū)域的正下方，最大拉應(yīng)變?yōu)?.39×10－4m。為了避免橋面鋪裝開裂破壞，鋪裝層結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定的抗變形能力。

(3)黏結(jié)層最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在荷載區(qū)域的兩側(cè)，呈帶狀分布，最大剪應(yīng)力為0.282MPa。為了避免黏結(jié)層失效，在黏結(jié)層的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求黏結(jié)層抗剪能力大于0.282MPa。

［1］胡曉，等.水泥混凝土橋橋面瀝青鋪裝層的有限元分析［J］.公路交通科技，2007，24(3):5 －10.

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［5］黃曉明，等.路基路面工程［M］.東南大學(xué)出版社，2006.