自應力混凝土橋面鋪裝

蔣蕾

摘要：在橋梁體系中，橋面鋪裝層既是主體結構的保護層，也是橋梁體系與外部荷載直接接觸的受力層，其質量及健康程度直接影響到行車安全和舒適程度以及橋梁主體結構的耐久性。鋼纖維自應力混凝土因自應力混凝土的硬化膨脹受鋼纖維三個方向的限制而產生一定的預壓應力，混凝土基體更加致密，其抗裂性能和耐久性都得到很大的提升，是橋面鋪裝的理想材料。

關鍵詞：自應力混凝土；橋面鋪裝

1橋面鋪裝設計

水泥混凝土和瀝青混凝土鋼筋混凝土橋梁、預應力鋼筋混凝土橋梁的橋面鋪裝層通常使用的材料。橋面鋪裝問題是橋梁專業和道路專業的共同問題，但多年來一直不被人們重視。目前的橋面鋪裝設計都是按照道路和橋梁各自的需求進行設計，通常是在前人的設計經驗基礎上進行的，不具有結構性的功能要求和設計目的。

2自應力混凝土

自應力混凝土是膨脹混凝土的主要分支之一。由于膨脹混凝土在混凝土的硬化過程中生成硫鋁酸鈣水化物—鈣礬石，體積發生膨脹，在纖維、鋼筋或者其他界面約束的限制下，混凝土膨脹受限，在混凝土內部獲得一定化學自應力。目前有兩種常用方法可獲得這種化學預應力：一種是將適量膨脹劑加入普通混凝土，可以產生不到1MPa的自應力，這種膨脹混凝土稱為補償收縮混凝土；另一種是直接使用自應力水泥代替普通水泥配制混凝土，此時混凝土膨脹變形比較大，可以產生2～8MPa自應力，即自應力混凝土。

3自應力混凝土橋面鋪裝

混凝土是一種成分復雜、性能多樣的彈塑性復合材料，而加入鋼纖維的鋼筋混凝土，其非線性程度更高，采用彈性理論分析其內部應力與變形己遠遠滿足不了精度的要求。上世紀后半段，計算機技術和有限元理論得到充分發展，這為混凝土的非線性分析提供了有效的解決手段。通過鋼筋混凝土的非線性分析，可以得到混凝土結構完整的破壞過程，從而得到破壞過程中各種材料參數和力學性能的發展和變化，為工程設計和科學研究提供更多更可靠的依據。

3.1研究方案

由于僅在橋梁鋪裝層鋪裝鋼筋鋼纖維自應力混凝土，且主要研究其對橋梁支座負彎矩區抗彎能力的貢獻，因此本段數值模擬主要從以下兩點開展研究：

（1）以鋼筋鋼纖維自應力混凝土代替普通混凝土作為橋面鋪裝，對比二者在荷載作用下支座負彎矩區的抗彎能力；

（2）因橋梁支座處最容易產生負彎矩，支座負彎矩區橋面鋪裝最易開裂，因此考慮將鋼筋鋼纖維自應力混凝土僅鋪裝在支座負彎矩區的工況，研究不同鋪裝長度對橋梁支座負彎矩區的抗彎性能的影響，從而確定連續混凝土橋梁中合理的鋼筋鋼纖維自應力混凝土鋪裝長度，為實際工程做參考。

3.2混凝土非線性分析

隨著科學的進步和人類的發展，人們正不斷地追求更極致的體驗：更快的交通工具，更加精致的儀器，更高的樓房，跨度更大的橋梁等等，這就要求工程設計師在設計階段就能精確預測工程的技術性能，需要準確計算結構的靜動力強度，以及各種變量對工程結構的影響，譬如溫度場、電磁場、滲流等。近年來，隨著計算機技術和數值方法的發展，有限單元法逐漸興起，成為解決復雜工程的分析計算問題提供了有效途徑。

上世紀50年代，波音公司在進行機翼的應力分析時，首先將連續的機翼離散為若干三角形進行分析，并獲得成功。1960年前后，我國的馮康教授以及美國的R.W.Clough教授分別獨立提出“有限單元”這一名詞，有限元技術就此誕生。在發展初期，因其精簡的原理和樸素的基本思想，有限元技術被學術界的許多權威嗤之以鼻，諸如Journal of Applied Mechanics等知名刊物都拒絕接受相關文章。而如今，有限元分析的思想己經成為數值計算的主流，應用范圍越來越廣。計算機技術的不斷發展，助其在實際工程問題中的應用成為現實，諸多有限元分析軟件層出不窮。

有限單元法的基本思想是將一個連續的結構體離散為有限個微小單元，相鄰的單元通過單元間的節點相連。當劃分的單元足夠小時，在每個單元中，結構的變形和應力趨于簡單，此時通過計算機可以容易求出節點處應力和變形。單元內部的應力和變形通過函數插值獲得，進而得到整個結構的變形和內力。這樣以來，求解結構內部變量的無窮自由度問題將轉化為求解節點變形和應力的有限自由度問題。劃分單元越小越多，結果越精確，但是計算量也迅速增加，對計算機硬件要求越高，計算時間也越久。因此，在實際工程結構的數值模擬當中，在計算精度與計算量之間要取舍有度。

3.3單元選擇及基本參數

SOLID65單元是SOLID45單元的加強版，是做混凝土非線性分析最常用的單元。與SOLID45單元相比，SOLID65單元最重要的方面是加入了對混凝土材料非線性的處理，即可以自定義混凝土的應力應變曲線。此外，還增加了混凝土開裂和壓碎的描述，可以模擬混凝土的開裂（三個正交方向）、徐變、壓碎、塑性變形。在混凝土的數值模擬中，用SOLID65單元模擬混凝土，可以用自帶的鋼筋常數考慮配筋，也可以用線單元比如LINK180單元或者LINK8等單元模擬鋼筋的作用。該單元為八節點實體單元，每個節點有三個自由度，其幾何模型如圖1所示。

本文選用LINK180單元模擬配筋。LINK180單元是工程中常用的桿單元，它是一種三維桿單元，軸向可承受拉壓應力，但不承受彎矩可以用來模擬析架、索桿、連桿、彈簧等。LINK180的單元幾何模型如圖2所示。

4結束語

文章將鋼筋鋼纖維自應力混凝土應用于橋面鋪裝層，在提高鋪裝層基本耐久性的同時，針對其有利于橋梁結構體系受力的結構潛能進行了試驗研究及模擬分析，結果表明鋼纖維自應力混凝土是理想的橋面鋪裝材料。

（作者單位：江蘇中路工程技術研究院有限公司）