沥青混凝土弹性模量对钢-混组合桥面铺装温度应力影响的分析

摘要：根据测试桥面铺装的温度数据，以钢-混凝土组合梁桥桥面铺装结构为研究对象，采用有限元软件，建立热-结构耦合三维有限元模型,计算桥面铺装各结构层在温度循环作用下的温度应力，分析沥青混凝土层弹性模量对桥面铺装各结构层温度应力的影响规律,为桥面铺装层的结构设计和材料选择提供了理论依据。

关键词：桥面铺装温度场 温度应力 沥青混凝土 有限元

中图分类号：TV331文献标识码： A

Abstract:On the basis of data from testing bridge deck pavement temperature, as the steel-concrete composite bridge deck pavement to the research object, we use software to set up thermal-structure coupling three-dimensional finite element model. Bridge deck pavement thermal stress law that influenced the elastic modulus of asphalt concrete surface is obtained, with calculating bridge deck pavement thermal stress under temperature cyclings. This provides a theoretical basis for bridge deck pavement structure design and material selection.

Key Words: bridge deck pavement, temperature field, thermal stress, asphalt concrete, C40 polypropylene fiber concrete, finite element

引言：

国内外学者对道路路面温度场和温度应力进行了系统的研究，但涉及钢桥桥面铺装的温度场及温度应力方面的内容却一直很少，与此同时近年来随着钢桥桥面铺装由于温度带来的问题较为突显，所以钢桥桥面铺装的温度研究成为一个热门的问题。

根据我国的统计数据显示，由于高温环境的影响，沥青混凝土的承载能力降低较多，造成车辙这种病害。由此可见，高温对桥面铺装结构材料有重要影响，因此就需要对铺装结构在高温下的材料方面影响进行研究和探讨。

本文在实地现场进行了温度测试记录数据的基础上，运用有限元软件对桥面铺装的温度应力进行分析。

研究过程：

一、桥面铺装材料参数

桥面铺装结构由三层组成：第一层钢板梁，厚度98cm；第二层C40聚丙烯纤维混凝土，厚度12cm；第三层是厚度为5cm的沥青混凝土。表1.1给出了各层的材料参数。

表1.1 材料参数

Table 5.1 material parameters

结构 弹性模量

pa 密度

Kg/ 导热系数

比热容

膨胀系数

℃ 泊松比

钢梁板面 7850 59 460 0.28

聚丙烯纤维混凝土 2400 2.33 970 0.24

沥青混凝土 2000 1.2 954.5 0.25

二、模型结构及基本假设

1、有限元分析的基本假设

为了使桥面铺装结构模拟的更好、更精确，对其作出以下假设：

（1）假定铺装层之间以及铺装层与钢板之间连接良好而且完全连续的；

（2）视铺装结构层为弹性体并且均匀、各向同性；

（3）铺装结构各层层间位移（竖向、水平位移）均连续；

（4）由于是悬索桥，桥面板底面没有约束，侧面有水平的位移约束；

（5）不考虑铺装结构的自重产生的影响。

2、有限元模型分析计算的步骤

2.1选择单元类型

本文需要对桥面铺装温度场进行分析，在建立模型时采用solid70单元类型。

2.2桥面铺装模型的建立

根据几何参数建立模型，由于对称条件，只需要建立1/4模型。三维模型各层之间完全连续，采用体与体的粘结（glue）。

图2.2 钢桥桥面铺装结构的1/4模型

Fig. 2.2 a quarter of the model of steel bridge deck pavement structure

针对本模型的有限元分析采用的就是间接耦合法，就是先进行热分析，把热分析得到的节点温度看作一种体载荷，为了实现耦合再把这种体荷载施加在后续的应力分析中。

四、沥青混凝土的不同弹性模量对铺装层内温度应力分布规律的影响

沥青混凝土是桥面铺装的最外层，也是桥面铺装结构中的最重要一层，它直接承受桥面车辆荷载，传递荷载至基层。沥青混凝土性能的好坏决定着桥面铺装层的性能以及寿命。

通过ANSYS有限元模型进行应力的分析，本文旨在研究沥青混凝土的不同弹性模量对铺装层内满意度应力分布规律的影响，在软件中变换沥青混凝土的不同弹性模量参数，分别进行应力的分析得到不同的结果。

本节采用沥青混凝土的弹性模量分别：1400Mpa,1800Mpa,2000Mpa。经计算，钢桥桥面铺装结构层各层在温度荷载作用下内部温度应力随沥青混凝土弹性模量变化的变化情况如下：

表4不同沥青混凝土弹性模量对应的钢板层内剪应力的数值表

Table 4 the value table of shear stress in steel layer corresponding the different elastic modulus of asphalt concrete

剪应力(pa) 钢板层

沥青混凝土弹性模量（Mpa）

底层处

中间处

顶层处

1400 2511.765 1153.771 -4278.22

1800 2511.802 1153.788 -4278.275

2000 2512.295 1154.007 -4279.152

五、结论

本文在ANSYS模型下通过变换沥青混凝土的弹性模量，计算不同弹性模量沥青混凝土工况下的各层温度应力，得到以下主要结论：

（1）每层的最大剪应力都出现在每层层间接触面上；

（2）随着沥青混凝土弹性模量、聚丙烯纤维混凝土层厚度和强度等级的增大，各结构层剪应力都相应增大。

参考文献

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