埋管型化冰融雪系統(tǒng)的橋面裝鋪結(jié)構(gòu)影響設(shè)計(jì)分析

文／怒江州公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院 和志忠

1 埋管型橋面裝鋪層結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和模擬假設(shè)

1.1 埋管型橋面裝鋪層結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

作為重要的橋系構(gòu)成部分，橋面裝鋪的力學(xué)狀態(tài)相對復(fù)雜。裝鋪層材料與橋面板間的材料基本性質(zhì)，其差異通常比較大，一般水泥砼橋面板的模量往往高出防透水層或者瀝混結(jié)構(gòu)層的相關(guān)模量，其功能狀態(tài)較公路路面或鋼橋橋面均有所區(qū)別。埋管型化冰融雪系統(tǒng)的橋面裝鋪層因?yàn)榧舆M(jìn)不銹鋼熱力管網(wǎng)，對于橋面講來相當(dāng)于加進(jìn)鋼筋，提高整體橋面的力學(xué)功效。因?yàn)闇厮奶厥庑裕渌疁刂挥?0～15℃，溫度相對比較低，內(nèi)外溫度差比較小，因而管網(wǎng)的溫翹應(yīng)力可以忽略，重點(diǎn)探究針對加進(jìn)埋管后車輪載荷對埋管的力學(xué)影響作用，埋管的加進(jìn)亦相當(dāng)于起到對裝鋪層的加筋影響作用，因此在分析裝鋪層埋管受力狀態(tài)時(shí)，模型整體的最不利荷位可以忽略，截取橋面裝鋪層的一部分開展計(jì)算分析。

1.2 橋面裝鋪層模型基本假設(shè)

假定橋面各混凝土結(jié)構(gòu)層、瀝混結(jié)構(gòu)層裝鋪層、不銹鋼管為各向同性、連續(xù)、均勻的彈塑性體。假設(shè)裝鋪層間視為連續(xù)狀態(tài)，裝鋪層之與橋面板間亦視為連續(xù)狀態(tài)，而且預(yù)埋裝鋪層的不銹鋼熱力管與裝鋪層間應(yīng)力與應(yīng)變徹底連續(xù)。裝鋪層的施工均視為橋梁主體完工后實(shí)施，分析時(shí)忽略瀝混結(jié)構(gòu)層裝鋪層和水泥砼橋面板重力的影響。忽略承臺與橋墩的形變，只關(guān)注分析上部結(jié)構(gòu)。

2 埋管型橋面裝鋪層模型的建立

2.1 有限元模型的建立

本研究借助通用大型ABAQUS有限元模擬計(jì)算系統(tǒng)建立數(shù)理計(jì)算模型，對裝鋪層埋管的應(yīng)力狀態(tài)開展分析。在橋面裝鋪模擬計(jì)算中，須充分考慮邊界條件的影響，也要注意載荷影響區(qū)域及計(jì)算精確度，選取橋面板3m×3m×0.38m規(guī)格開展計(jì)算，自下而上依次為橋面板、不銹鋼管子、瀝青面層，因?yàn)楣荏w為主要分析對象，故對防水黏結(jié)層的影響作用選擇忽略。橋梁下部結(jié)構(gòu)不予考慮。橋面裝鋪結(jié)構(gòu)的寬度方向系相對有限的層狀結(jié)構(gòu)、水平方向則為整橋。

（1）載荷作用模型：模擬分析計(jì)算時(shí)，載荷選用BZZ-100規(guī)范軸載，取0.70MPa輪壓力，取32.0cm輪中距，取軸重100kN。以兩個(gè)矩形均布載荷結(jié)構(gòu)簡化雙輪載荷。為便于模型劃分與計(jì)算，橫向兩矩形的規(guī)格為18cm，縱向規(guī)格為20cm，對兩個(gè)矩形的邊緣則取間距12cm。橫橋面方向?yàn)閤方向，順橋面方向?yàn)閥方向，垂直于橋面方向?yàn)閦方向。裝鋪層底面不存在z向移位，垂直于x方向的左右兩面不存在x向移位，前后垂直于y方向的兩面不存在y向的移位。

（2）單元與網(wǎng)絡(luò)劃分：水泥砼裝鋪層、不銹鋼管和瀝青復(fù)合料裝鋪層均選用C3D8R實(shí)體6面體單元。其網(wǎng)絡(luò)劃分選用等距劃分，而且采取局部加密，在不銹鋼管及車輛載荷周圍采取比較細(xì)的網(wǎng)絡(luò)，其它地方網(wǎng)絡(luò)比較大。

2.2 重點(diǎn)計(jì)算參數(shù)確定

橋面裝鋪結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)具體見表1所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

橋面裝鋪發(fā)揮避免雨水侵蝕、保護(hù)車輛道板、分散集中載荷、一同與橋梁主體承擔(dān)彎矩功效。實(shí)際工程中經(jīng)常使用的裝鋪樣型主要為瀝青、水泥或者混合型裝鋪。瀝混裝鋪層的常見病害表現(xiàn)為裝鋪層發(fā)生空脫起皮及層間剪切破壞。

參考橋面材料的熱力學(xué)分析成果和熱導(dǎo)常數(shù)，本部分主要探究在裝鋪層總厚度不變的狀態(tài)下，不同的混合型裝鋪方案在考慮水平力常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)載荷及標(biāo)準(zhǔn)靜載影響下的層間剪力影響。橋面裝鋪層初始設(shè)計(jì)方案為：水泥砼結(jié)構(gòu)層（8cm）+瀝混結(jié)構(gòu)層（10cm），混合型裝鋪組合方案具體見表2所示。

表2 裝鋪結(jié)構(gòu)層不同組合

3 不同裝鋪層方案對裝鋪層間應(yīng)力的影響

3.1 標(biāo)準(zhǔn)載荷BZZ-100對橋面不同裝鋪結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

在標(biāo)準(zhǔn)載荷BZZ-100，即輪壓0.7MPa，軸重100kN的影響下，不同裝鋪組合下的水泥砼結(jié)構(gòu)層與瀝混結(jié)構(gòu)層間的最大剪應(yīng)力狀態(tài)具體見表3所示。

表3 不同裝鋪方案靜載下的層間剪應(yīng)力最大值

計(jì)算結(jié)果揭示，裝鋪層整體厚度保持不變，伴隨水泥砼結(jié)構(gòu)層厚度的加大，在忽略水平力的靜載條件下，瀝混結(jié)構(gòu)層厚度的降低，不同的裝鋪層結(jié)構(gòu)的層間剪力逐步降低。瀝混結(jié)構(gòu)層裝鋪厚度由4cm加增至10cm，黏結(jié)層間及瀝混結(jié)構(gòu)層的縱向剪應(yīng)力加大47.5%。此由于裝鋪層加大了瀝青層厚度，因?yàn)槭呛雎运搅Φ挠绊懽饔茫鄬τ谒囗诺膭傂裕瑸r青路面的剛性相對偏小，在靜載影響下，層間最大剪應(yīng)力是瀝青層厚度越大則對應(yīng)越大，與力學(xué)原理相符合。不過在靜載影響下，0.08411～0.1241MPa區(qū)間，為瀝混結(jié)構(gòu)層與水泥砼結(jié)構(gòu)層間的最大剪應(yīng)力變動區(qū)間，變化區(qū)域比較小。

3.2 考慮水平力常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)載荷對橋面不同裝鋪結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

縱坡橋面坡率變化對橋面裝鋪層間存在應(yīng)力影響，并且行駛過程中車輛頻繁的啟動、加速、減速和剎車，水平力常數(shù)f因此而一定程度加大，產(chǎn)生比較大的層間剪應(yīng)力。我們知道，橋面裝鋪結(jié)構(gòu)在車輛啟動剎車過程中領(lǐng)受的切向?qū)娱g剪應(yīng)力，相較常規(guī)狀態(tài)存在數(shù)倍加大，故車行狀況對裝鋪層的受力狀況有比較大影響。在此選用水平力常數(shù)f來模擬裝鋪層間應(yīng)力來自車輛行間制動的影響。

為分析橋面不同裝鋪結(jié)構(gòu)的層間應(yīng)力緣于車輛制動的影響，本研究的水平力常數(shù)f取為0.5開展計(jì)算探究。實(shí)驗(yàn)計(jì)算揭示，考慮(f=0.5)水平力常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)載荷，保持裝鋪的總厚度恒定，瀝混結(jié)構(gòu)層厚度伴隨水泥砼結(jié)構(gòu)層的厚度加大而相應(yīng)降低，不同裝鋪組合的層間剪應(yīng)力逐步加大。瀝混結(jié)構(gòu)層裝鋪厚度由10cm降低至4cm，黏結(jié)層及瀝混結(jié)構(gòu)層裝鋪間的縱向剪應(yīng)力發(fā)生21.3%的加大。此由于瀝青層厚度降低，由于水平力影響，縱向橋梁的層間剪應(yīng)力有所加大，此時(shí)該縱向剪應(yīng)力起主導(dǎo)作用，層間影響相對較大。0.2684～0.3257MPa區(qū)間，為水泥砼結(jié)構(gòu)層與瀝混結(jié)構(gòu)層間的最大剪應(yīng)力波動區(qū)間，與方案一相比，方案四的最大縱向剪應(yīng)力增加了14.3%，選擇應(yīng)用此方案就須對層間應(yīng)力狀態(tài)給予必要強(qiáng)化治理，以抵御因?yàn)闉r青層的減薄而引發(fā)剪應(yīng)力層間加大。

上述力學(xué)分析揭示，在保持裝鋪層總厚度不變的前提下，伴隨裝鋪瀝青層厚度加增，水泥砼結(jié)構(gòu)層厚度的降低，在正常的車輛載荷作用情況下，瀝混結(jié)構(gòu)層裝鋪層與水泥砼面板間總體應(yīng)力呈現(xiàn)為降低趨勢。從此個(gè)意義上講來，越大的瀝青裝鋪層厚度越好，但是因?yàn)闃蛎婊谘┑奶厥庑裕臑r青裝鋪層過厚一是不經(jīng)濟(jì)；二是因?yàn)闉r混結(jié)構(gòu)層的熱導(dǎo)性低于水泥砼的熱導(dǎo)性，會影響融雪的功效；三是瀝青層假如比較厚，就要在瀝青層內(nèi)部埋管，擾動性在橋面壓碾施工中比較大，亦許還會壓壞管網(wǎng)。故需要基于多種約束，尋求化冰融雪特殊橋面的裝鋪層的最優(yōu)厚度與結(jié)構(gòu)組合。

綜合前述分析成果，參考施工、層間作用力、車載要素、熱導(dǎo)融雪功效、經(jīng)濟(jì)的多方面要素，建議水泥砼橋面瀝青裝鋪層為5cm厚度，設(shè)置13cm厚的防水混凝土層。

4 結(jié)語

本研究闡述了埋管型橋面裝鋪層結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，并以有限元模擬計(jì)算的方式，分析了BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)載荷和考慮水平力常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)載荷對埋管型化冰融雪系統(tǒng)的橋面裝鋪結(jié)構(gòu)的影響狀態(tài)。計(jì)算分析揭示，在保持裝鋪層總厚度不變的前提下，伴隨裝鋪瀝青層厚度加增，水泥砼結(jié)構(gòu)層厚度的降低，在正常的車輛載荷作用情況下，瀝混結(jié)構(gòu)層裝鋪層與水泥砼面板間總體應(yīng)力呈現(xiàn)為降低趨勢。案例水泥砼橋面瀝青裝鋪層和防水砼層分別以5cm和13cm厚度設(shè)計(jì)為宜。