環境溫度下鋼橋面鋪裝結構脫層擴展機理分析

王守松 鄭占裁

1.泉州信息工程學院 福建泉州 362000；2.福建潤安建設工程有限公司 福建福州 350000

脫層破壞是粘結層破壞的常見的形式，從出現脫層到出現大面積的脫層需要一個發展的過程。目前，對鋼橋面鋪裝的破壞研究，據文獻查閱，只有關于鋪裝層疲勞裂縫擴展的研究[1]。在其他學科領域，關于脫層的研究主要是研究復合材料結構的脫層。在現實中，鋼橋面鋪裝結構脫層的擴展受多方面因素的影響，包括車載和環境氣候條件等相互作用的結果[2]。在高溫作用下，鋼橋面鋪裝的材料性能會出現退化，粘結層的粘結強度變弱，更容易導致粘結層的脫層破壞。本文將針對環境高溫下鋪裝體系脫層擴展的情況進行分析。

1 有限元模擬

關于脫層破壞的實現方法，在ANSYS軟件中主要是采用生死單元進行模擬，在單元選擇上，對于簡化成二維的模型一般采用彈簧單元，對于大面積接觸的三維模型采用接觸單元。[3]本文的研究是鋼橋面鋪裝粘結層的脫層擴展研究，屬于有大面積接觸的三維模型，所以本文采用ANSYS的接觸單元來模擬粘結層，通過殺死摩擦應力大于一定值的接觸單元來模擬脫層。在模擬計算過程中，設定一個粘結層破壞的層間接觸應力極限值，但接觸單元內的溫度應力大于應力極限值時單元將會被殺死，然后進入下一階段的計算，通過多次計算及殺死相應的單元來模擬脫層擴展的情況。表1為本文研究模型采用的基本參數。

表1 模型基本參數

2 脫層擴展模擬

基于鄭玉芳、王守松[4]在界面脫層的鋼橋面鋪裝結構溫度應力分析中對幾種界面脫層形式的模擬。本文將針對完全粘結、貫穿脫層、間隔脫層和旁邊脫層等不同脫層形式，在環境高溫荷載下進行脫層擴展的模擬研究。

2.1 完全粘結脫層擴展

圖1表示完全粘結情況下進行多次脫層擴展的圖示，圖中紅色部分表示完全粘結，藍色表示脫層。在a（完全粘結）情況下通過ANSYS軟件中進行第一次模型計算，選出層間接觸應力大于設定極限值的接觸單元進行殺死后得到b的脫層情況，相當于在完全粘結情況下經過一段時間高溫荷載的作用，鋼橋面鋪裝產生脫層，脫層的情況如b圖示。b→d的情況依此類推。表2列出了鋪裝結構在脫層的各個程度下的最大正應力和最大剪應力。

表2 鋪裝層最大正應力及最大剪應力

圖1 完全粘結脫層擴展

通過統計每次模擬時摩擦應力超過極限應力的單元數，來分析拓展擴展的速度。從a→b過程，超過極限應力的單元數為500，占粘結層所有單元的5%；b→c過程，脫層單元數量為688個，占總粘結單元數的7.2%；c→d過程，脫層單元數為697個，脫層單元占總粘結單元數為7.9%。總體來看在高溫荷載下脫層擴展的的速率比較均衡，屬于穩步擴展。

從應力上分析，鋪裝層的最大正應力的變化不大，說明完全粘結下的脫層對鋪裝層的最大正應力的影響小，可以忽略。鋪裝層表面和底面的最大剪應力隨脫層擴展出現增大。

2.2 貫穿脫層擴展

圖2所示為橋面鋪裝初始處在貫穿脫層狀態下的脫層擴展情況。表3給出了貫穿脫層擴展各階段的鋪裝層最大正應力和最大剪應力。

圖2 貫穿脫層擴展

表3 鋪裝層的最大正應力及最大剪應力

從a→b過程，超過極限應力的單元數為560，占粘結層所有單元的6.5%；b→c過程，脫層單元數量為732個，占總粘結單元數的7.8%；c→d過程，脫層單元數為703個，脫層單元占總粘結單元數為8.1%。總體來看在高溫荷載下脫層擴展的的速率比較均衡，屬于穩步擴展，擴展的速率大于完全粘結下的擴展速率。

從應力上分析，鋪裝層表面的橫向和縱向最大正應力受脫層破壞影響小，鋪裝層底面的橫向最大正應力受到的影響較小，鋪裝層底面的縱向最大正應力由于貫穿脫層的出現，有較大的變化，隨著脫層的擴展，鋪裝層底面的縱向最大正應力逐漸減小[3-5]。

2.3 間隔脫層擴展

圖3所示為間隔脫層情況下的脫層擴展情況。表4列出了間隔脫層擴展在各擴展階段時的鋪裝層最大正應力和最大剪應力。

表4 鋪裝層最大正應力及最大剪應力

圖3 間隔脫層擴展

從a→b，超過極限應力的單元數為698，占粘結總單元數的7.3%；b→c，脫層單元數量為794個，占總粘結單元數的8.1%；c→d，脫層單元數為786個，脫層單元占總粘結單元數為9%。總體來看，在高溫荷載下脫層擴展的的速率比較均衡，屬于穩步擴展，擴展的速率大于完全粘結下的擴展速率。

從應力上分析，間隔脫層擴展對鋪裝層表面的最大正應力的影響小，可以忽略。鋪裝層底面的縱向最大正應力由于脫層的出現，有較大的變化。隨著脫層的擴展，鋪裝層表面和底面的最大剪應力都出現增大的情況。

3 結語

本章借助ANSYS的生死單元，對超過一定摩擦應力值的單元進行殺死，通過對生死單元命令的循環利用模擬脫層擴展。主要分析了完全粘結及在不同的脫層形式下（貫穿脫層、間隔脫層和旁邊脫層）的脫層擴展速率及應力分析。

在溫度荷載作用下，鋼橋面鋪裝的脫層擴展開始于粘結層的邊界以及初始脫層的邊界，從邊界向內擴展，脫層擴展的速度均勻。其中間隔脫層擴展的速度最快，相對來說完全粘結時的脫層擴展較慢。