1、1.1 瀝青混凝土橋面鋪裝結構靜態有限元分析1.1.1 靜態有限元模型建立研究以簡支空心板梁混凝土梁橋瀝青鋪裝為對象，為了方便計算分析，建模時對結構進行了合理的簡化。本文以六車道高速公路空心板梁混凝土梁橋瀝青鋪裝為研究對象，考慮到結構的對稱性，建立模型時只選取半幅路面。其中橋板長度為20m，寬度為16.4m，鋪裝體系按3車道布置，寬為15.25m?？招陌鍢蚪Y構詳見圖1.3、圖1.4，整體模型中邊板左右各1塊，中板8塊，見圖1.5。圖1.3 空心板邊板結構圖1.4 空心板中板結構圖1.5 橋面鋪裝體系有限元模型為了更真實的反映車輪荷載對混凝土梁橋瀝青鋪裝的力學作用，本文采用車輛后軸輪胎與橋面鋪裝

2、接觸加荷的方法。輪胎以米其林子午線輪胎315/80 R22.5重型車用輪胎作為原型，輪胎內部結構見圖1.6，后軸輪組尺寸見圖1.7，ANSYS中生成輪胎模型，輪胎的各部分結構實體見圖1.8，整體模型見圖1.9。圖1.6 子午線輪胎結構圖1.7 后軸輪組截面示意圖圖1.8 輪胎實體模型圖1.9 帶輪胎的混凝土梁橋瀝青鋪裝模型使用真實輪胎來模擬車輪荷載具有以下優點：（1）更加接近橋面鋪裝的真實受力狀態，分析精度大大提高；（2）降低由于劃分方塊而給模型劃分網格帶來的困難；（3）采用接觸分析減少方塊分析時邊緣區域的荷載突變，有效減低失真；模型中各部分結構采用的參數見表1.4，劃分網格后的計算模型見圖1

3、.10。表1.4 鋪裝系模型材料參數層號材料名稱厚度h(cm模量E(MPa泊松比材料單元鋪裝部分上層瀝青混凝土鋪裝4（可變）2200（可變）0.25Solid186下層瀝青混凝土鋪裝5（可變）2000（可變）0.25Solid186水泥混凝土調平層8（可變）35000（可變）0.15Solid185橋體部分空心板300000.1667Solid185鉸縫270000.1667Solid185橡膠支座15500.4999Solid186輪胎部分胎冠簾布172.2E30.3SURF154胎側簾布9.87E30.3SURF154輪胎橡膠15000.499Solid186輪輞2E50.2SHELL18

4、1接觸對目標面（鋪裝表面）TARGE170接觸面（輪胎表面）CONTA174圖1.10 模型網格模型的邊界條件為橡膠支座簡支。空心板梁下部與橡膠支座粘結，約束橡膠支座底部X、Y、Z三個方向的六個自由度；對于輪胎，約束輪輞X、Z向的位移，Y向自由。當荷載作用于簡支梁結構中部時，結構將產生最大撓度，因此在進行混凝土梁橋瀝青鋪裝結構受力分析時，縱向選取橋梁中部作為最不利位置。取后軸輪組胎壓為0.85MPa，后軸重為120KN，首先固定縱向位置不變，然后橫向從左側0.25m位置起，以每次0.2m的增量，從左向右移動后軸輪組。經過計算最終確定3.65m處為橫向最不利位置。1.2.2 混凝土梁橋瀝青鋪裝應

5、力敏感性分析混凝土梁橋瀝青鋪裝結構受力同時受到荷載大小、環境溫度、各結構層厚度等多方面因素的影響，與此同時，不同的因素對結構受力的影響程度也不盡相同。瀝青混凝土屬于柔性鋪裝材料，在材料性質上表現為具有較小的剛度（如抗壓回彈模量在15時為2000MPa左右）及較低的抗彎拉強度。一般情況下，瀝青混凝土材料的抗壓強度（>2MPa）要大于抗彎拉強度，同時亦遠大于輪胎胎壓（1MPa左右）。大量的現場檢測數據也表明在車輪作用下材料不會產生屈服破壞，瀝青混凝土材料在使用過程中出現的破壞為疲勞破壞及剪切破壞等。因此，研究中對結構受力的分析主要著重于拉應力及剪應力，不對壓應力進行討論。一、荷載對混凝土梁橋

6、瀝青鋪裝結構受力的影響采用單軸雙輪胎不同荷載等級加載的辦法，以20KN作為增量，具體計算了100KN300KN的后軸荷載。隨著現代車輛載重量的不斷增加，輪胎胎壓也在不斷的提高，輪胎模型參照的原型標準胎壓為0.85MPa，考慮到超載車輛大部分都會提高胎壓以及溫度變化對輪胎胎壓的影響，計算時胎壓取0.8MPa、0.85MPa、0.9MPa、1MPa四個檔次。上層瀝青混凝土鋪裝在不同胎壓-軸重作用下拉應力變化關系見圖1.11（圖中SX表示橫向拉應力，SZ表示縱向拉應力，下同）。由圖可以看出，各個胎壓條件下，橫向拉應力均大于縱向拉應力。隨著軸重的增加，上層瀝青混凝土鋪裝拉應力呈現出非線性變化的特點，總

7、體上均先增大后減小，在100KN140KN的軸重區間內各胎壓條件下上層瀝青混凝土鋪裝的橫、縱向拉應力分別表現得較為接近，超出該區間后，輪胎胎壓對上層瀝青混凝土裝拉應力影響明顯，胎壓越大上層瀝青混凝土鋪裝產生的拉應力也越大。當胎壓為1MPa，軸重為240KN時上層瀝青混凝土鋪裝出現最橫向大拉應力0.828MPa，比該軸重條件下胎壓為0.8MPa時的0.782MPa大6%左右，比100KN時的0.583MPa大42%。上層瀝青混凝土鋪裝的剪應力與胎壓、軸重的關系見圖1.12（圖中SXY表示橫向剪應力，SYZ表示縱向剪應力，下同）。比較發現，上層瀝青混凝土鋪裝的剪應力對胎壓并不敏感，0.8MPa1M

8、Pa的胎壓作用下基本重合，但是都隨著軸重的增大而以近似線性的規律增大。其中當軸重為300KN時，各胎壓作用下的橫向剪應力均達到0.7MPa左右。而縱向剪應力雖然相對較小，但也達到了0.34MPa左右。因此如果要控制上層鋪裝在通車周期內的剪切變形，就應該嚴格控制超重車輛的通行，而對軸重的控制應比胎壓的控制更為嚴格。圖1.11 上層AC拉應力胎壓-軸重關系曲線圖1.12 上層AC剪應力胎壓-軸重關系曲線圖1.13反映了下層瀝青混凝土鋪裝的拉應力隨胎壓、軸重的變化規律，與上層瀝青混凝土鋪裝相比，橫向拉應力的規律相似。下層瀝青混凝土鋪裝的橫向拉應力要明顯小于上層瀝青混凝土鋪裝的橫向拉應力，同時出現峰值

9、拉應力的荷載等級也有所不同。當軸重為260KN，胎壓為1MPa時，下層瀝青混凝土鋪裝橫向拉應力達到最大值0.385MPa；縱向拉應力方面，在280KN300KN的區間內趨于平緩，說明當軸重達到280KN后，對于下層瀝青混凝土鋪裝的縱向拉應力影響減弱。縱向拉應力最大值為0.319MPa，出現最大應力時對應的軸重為260KN，胎壓為1MPa。圖1.14給出了下層瀝青混凝土鋪裝的橫、縱向剪應力隨胎壓、軸重的變化規律。兩個方向的剪應力對胎壓的敏感性均不強，但是對軸重反應敏感，隨著軸重的增大，下層瀝青混凝土鋪裝的各向剪應力近似線性增大。這也說明，軸重對橋面瀝青層鋪裝車轍的貢獻最大。當軸重為100KN時，

10、最大剪應力為0.259MPa左右，但當軸重每增加20KN，剪應力相應增加0.05MPa左右，增幅達到了16%。圖1.13 下層AC鋪裝拉應力胎壓-軸重關系曲線圖1.14 下層AC剪應力胎壓-軸重關系曲線結合上述分析可知，上、下層瀝青混凝土鋪裝受力對軸重表現敏感，隨著軸重的增加，應力也將增加。輪胎胎壓主要影響混凝土梁橋瀝青鋪裝的拉應力，胎壓越大，同等軸重條件下拉應力也越大。二、溫度對混凝土梁橋瀝青鋪裝結構受力的影響瀝青混凝土鋪裝材料具有強烈的溫度敏感性，隨著環境溫度的變化瀝青混凝土的剛度（表現為材料的模量）亦將明顯的變化，為考慮由溫度變化而引起的瀝青混凝土材料力學性質變化對混凝土梁橋瀝青鋪裝結構

11、受力的影響，本文采用地瀝青學會（AI）動態模量56計算公式計算了不同溫度（主要是4060）以及高速公路工況條件下AC-13、AC-20的動態模量，進而分析混凝土梁橋瀝青鋪裝結構受力的溫度敏感特性。同時為了方便使用AI動態模量計算公式，特意編制了AI動態模量計算程序，可見圖1.15。圖1.15 AI動態模量計算軟件通過輸入表1.5中的參數，使用AI動態模量計算軟件自動計算出兩種瀝青混合料不同溫度下的模量，計算結果見表1.6。表1.5 AI模量計算參數結構厚度（cm）（）（%）（%）（0.1mm）（%）AC-13410545.9644.2AC-205104.845.9643.9表1.6 兩種瀝青混

12、合料動態模量瀝青混合料模量（MPa）404550556065AC-135866.914240.473000.252078.661410.65937.96AC-206257.164576.263278.842302.21584.541069.34具體計算時，取軸重240KN，胎壓0.85MPa，上層采用AC-13，下層為AC-20，水泥混凝土整體化層厚度10cm。圖1.16顯示，上層瀝青混凝土鋪裝隨著溫度的升高，拉應力增大。當溫度達到60時最大橫向拉應力達到0.798MPa；總體上縱向拉應力小于對應溫度條件下的橫向拉應力，但隨著溫度升高，兩者間越來越接近，60時達到0.756MPa。剪應力方面，

13、橫、縱兩個方向均表現為隨溫度升高而降低，但是變化范圍均較少，其中橫向剪應力的變化范圍為0.45MPa0.42MPa，縱向剪應力的變化范圍為0.24MPa0.23MPa。圖1.17顯示了下層瀝青混凝土鋪裝應力隨溫度變化的情況。隨著溫度的升高，下層瀝青混凝土的拉應力均增大，其中橫向拉應力變化幅度較小，其變化區間為0.34MPa0.36MPa；縱向拉應力隨溫度變化由0.22MPa非線性增長到0.31MPa。橫向剪應力的變化區間較窄，介于0.43MPa0.434MPa之間。因而可以認為在溫度（模量）的變化過程中下層瀝青混凝土鋪裝的橫向剪應力變化不大。下層瀝青混凝土鋪裝縱向剪應力雖然隨著溫度的升高呈現出

14、下降的趨勢，但是變化的區間在0.338MPa0.348MPa之間，最大與最小值相差僅為0.01MPa。圖1.16 上層AC-13應力隨溫度變化曲線圖1.17 下層AC-20應力隨溫度變化曲線由上面的數據可以認為：混凝土梁橋瀝青鋪裝上層瀝青混凝土鋪裝拉應力對溫度（模量）敏感；下層瀝青混凝土鋪裝受到的剪應力與溫度（模量）間的關系不明顯。三、鋪裝層厚度對混凝土梁橋瀝青鋪裝結構受力的影響混凝土梁橋瀝青鋪裝的整體結構承載能力與鋪裝層的厚度有關，同時由于上部瀝青混凝土鋪裝一般分上下兩層，因此在計算時也分兩種厚度變化情況，取軸重240KN，胎壓0.85MPa。（1）加厚上層瀝青混凝土，保持下層瀝青混凝土厚度

15、不變。上層瀝青混凝土鋪裝的層厚以1cm的增量加厚，計算了上層厚度為5cm10cm總共6組數據。圖1.18給出了第一種情況下上層瀝青混凝土的應力隨厚度變化的關系。隨著厚度的增大上層瀝青混凝土受到的拉應力近似線性下降，厚度每增加1cm，橫向拉應力近似減少0.06MPa，厚度從5cm增加到10cm，應力相應由0.797MPa減小到了0.520MPa；同時，隨著上層瀝青混凝土的加厚，上層瀝青混凝土層受到的剪應力表現為先減小后增大，厚度為7cm時縱向剪應力出現最小值0.192MPa，厚度為8cm時橫向剪應力出現最小值0.323MPa，此時縱向拉應力為0.228MPa。下層瀝青混凝土的應力-厚度關系見圖1

16、.19，其中下層瀝青混凝土的拉應力變化情況也隨著上層瀝青混凝土的厚度的增加以接近線性的規律減小。剪應力方面存在非線性關系，但是總體趨向于減少。圖1.18 第一種變厚度條件時上層AC應力關系圖1.19 第一種變厚度條件時下層AC應力關系結合兩層瀝青混凝土鋪裝的計算結果可以推斷，通過加厚上層瀝青混凝土鋪裝的層厚，能有效的改善其受拉狀況，但是過厚的上層會使得其內部剪應力出現反彈。（2）保持上層瀝青混凝土鋪裝的厚度不變，加厚下層瀝青混凝土。改變下層鋪裝的厚，使下層鋪裝厚度由6cm以每次1cm的增量增加到11cm。圖1.20顯示，隨著下層瀝青混凝土鋪裝厚度的增加，上層瀝青混凝土拉應力平緩下降，每增厚1c

17、m，拉應力降幅不超過1%；上層瀝青混凝土鋪裝剪應力幾乎沒有變化。由此可見改變下層瀝青混凝土鋪裝厚度對上層瀝青混凝土鋪裝的影響很小。下層瀝青混凝土的應力-厚度關系見圖1.21。隨著下層瀝青混凝土鋪裝厚度的增加，其所受到的拉應力減小，但由于該層本來就屬于受剪作用層，所以拉應力的變化規律明顯；隨著下層厚度的增加，剪應力的衰減速度要比拉應力慢得多，而下層鋪裝層主要承受剪應力的作用，因而如果想通過加大下層厚度來降低其所受的剪應力作用顯然是不經濟的。圖1.20 第二種厚度條件時上層AC應力關系圖1.21 第二種厚度條件時下層AC應力關系通過分析認為，增加上層瀝青混凝土鋪裝的厚度可以明顯改善其受拉的狀況，而

18、增加下層瀝青混凝土鋪裝的厚度對改善其受剪的狀況沒有明顯作用，從經濟性上考慮，不建議加厚下層鋪裝的厚度。1.2.3 混凝土梁橋瀝青鋪裝層間接觸分析由于接觸算法高度非線性，因而在計算過程中為節約計算成本而對模型進行了合理的簡化。由力學理論可知，遠場應力對接觸區域的影響較小，因而可取模型的寬度為3/2個車道；又因為接觸應力極值均出現在輪胎接觸范圍附近區域，故模型縱向長度僅取3m。由于小尺寸范圍內可以忽略橋梁撓度的影響，故邊界條件設置為模型底面全約束。由于本處主要考慮瀝青混凝土-水泥混凝土鋪裝層界面的接觸狀態，因而假設水泥混凝土整體化層與橋板、上部兩層瀝青混凝土之間緊密粘結在一起。計算時取后軸重為24

19、0KN，胎壓0.85MPa，各層均按照常溫（20）條件確定材料參數。直觀上，可以將結構中瀝青混凝土鋪裝層與水泥混凝土整體化層界面看作一對摩擦副，并利用摩擦系數表示摩擦副的粗糙程度。分析過程中，首先計算了瀝青混凝土-水泥混凝土鋪裝層界面不同摩擦系數時結構中各層的應力。由于界面的實際情況（瀝青混凝土與水泥混凝土接觸）不可能出現光滑狀態（摩擦系數為0）及連續狀態（摩擦系數為1），計算時假定摩擦系數由0.1以0.1的幅度增加到0.9。圖1.22中反映出上層瀝青混凝土隨著界面的摩擦系數的增大，其拉應力減少，但變化的幅度很小，同時剪應力小幅增大。對比理想結合狀態，接觸條件下的上層瀝青混凝土鋪裝的剪應力明顯

20、增大，其中橫向剪應力峰值達到了0.711MPa，比理想狀態下得到的峰值0.47MPa大了將近51.3%。這說明：當瀝青混凝土鋪裝與水泥混凝土整體化層粘結不足的情況下，上層瀝青混凝土鋪裝的受力狀況惡化了，橋面鋪裝層間，特別是由于材料性質差異較大的瀝青混凝土鋪裝水泥混凝土鋪裝層的粘結情況對橋面鋪裝性能有顯著的影響。下層瀝青混凝土鋪裝位于瀝青混凝土與水泥混凝土整體化層的過渡區域，該層瀝青混凝土鋪裝直接與水泥混凝土整體化層接觸，在接觸界面形成剛度突變，從力學理論上分析剛度的突變加上材料間結合力的不足容易引起應力的集中。因而層界面處于接觸狀態（非結合狀態）下層瀝青混凝土鋪裝的應力分布情況直接關乎上部瀝青

21、混凝土鋪裝結構的工作穩定性。圖1.23中反映了下層瀝青混凝土拉應力隨摩擦系數變化的規律，由圖可以看出，隨著摩擦系數的增大，下層瀝青混凝土鋪裝拉應力減小，可以理解為接觸界面的表面粗糙程度對下層瀝青混凝土鋪裝的應力擴散作用具有正比效應。即接觸表面越粗糙，下層瀝青混凝土的應力擴散作用越明顯。下層瀝青混凝土鋪裝剪應力對接觸表面摩擦系數關系表明：在接觸狀態下，由于層間可以產生相對滑動，致使接觸界面上下層結構剪應力出現間斷，導致剪應力集中到上部的瀝青混凝土鋪裝結構內，因而在摩擦接觸狀態下，下層瀝青混凝土鋪裝剪應力較大。隨著摩擦系數的增大，當摩擦系數大于0.3后，橫向剪應力要小于縱向剪應力。圖 1.22 上

22、層AC應力摩擦系數變化關系圖 1.23 下層AC拉應力隨摩擦系數變化關系為了更好的分析鋪裝層間真實接觸狀態時受力的情況，研究中假定了四種接觸條件，包括前述的摩擦狀態以及完全粗糙，綁定和粘結57。摩擦狀態時取各不同摩擦系數下的算術平均數作為參考值。完全粗糙狀態是指在接觸計算中，接觸對間的摩擦系數假定為無窮大；綁定接觸狀態是指當接觸界面中的節點由分離狀態變為接觸狀態后，目標節點和接觸節點間將在接觸界面發向產生綁定（主要是輪胎作用范圍附近區域的節點發生綁定），但是它們之間依然可以發生相對滑動；本文中的粘結狀態不同于工程中的粘結，粘結是指兩種材料間結合為一體不會產生分離和滑動，與焊接狀態相似。表1.7

23、給出了四種狀態時上層瀝青混凝土的應力計算結果。表1.7 四種接觸狀態對應的上層瀝青混凝土應力值接觸狀態SX（MPa）SZ（MPa）SXY（MPa）SYZ（MPa）均值0.7500.5450.7090.469完全粗糙0.7370.5420.7120.470綁定0.6480.4630.7170.486粘結0.7660.7560.5280.292圖1.24為上層瀝青混凝土鋪裝不同接觸狀態下的拉應力對比情況，由圖可以看出，無論是橫向或者是縱向，處于粘結狀態下的拉應力最大而綁定狀態下拉應力最小，其他兩種狀態下，普通摩擦狀態要比完全粗糙狀態大。其中橫向拉應力最大值要比最小值大18.2%；縱向拉應力最大值比

24、最小值大63.3%。由此可見，層間的相對滑動釋放了上層瀝青混凝土鋪裝由于變形拉伸而產生的拉應力。對于上層瀝青混凝土鋪裝的剪應力，圖1.25給出了各種狀態下的對比情況。圖中顯示，粘結狀態下上層瀝青混凝土鋪裝各向剪應力均小于其他三種接觸狀態，將它們從大到下進行排序分別為：綁定狀態，完全粗糙狀態，摩擦均值，粘結狀態。粘結狀態下各向剪應力均處于較小水平，其中橫向為0.528MPa，縱向為0.292MPa，比最大值（綁定狀態下得到）分別小26.4%和39.9%。圖 1.24 不同接觸狀態時上層AC拉應力關系圖 1.25 不同接觸狀態上層AC剪應力關系下層瀝青混凝土鋪裝位于接觸界面上，由于上層瀝青混凝土鋪裝的存在，該層上受到的拉應力相對較小。表1.8給出了四種狀態對應的下層瀝青混凝土應力計算結果。圖1.26顯示處于粘結接觸狀態時，下層瀝青混凝土鋪裝拉應力最小，最小值分別為：橫向0.296MPa，縱向0.287MPa。綁定狀態次之，分別為橫向0.317MPa和縱向0.351MPa。其他兩個接觸狀態下的拉應力明顯高于前兩種狀態的值。表1.8 四種接觸狀態對應的下層瀝青混凝土應力值接觸狀態SX（MPa）SZ（MPa）SXY（MPa）SYZ（MPa）均值0.6240.7190.6250.