含土工合成材料防裂夹层的水泥混凝土路面沥青加铺层应.pdf
第22卷 第8期2005年8月 公 路 交 通 科 技Journal of Highway and Transportation Research and DevelopmentVol122No18Aug12005文章编号:10020268(2005)08002003收稿日期:20040829作者简介:马庆雷(1966-),男,山东单县人,研究员,博士研究生,主要研究方向为公路工程 1(maqinglei tom1com)含土工合成材料防裂夹层的水泥混凝土路面沥青加铺层应力分析马庆雷1,2,郑桂兰3(11 长安大学公路学院,陕西 西安 710064;21 山东省交通厅公路局,山东 济南 250002;31 山东交通学院土木工程系,山东 济南 250023)摘要:采用含土工合成材料的沥青加铺层结构形式对旧水泥混凝土路面进行加铺改造,使用有限元法对沥青加铺层结构的车辆荷载应力及温度应力进行力学计算,定量分析了土工合成材料防裂夹层的抗裂机理。结果表明,对于因车辆荷载应力或温度应力形成的反射裂缝而言,土工格栅的抗裂效果都要优于土工布。关键词:水泥混凝土路面;沥青加铺层;土工合成材料;防裂夹层;有限元法中图分类号:U4161216 文献标识码:AStress Analysis of Asphalt Overlay on Cement Concrete Pavement withAnticracking Interlayer Containing GeosyntheticsMA Qinglei1,2,ZHENG Guilan3(11Highway College,Changan University,ShaanxiXian710064,China;21Shandong Highway Administration,ShandongJinan250002,China;31Civil Engineering,Shandong Transportation Institute,ShandongJinan250023,China)Abstract:The paper adopted asphalt overlay structure containing geosythetics to reform old cement concrete pavement,calculated theload stress and thermal stress of asphalt overlay structure withfinite element method and analyzed the anticracking mechanismof geosyn2thetics interlayer1The results show that the anticracking effect of geogrids is better than that of geotextile for the anticracking caused byload stress or thermal stress1Key words:Cement concrete pavement;Asphalt overlay;Geosynthetics;Anticracking interlay;Finite element method 反射裂缝是旧水泥混凝土路面上沥青加铺层的主要病害,控制与防止反射裂缝已成为加铺层设计的关键。在沥青加铺层与旧水泥混凝土路面板间设置土工合成材料等防裂夹层对防止反射裂缝具有较好的效果,土工合成材料既起到了缓解裂缝端部应力集中的作用,也可减少沥青加铺层底部的弯拉应力及剪切应力,对控制反射裂缝的发展具有较好的效果。对含土工合成材料的沥青加铺层进行深入的力学机理研究对指导设计、避免实际操作中的盲目性有重要意义。从反射裂缝的成因来看,车辆荷载作用所引起的剪切破坏及温度应力引起的张拉破坏对反射裂缝的产生有着主要的影响。当荷载作用于板缝附近一侧时,板缝两侧会产生弯沉差,使接缝处沥青层底部有较大的剪切应力和变形。路面结构温度应力主要来源于两个部分,一部分是由于气温降低后,路面结构自身收缩会产生的温度应力,另一部分是由于昼夜温差而使沥青加铺层及水泥混凝土路面板内存在温度梯度导致各结构层产生翘曲变形引起的温度应力,在温度应力 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.的作用下,接缝处的沥青加铺层会产生张拉变形而产生开裂。反射裂缝就是在车辆荷载应力及温度应力的共同作用下逐渐形成的。1 计算模型与参数本研究视路面结构为弹性层状体系,研究对象是由沥青加铺层、防裂夹层(土工合成材料)、带有裂缝或接缝的水泥混凝土路面和地基组成,建立空间三维模型。水泥混凝土路面板和基础单元采用8节点实体单元,土工合成材料等薄夹层采用三维薄膜单元进行应力、应变及位移分析。为反映半无限大空间地基的特性,地基采用扩大尺寸来模拟。根据山东省济枣西线(小坞-休城)旧水泥混凝土路面路况调查资料,拟定计算的基本参数为:水泥混凝土路面板长为5m,宽为415m,厚度为22cm。经过取地基不同尺寸计算误差分析,地基扩大基础尺寸拟定为16101m1515m9m。行车 荷 载 为 标 准 轴 载BZZ100,轮 胎 内 压017MPa,单个轮压作用范围1819cm1819cm,接触面积为357121cm2,双轮间距为32cm,两侧轮隙间距为182cm。各结构层主要计算参数见表1。表1 主要计算参数结构层厚度cm弹性模量EMPa泊松比u导热系数W(m)-1线膨胀系数-1沥青加铺层(AC)101200012511221110-5土工合成材料015105000014511001510-5旧水泥混凝土路面(PCC)2230000011511511010-5基础-100013511001510-5 注:基础的弹性模量为基层、下基层、垫层和路基的当量值2 土工合成材料夹层模量变化对沥青加铺层车辆荷载应力的影响分析 本模型的土工合成材料厚度设定为015cm,其弹性模量变化较大,一般来说,土工布的模量较小,土工格栅的模量较大,本文采用的土工合成材料模量从10MPa到5000MPa,可模拟低模量的土工布及高模量的玻纤格栅。计算结果见表2及图1。表2 加铺层应力随土工合成材料模量变化MPa土工材料模量EMPaxyzxyyzxz123emax无土工材料-11281-01396-01195-0101201012-0158401060-01396-11536114240179810-11259-01390-01194-0101201012-0158401065-01390-115171141101791100-11249-01387-01193-0101201012-0158401067-01388-115091140501788200-11218-01379-01191-0101201012-0158501074-01380-114831138701779500-11135-01358-01188-0101201012-0158601092-01359-1141511340017541000-11022-01329-01183-0101201013-0158701119-01329-1132411279017222000-01856-01286-01175-0101101013-0158701164-01286-1119511199016803000-01722-01251-01168-0101101013-0158801205-01251-1109411142016504000-01656-01234-01166-0101001013-0158701226-01234-1104711117016375000-01591-01217-01162-0101001013-0158601248-01217-110001109201624图1 加铺层荷载应力随土工合成材料模量变化图 计算结果表明,随着土工合成材料模量的增大,在一定程度上可减少加铺层底的等效应力e及最大剪应力max,但减小幅度有限,应力变化的趋势较为平缓。与无土工合成材料同样厚度的加铺层结构相比,当土工合成材料模量为10MPa时(如土工布),e及max仅分别降低了0191%及0187%,当土工合成材料模量大于500MPa后,其减小加铺层应力的作用才逐渐显现出来,当土工合成材料模量为5 000MPa时,e及max分别比无加铺层时减少了2313%及2118%,因此,土工合成材料模量越大,其对减少加铺层底的等效应力e及最大剪应力max的效果越为明显。当采用模量小于500MPa的土工合成材料夹层时,其对防止加铺层荷载型反射裂缝的主要作用不在于减小加铺层的应力,而在于吸收、扩散加铺层内的应力,增大应力分布范围,减小应力集中现象,延缓裂缝的发展。土工合成材料的作用主要在沥青加铺层断裂以后才会体现出来,具体表现为阻碍新裂缝产生,防止原有裂缝扩张,承担部分水平应力并与沥青加铺12第8期 马庆雷,等:含土工合成材料防裂夹层的水泥混凝土路面沥青加铺层应力分析 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.层一并共同工作。由表3及图2计算结果可知,土工合成材料夹层模量的变化对接缝两侧的弯沉及弯沉差影响都很小,尤其是当土工合成材料模量较小时,如模量为10MPa时,对弯沉差的影响几乎为0;当模量增加到500MPa时,弯沉差比无土工合成材料夹层时也仅减少了613%;在将土工合成材料模量增加到3 000MPa,此时弯沉差减少了1818%。因此土工合成材料减小接缝两侧弯沉及弯沉差的作用并不十分明显。表3 接缝两侧弯沉差随土工合成材料模量变化表土工合成材料模量EMPa非受荷一侧加铺层底弯沉值Uz1mm受荷一侧加铺层底弯沉值Uz2mm弯沉差Umm无土工材料夹层0119701213010161001197012130101610001196012110101520001196012110101550001196012110101510000119501209010142000011940120801014300001194012080101440000119301206010135000011930120601013图2 弯沉差随土工合成材料模量变化图3 土工合成材料夹层模量变化对沥青加铺层温度应力的影响分析311 路面结构温度场计算参数 对枣庄市气温观测站历年月平均气温进行统计,结果如表4所示。表4 山东省枣庄市气温观测站历年各月平均气温观测地点观测时间 月123456789101112年平均气温枣庄218 316 819 1418 2018 2515 27 2616 2111 1610 8161181418 从统计结果可知,最低月平均气温在12月,为118,因此在温度应力计算时,取最不利的低温118 作为参考温度,路面结构在此参考温度基础上进行升温及降温,计算时取日温度T=10,正温差取为10,负温差取为-10,由于负温差对路面结构的影响更为不利,因此在计算温度应力时取T=-10。312 加铺层温度应力计算为比较不同模量的土工合成材料对减少加铺层温度应力的效果,土工合成材料模量从10MPa变化到5 000MPa,模拟低模量的土工布及高模量的玻纤格栅。计算结果见表5及图3。图3 加铺层温度应力随土工合成材料模量变化图 计算结果表明,土工合成材料对减少加铺层的温度应力起到了很大作用,随着土工合成材料模量的增大,加铺层底的最大主应力1、等效应力e及最大剪应力max逐渐减小。当加铺层顶面温度下降-10时,无土工合成材料的加铺层底1、e及max分别为表5 加铺层温度应力随土工合成材料模量变化表MPa土工材料模量EMPaxyzxyyzxz123emax无土工材料41298112120120000-01024413001121201199316972105110318751112401179-0102201003-010773187611124011773132811850100317691109601174-0102201003-010763177111096011733123711799200316591106701169-0102201003-010763166111067011683114211747500313660199101156-0102201003-0107631368019910115421888116071000219750188801138-0102201003-0107521977018880113621549114212000214250174501114-0102201003-0107421428017440111121074111593000210570164801097-0102201003-0107321060016480109411756019834000117940157901086-0102201003-0107311797015790108211528018585000115950152701077-0102201003-010721159901527010731135701763(下转第35页)22 公 路 交 通 科 技 第22卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.达33156s;扭转振型出现得较晚,到第12阶出现全跨1阶对称扭转,频率为01076Hz,扭弯频率比达到2189,因此就气动稳定性而言,该类桥型具有较好的抗风性能。结构也在第48阶出现主跨纵飘特性,频率为01208Hz,第54阶为边跨纵漂,频率为01234Hz;主塔的振型到第106阶才出现。(2)两个主塔直接固结后,计算的结构频率偏高,而且振型的出现顺序亦有所变化。塔底直接固结使结构的总体刚度偏大,周期变短,反应也相应偏高,考虑桩 土 结构相互作用后会使结构的内力反应减小。(3)总体上行波效应对结构内力反应的影响较小,这主要是由于多支承激励引起的柔性结构的地震反应中拟静力部分占的比例较小,故行波效应影响不大。(4)加劲梁与边梁在主塔下横梁的支承处的纵向相对位移较大,达到016m,为有效防止落梁,必须保证支承处的足够宽度,保证伸缩缝的作用,另外设置挡块,设置减震支座都是减小相对位移、防止落梁的较好措施。参考文献:1 小西一郎,著 1 戴振藩,译 1 钢桥M1 人民铁道出版社,198112 袁万城,胡世德,范立础 1 悬索桥抗震分析方法A1 土木工程学会第11届年会论文集C1199413 胡世德 1 范立础 1 江阴长江公路大桥纵向地震反应分析J 1同济大学学报,1994,22(4):433-43814 范立础 1 桥梁抗震M1 同济大学出版社,199715P Leger,I M Ide,P Paultre1Multiplesupport Seismic Analysisof LargeStructures J 1Computers&Structures,1990,36:1153-115816R W Clough,J Penzien1Dynamics of Structures M1New Y ork:McGrawHill Inc,199317JT J00489,公路工程抗震设计规范S1(上接第22页)4130、31697、21051MPa,当加铺层及旧水泥混凝土路面之间设置模量为10MPa土工合成材料(如土工布)时,1、e及max分别降低为31876、31328、11850MPa,降低幅度分别为919%、1010%及918%。当土工合成材料模量增大到5 000MPa后,1、e及max分别比无加铺层时减少了6218%、6313%及6218%。因此,土工合成材料模量越大,其对减少加铺层底的温度应力的效果越为明显,土工合成材料对减小加铺层温度应力的作用远大于其减小荷载应力的作用。4 结论(1)土工合成材料模量越大,对减少加铺层的车辆荷载应力及弯沉差的效果就越为明显。当采用模量小于500MPa的土工合成材料夹层时,其对防止加铺层荷载型反射裂缝的主要作用不在于减小加铺层的应力,而在于吸收、扩散加铺层内的应力,增大应力分布范围,减小应力集中现象,延缓裂缝的发展。(2)随着土工合成材料模量的增大,加铺层底的最大主应力1、等效应力e及最大剪应力max逐渐减小。因此,土工合成材料模量越大,其对减少加铺层底的温度应力的效果越为明显。且土工合成材料对减小加铺层温度应力的效果要好于减小荷载应力的效果。(3)对于常用的土工布和土工格栅这两种土工合成材料而言,土工格栅的模量值要大于土工布的模量值,由此,由理论分析可知,无论是对于减少车辆荷载型还是温度型反射裂缝而言,土工格栅的效果都要优于土工布。参考文献:1 熊有言 1 土工织物在路面结构层中的应用R1 重庆:重庆公路科学研究所,198812 韩瑞民 1 土工格栅加筋沥青混凝土路面研究D1 西安:西安公路交通大学,199613 叶开源 1 柔性构件大挠度问题 R1 兰州:兰州大学力学系,198014 周德云,姚祖康 1 旧水泥混凝土路面上沥青加铺层结构的三维有限元分析J 1 中国公路学报,199015 曹东伟 1 旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构研究D1 西安:西安公路交通大学,1998153第8期 丰 硕,等:超大跨度悬索桥的动力特性及地震反应分析 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.
