桥面铺装层的主要作用是承受行车荷载的直接作用，并将集中作用力分散后施加在梁体上.桥面铺装在车辆荷载和自重的综合作用下受力十分复杂[1]，因此，明确水泥乳化沥青混凝土桥面铺装在外荷载作用下的受力特点具有重要意义.桥面铺装一般采用水泥混凝土桥面板、防水层和上下两层沥青混凝土，本文根据水泥乳化沥青的材料特点，将其应用于铺装层下层并取代防水粘结层，开展了适用性研究.

本文以抚顺拉白线杨家简支空心板桥为例，利用有限元分析软件ANSYS对水泥乳化沥青混凝土桥面铺装的受力情况进行分析，以期找到该种桥面铺装在行车荷载作用下的受力特点，以及铺装层各项力学指标随铺装结构和铺装材料性能变化的响应规律，为确定水泥乳化沥青混凝土桥面的铺装结构提供力学依据.

1 桥面铺装力学分析

1.1 基本假设

在水泥乳化沥青混凝土桥面铺装有限元分析过程中，所遵守的基本假定为：

1) 不考虑桥墩与承台的变形；

2) 所有材料符合线弹性假设；

3) 铺装层和桥梁主体一直承受汽车荷载作用；

4) 假设层间粘结良好，无相对滑动；

5) 坐标系方向规定为x轴代表顺桥向，y轴代表重力方向，z轴代表横桥向.

1.2 桥梁概况

抚顺拉白线杨家桥的简支空心板桥共计3孔，单孔跨径为13 m，桥面净宽为9 m，两侧各设0.5 m防撞墙.桥梁上部结构为8片整体装配式带翼缘钢筋混凝土空心板(C30混凝土)，桥面铺装10 cm厚C40混凝土.桥梁下部结构为轻型桥墩和重力式桥台.桥梁上部结构立面图如图1所示(单位：cm).中、边板断面如图2所示(单位：cm).

1.3 车辆荷载模拟与纵横向布载方式

由于桥面铺装的力学分析属于桥梁结构的局部加载，故在有限元计算中的车辆荷载采用《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)中所规定的车辆荷载，其立面和平面尺寸如图3所示(尺寸单位为m，荷载单位为kN)，主要技术指标如表1所示.在计算中，采用单向行驶车辆，纵向按跨中产生最大弯矩原则布载.横桥向分别考虑1车道和2车道对称布载.

1.4 有限元模型建立

1.4.1 材料参数

铺装层与空心板的材料性质在线弹性有限元计算中均可由其弹性模量、泊松比和密度表征.水泥乳化沥青混凝土材料参数取值基于试验室实 测值与经验值[2]，空心板混凝土、水泥混凝土和沥青混凝土的材料参数取值依据经验数据选取[3-4].各结构层材料参数如表2所示.

1.4.2 有限元分析模型

采用实体单元SOLID45和板单元SHELL63分别模拟铺装层(混凝土铺装层、水泥乳化沥青混凝土层和沥青混凝土层)和空心板.在划分单元时，纵桥向单元尺寸为100 mm，横桥向单元尺寸为50 mm，竖向混凝土铺装层、水泥乳化沥青混凝土层和沥青混凝土铺装层均划分成2份.边界条件为橡胶支座支撑下的简支梁，考虑桥梁上部结构和铺装的自重，空心板桥上部结构有限元模型如图4所示.

1.5 计算参数选取

根据桥面铺装破坏形式可知，桥面铺装的破坏力学形式主要有：受拉破坏、剪切破坏、铺装层与梁体间脱空等.因此，在之后的铺装层应力分析中，仅对各铺装层间剪应力、法向应力和水泥乳化沥青混凝土层水平向和垂直向的压应力进行分析.

本文对一些参数进行说明，其中，σ3为第三主应力，负值代表压应力；σx为x方向(纵桥向)应力；σy为y方向(竖向)应力；σz为z方向(横桥向)应力；τxy为铺装层层间纵桥向剪应力；τyz为铺装层层间横桥向剪应力.

1.6 计算结果及分析

以沥青混凝土铺装层为3 cm细粒式沥青混凝土，水泥乳化沥青混凝土铺装层为3 cm，水泥乳化沥青混凝土弹性模量取800 MPa为例，其他材料参数取表2中的数值，对简支空心板桥上部结构进行全桥数值分析.

1.6.1 横桥向单车道对称布载

横桥向单车道对称布载时，各铺装层层间应力极值如表3所示.由表3分析结果可知，横桥向单车道对称布载时，桥面铺装的受力以竖向应力为主，水平向应力总体很小.纵桥向水平拉应力最大值为0.091 MPa，水平压应力最大值为0.869 MPa，该力的大小远小于水泥乳化沥青混凝土的抗拉和抗压强度.各铺装层层间的法向拉应力最大值分别为：沥青层与水泥乳化沥青层之间的最大法向拉力为0.148 MPa，水泥乳化沥青层与桥面板之间的最大法向拉力为0.125 MPa，此值也小于水泥乳化沥青混凝土与沥青层和桥面板的粘结强度.

1.6.2 横桥向双车道对称布载

横桥向双车道对称布载时，各铺装层层间应力极值如表4所示.由表3、4中的数据可知，对于多数应力响应，横桥向双车道对称布载较单车道对称布载不利，因此，在后面的数值计算中，仅考虑横桥向双车道对称布载情况.横桥向单车道对称布载时，纵桥向水平拉应力最大值为0.124 MPa，水平压应力最大值为0.914 MPa，该力远小于水泥乳化沥青混凝土的抗拉和抗压强度.各铺装层层间的法向拉应力最大值分别为：沥青层与水泥乳化沥青层之间的最大法向拉力为0.143 MPa，水泥乳化沥青层与桥面板之间的最大法向拉力为0.117 MPa，此值也小于水泥乳化沥青混凝土与沥青层和桥面板的粘结强度.

2 铺装结构对桥面铺装受力的影响

桥面铺装的结构层次、铺装层厚度以及铺装材料的性能参数[5]，都对桥面铺装的受力有着重要影响.对于水泥乳化沥青混凝土桥面铺装来说，其铺装结构形式一般是固定的，即从上到下为：沥青混凝土+水泥乳化沥青混凝土+水泥混凝土桥面板，因此，本文主要研究水泥乳化沥青层的厚度和材料性能等参数对桥面铺装受力的影响，为确定水泥乳化沥青层的合理铺装结构提供力学依据.

2.1 厚度对桥面铺装受力的影响

2.1.1 沥青混凝土层厚度为3 cm的情况

为了研究水泥乳化沥青层厚度对铺装结构受力的影响[6]，假定沥青混凝土层厚度为3 cm，水泥乳化沥青层厚度分别为1、2、3、4和5 cm，分析不同水泥乳化沥青层厚下桥面铺装的应力变化，结果如表5和图5、6所示.由图5、6可以看出，当沥青混凝土层厚度保持不变，增大水泥乳化沥青层厚度时，水泥乳化沥青层与桥面板之间的剪应力明显降低，与上部沥青混凝土层之间的剪应力也在降低，同时，随着水泥乳化沥青层厚度的增加，水泥乳化沥青层所承受的压应力也随之减小.当水泥乳化沥青层的厚度增加到约3 cm时，其与水泥桥面板之间剪应力有上升的趋势.

2.1.2 沥青混凝土层厚度为6 cm的情况

为了研究在沥青混凝土层比较厚的情况下，水泥乳化沥青层厚度对桥面铺装结构受力的影响，本文假定沥青混凝土层的厚度为6 cm，分别调整水泥乳化沥青层的厚度，研究桥面铺装力学响应的变化规律，结果如表6和图7、8所示.由图7、8可以看出，当沥青混凝土层厚度较大时，增大水泥乳化沥青层的厚度，桥面铺装的应力变化规律与薄沥青层所表现的规律基本一致.

2.2 弹性模量对桥面铺装受力的影响

水泥乳化沥青混凝土的弹性模量主要受其油灰比的影响[7]，因此，研究水泥乳化沥青层弹性模量对铺装结构受力的影响[8-9]，对于合理确定水泥乳化沥青混凝土的油灰比例具有参考价值.

图5 水泥乳化沥青层厚度与铺装层剪应力的关系(沥青层厚3 cm)

Fig.5 Relationship between thickness of cement-emulsified asphalt layer and shear stress of pavement layer with asphalt thickness of 3 cm

图6 水泥乳化沥青层厚度与压应力的关系(沥青层厚3 cm)

Fig.6 Relationship between thickness of cement-emulsified asphalt layer and compressive stress with asphalt thickness of 3 cm

图7 水泥乳化沥青层厚度与铺装层剪应力的关系(沥青层厚6 cm)

Fig.7 Relationship between thickness of cement-emulsified asphalt layer and shear stress of pavement layer with asphalt thickness of 6 cm

在本文力学分析中，假定铺装层上部的沥青混凝土层厚3 cm，水泥乳化沥青层厚2 cm，分别 设定水泥乳化沥青混凝土的弹性模量为600、图8 水泥乳化沥青层厚度与压应力的关系(沥青层厚6 cm)

Fig.8 Relationship between thickness of cement-emulsified asphalt layer and compressive stress with asphalt thickness of 6 cm

700、800和900 MPa，研究其弹性模量变化情况对桥面铺装力学响应的影响，结果如表7和图9所示.

图9 水泥乳化沥青混凝土弹性模量与铺装结构剪应力的关系

Fig.9 Relationship between elastic modulus of cement-emulsified asphalt concrete and shear stress of pavement structure

由图9可以看出，水泥乳化沥青混凝土的弹性模量越高，其与上下层之间的剪应力越大.对于实际应用来说，在满足其他技术要求的前提下，应采取措施降低水泥乳化沥青混凝土的弹性模量，如增大油灰比等.

3 结 论

根据水泥乳化沥青混凝土桥面铺装的力学分析结果，可以得出如下结论：

1) 水泥乳化沥青混凝土桥面铺装结构的受力以竖向应力为主，水平向应力总体很小.纵桥向水平拉应力最大值为0.091 MPa，水平压应力最大值为0.869 MPa，该力远小于水泥乳化沥青混凝土的抗拉和抗压强度.

沥青层与水泥乳化沥青层之间的最大法向拉力为0.148 MPa，水泥乳化沥青层与桥面板之间的最大法向拉力为0.125 MPa，此值也小于水泥乳化沥青混凝土与沥青层和桥面板之间的粘结强度.

2) 增大水泥乳化沥青层的厚度时，其与桥面板之间的剪应力以及与上部沥青层之间的剪应力都减小，尤其是与桥面板之间的剪应力减小幅度较为明显，同时，水泥乳化沥青层本身所承受的压应力也随之减小.但当水泥乳化沥青层的厚度增加到约3 cm以后时，其与上下各层之间的剪应力有上升的趋势.

3) 水泥乳化沥青混凝土的弹性模量越高，其与上下层之间的剪应力越大.实际应用中，在满足其他技术要求的前提下，应采取措施降低水泥乳化沥青混凝土的弹性模量.

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