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动载-渗水耦合下钢桥面环氧沥青混凝土铺
装力学响应分析#
罗桑，钱振东，夏荣辉，许静*
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（新教师类）（20110092120062）
作者简介：罗桑（1983-），男，讲师，大跨径钢桥面铺装，新型路面材料，压电路面等. E-mail:
luosang@
（东南大学智能运输系统研究中心 江苏 南京 210096） 5
摘要：针对钢桥面环氧沥青混凝土铺装层水损害现象，利用数值模拟方式对车辆动载与渗水
压力耦合作用下的铺装层力学响应进行分析。首先基于有限元软件 ABAQUS 建立轮胎-钢桥
面模型，得到轮胎充气完成时轮胎竖向位移及轮胎接地面积，通过几何计算得到流体计算域
中轮胎的形状及大小。然后根据计算流体力学，利用 FLUENT 建立钢桥面铺装层动水压力10
有限元模型，得到车辆在有水铺装层上行驶时，产生的动水压力大小并分析行车速度、水膜
厚度以及轮胎花纹深度对动水压力的影响规律。结果表明：最大动水压力值均出现在轮胎前
端接地处；行车速度增加、水膜厚度增大、轮胎花纹深度减小都会造成钢桥面铺装动水压力
的增大，最不利工况下的最大动水压力值为 。研究结果可以为钢桥面环氧沥青混
凝土铺装水损破坏控制提供力学指标。 15
关键词：钢桥面铺装；动水压力；有限单元法；影响参数
中图分类号：
Mechanical analysis of pavement layer on steel bridge deck
under moisture-load coupling effect 20
Luo Sang, Qian Zhendong, Xia Ronghui, Xu jing
(Intelligent Transport System Research Center,Southeast University,NanJing,210096)
Abstract: For the moisture damage of epoxy asphalt concrete on steel bridge deck pavement,
mechanics response of pavement layer under dynamic load and water seepage pressure coupling
effect are analyzed by numerical simulation. Firstly, Tire-bridge model is established based on the 25
finite element software ABAQUS, to get the vertical displacement and area of the tire touching
ground. It can get the shape and size of tire by geometric calculation. Based on computational
fluid dynamics, the FLUENT software is used to establish the finite element model of steel bridge
deck pavement layer under dynamic water pressure to get the hydrodynamic pressure with
vehicles running on the water coating layer. Finally, analys is of driving speed, water film 30
thickness and tire tread depth on the influence rule of hydrodynamic pressure. The results show
that: the maximum hydrodynamic pressure value have appeared in the front of tires. The increase
of speed or water film thickness or the decrease of the tire tread depth will cause the increase of
hydrodynamic pressure on the steel bridge deck pavement. The maximum hydrodynamic pressure
under the most unfavorable conditions is . The results can be mechanics index for 35
damage control of steel bridge deck epoxy asphalt mixture pavement layer.
Key words: steel bridge deck pavement; hydrodynamic pressure; finite element method;
influencing parameters.
0 引言
钢箱梁桥梁以轻盈长大跨越的优势，目前已成为我国跨海、跨江以及越黄河的主要通道40
形式。近二十年来，研究人员不断进行铺装材料改性与结构优化，成功解决了钢桥面铺装永
久变形、推移、拥包等技术难题。但是，对一些典型大跨钢桥铺装运营状况调研发现：裂缝
仍是钢桥面铺装无法避免的病害。裂缝的存在虽不会给铺装层的使用功能性带来不便，但在
雨水与轮载的双重作用下，裂缝容易演变成为混合料剥落、松散以及坑槽等水损坏病害。
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铺装水损坏现象会对行车人员的舒适性与安全性造成一定影响。更为严重的，在动水压45
力的反复泵吸作用下，积存于混合料孔隙中的水渗入铺装层底面，造成桥面防水粘结层粘结
力丧失，出现脱层现象，使铺装结构转为不连续，外界水直接侵入钢桥面板，造成钢板的锈
蚀破坏，影响桥梁的正常使用，降低桥梁的使用寿命，造成不利的社会和经济影响。
在沥青路面动水压力计算方面，国内外研究学者基于多孔介质理论对动载与渗流耦合作
用下路面结构力学响应进行了一定研究。崔新壮[1~2]将沥青混合料看作多孔介质，基于 Biot50
固结方程，对饱水沥青路面进行快速 Lagrange 有限差分分析，结果显示水力反复泵吸作用
是沥青路面水损坏的主要因素，并得出沥青层内正负水压力与渗透力随时间交替出现，且孔
隙动水压力随车速增大而增大。董泽蛟和谭忆秋[3]基于饱和多孔介质理论，通过轴对称有限
元瞬态动力分析，计算得到饱和沥青路面内部孔隙水压力的时程变化，得出了不同渗透性、
车速和荷载情况下的孔隙水压力变化规律，指出正负孔隙水压力的循环作用是沥青膜破坏的55
主要诱因。然而，对于钢桥面铺装层的动水压力的研究鲜见公开报道。
本文针对钢桥面铺装层的水损坏现象，利用 FLUENT 建立钢桥面铺装层动水压力有限
元模型，得到车辆在有水铺装层上行驶时，产生的动水压力大小，为铺装层水损害机理研究
提供了力学计算依据。
1 轮胎变形有限元模拟 60
本文选用全钢子午线轮胎 作为代表型轮胎，铺装层材料选用环氧沥青混凝土，
模拟轮胎充气过程，模型如图 1 所示，目的是获取轮胎变形后的竖向位移及接地面积。
图 1 轮胎-钢桥面铺装作用模型
轮胎充气完成时，轮胎竖向位移如图 2(a)所示，轮胎接地印迹如图 2(b)所示。 65
（a）竖向位移 （b） 接地印迹(放大后)
图 2 轮胎充气完成时的结果
本模型计算出充气完成时轮胎的最大变形量为 ，轮胎接地面积近似为
cm2，作为计算流体域中轮胎的几何尺寸。 70
2 钢桥面铺装层表面动水压力有限元模拟
轮胎接地压力均匀分布后，在有水路面上的行驶可看成是路面和均匀厚度的水膜以一定
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速度冲击胎面[4-5]。因此，本文以轮胎为参照物，假设空气和水以一定速度向轮胎运动，模
拟轮胎在铺装层表面的行驶过程。模拟的重点在于得到水撞击轮胎后在铺装层表面产生的动
水压力的大小，模型选取适合铺装路面且易产生动水压力的轮胎纵向花纹。 75
水膜厚度的预测
降落在桥面上的雨水若不能及时排走，在重力作用下沿最大坡度流动，在桥面形成坡面
水流并有一定的厚度[6-7]。季天剑[8]根据我国路面结构情况，进行了人工降雨试验，利用回
归分析得到道路水膜厚度的回归方程（1），
H = ××××TD (R2=) （1） 80
式中： h—水膜厚度（mm）； l—坡长（m）； i—坡度（%）； q—降雨强度（mm/min）；
TD—构造深度，道路构造深度（mm）。
对水膜厚度的研究得出，道路表面的水膜厚度跟道路坡面的构造深度、坡度及降雨强度
有关。坡度为 3%[9]时，降雨强度对水膜厚度的影响如下表 1 所示，由于路面水膜厚度太厚
时，车辆与路面的摩擦系数会急剧减小，会产生汽车滑水现象[10]，因此，模型中所选取的85
水膜厚度最小为 3mm，最大为 10mm。
表 1 路面水膜厚度
降雨强度（cm/h） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
水膜厚度 （mm）
铺装层表面水及空气参数的选取
水膜在路面上流动雷诺数值 Re >2300，发生紊流状态[11]。已有研究证实 K- 紊流模型
能够用于模拟高速下的水流[12]。K- 紊流模型可用方程（2）与（3）表示： 90
2
0 0
( )
[ ( ) ] 2 ( )t tt
k
K
K K D g
t
（2）
2
0 1 2 1 3 0
( )
[ ( ) ] [2 (1 )( ) ]t t
t
t
c D c c c g
t K
（3）
式中：K为动能；ε为紊流耗散率； t 为紊流粘性系数；模型中常数值为 1c =，2c =，
3
c =，σk =1，σε =，σθ =。
水和空气的惯性和粘性对动水压力也有较大影响 [13]，本研究选取水的密度为95
3、动力粘度为 ×10-3 Ns/m3、运动粘度为 ×10-6 m2/s。空气密度为
kg/m
3、动力粘度为 ×10-5Ns/m3、运动粘度为 ×10-5m2/s。
钢桥面铺装层动水压力模型的建立
流体模型计算域
建模时从整体中取出来的模型其边界条件必须能够合理、精确模拟整个空间的流动状100
态，若流场发生回流则应该加大计算区域，同时模型计算区域不宜太大，以免增加计算的复
杂性。经过反复试算，确定该流场模型的计算范围为：长度 800mm，宽度 600mm，高度 40mm。
本文首先建立了整个流体区域，然后用布尔操作建立了轮胎区域，最后在整个流体区域
中减去轮胎区域，得到了模型流体计算域。
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图 3 轮胎模型计算区域(mm)
根据图 3，经几何计算得到模型下表面的长度为 （沿轮胎花纹走向定为长度
方向），轮胎行驶断面宽度为 214mm（轮胎花纹走向的法向定为宽度方向）。模型上表面
的长度为 ，上表面断面宽度为 278mm。圆弧对应的圆心角度数为 36°，所以圆
弧的长度为 。轮胎花纹宽度取 8mm，深度取 8mm，长度跟模型下表面接地长度110
一致，取 ，每两条纵向花纹间隔 25mm，得到流体模型中需要的部分轮胎尺寸。
根据轮胎充气完成后得到的竖向位移及接地面积，计算出轮胎充气完成后流体模型中需
要的几何外观尺寸，运用 FLUENT 自带前处理软件 GAMBIT 对流体模型进行布尔操作，得
到流体计算域，如图 4 所示。该模型是两相流，上层空气厚度为 32mm，下层水膜厚度为 8mm。
115
图 4 流体域计算模型
时间函数施加方案
由于桥面铺装层的不平整性及车辆自身的振动，行驶中的车轮实际是以一定的振幅和频
率在铺装层表面跳动。钢桥面铺装结构产生的应力可认为是应力脉冲，且车辆行驶具有一定
的时序性，荷载之间具有一定的时间差，大约在 ~ 之间[14]。车辆行驶速度与时间对120
应表如 2[15]所示。
表 2 车辆行驶速度与时间对应
行驶速度（km/h） 60 80 100 120
等效作用时间（s）
流场初始化与边界条件
本模型取初始压力为大气压 ，初始温度取常温 25℃,在流体域模型的前端设
置空气和水的入口速度为 80km/h 的速度在钢桥面铺装层表面行驶）。125
模型底面设置成可移动墙体，其速度与空气和水的速度一致，模型的后部和上表面设置为压
力出口，模型侧面设置为绝对光滑的静止墙体。
基于 FLUENT 采用欧拉多相流-VOF（Volume Of Fluid）模型模拟轮胎产生的动水压力，
可以有效地捕捉到水在整个过程中的流动趋势。
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3 动水压力模型计算结果分析 130
动水压力值分析
车辆行驶速度为 80km/h 时，荷载与桥面铺装层的接触时间为 ，因此，将模型分
为 4 个时间步，每步时间为 ，提取每一步的动水压力云图，如图 5 所示。
（a） 时铺装层表面动水压力云图 （b） 时铺装层表面动水压力云图 135
（c） 时铺装层表面动水压力云图 （d） 时铺装层表面动水压力云图
图 5 钢桥环氧沥青混凝土铺装动水压力云图
图 5（a）~（d）为钢桥面铺装层表面动水压力的产生过程。时间为 时，水和空
气以 的速度向轮胎移动，但轮胎尚未接触水膜，轮胎底面没有形成动水压力，
时轮胎瞬间与水膜接触，在轮胎底面形成动水压力，此时动水压力的最大值为 。
随时间的增长动水压力继续增大， 时动水压力最大值为 。 时动水压
力达到最大，最大值 。
本模型计算出的最大动水压力值均出现在轮胎前端接地处，取车轮荷载作用下钢桥面铺
装层水膜的流速分布图分析其原因。 145
图 6 车轮荷载作用下钢桥面铺装层表面水膜流速图
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如图 6 所示，在轮胎的前端处，有大量的水高速运动，而轮胎的后端只有少量的水以
2m/s 左右的速度被排除。表明，车辆高速行驶时，流入轮胎接地区域的水量超出了轮胎花
纹的排水能力，少量的水可以通过轮胎纵向花纹排出，大量水在胎面前端出现滞留，形成动150
水压力。
动水压力模型参数敏感性分析
车辆行驶速度对动水压力的影响
选取车辆行驶速度为 40km/h、60km/h、80km/h、100km/h（即模型中取空气和水的入口
速度分别为
影响。对四种工况分别进行计算，提取每种工况下的最大动水压力，得到最大动水压力随车
辆行驶速度变化的曲线，如图 7 所示。
由表 3 可以看出水膜厚度为 8mm，轮胎花纹为 8mm 时，动水压力最大值随行车行驶速
度的增大而增长。行驶速度为 100km/h 时，动水压力最大值 ，比行车速度为 40km/h
时增长了 235%。说明，在不产生滑水的条件下，车辆行驶速度越高，轮胎底部产生的动水160
压力值越大，高速情况下产生的动水压力值为低速时的 2~3 倍。
水膜厚度对动水压力的影响
取钢桥面铺装层表面水膜厚度 3mm、5mm、8mm、10mm，轮胎花纹深度 8mm，研究
不同行驶速度情况下，水膜厚度对动水压力的影响，研究结果如图 3-9 所示。
165
图 7 动水压力曲线图
由图 7 可以看出：
（1）铺装层表面动水压力随水膜厚度的变大而变大，且不同水膜厚度下动水压力的增
大趋势基本一致。
（2）水膜厚度为 10mm 时，动水压力明显比其他水膜厚度时产生的动水压力大。分析170
原因为：轮胎花纹深度为 8mm，水膜厚度为 10mm 时，水膜厚度大于轮胎花纹深度，轮胎
花纹排水能力明显不足，导致水集中于轮胎前端而产生更大的动水压力。因此，在车辆不产
生滑水的情况下，水膜厚度越厚行车速度越高，产生的动水压力越大。
在所有工况中产生的动水压力最小，最小值为 ，最大值为 。
轮胎花纹深度对动水压力的影响 175
随着胎面磨损量的增加，胎面花纹深度会越来越小，对路面的附着力随之下降，易造成
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轮胎滑水[16]。取轮胎花纹深度分别为 3mm、5mm（已磨损）和 8mm（未磨损）[17]，研究不
同轮胎花纹深度条件下钢桥面环氧沥青混凝土铺装动水压力的大小。
水膜厚度为 8mm，铺装层表面动水压力如图 3-10 所示。
180
图 8 不同轮胎花纹情况下动水压力曲线图
由图 8 可知，轮胎花纹深度减小时产生的动水压力增加，并且轮胎花纹深度为 8mm 时，
产生的动水压力值明显小于其他两种工况。分析原因为：水膜厚度为 8mm，轮胎花纹深度
为 8mm 能够较流畅的排走将水通过纵向花纹排出，但是当轮胎花纹深度为 3mm 时，动水
压力值明显增大，说明纵向花纹已经排水不利。因此，轮胎花纹磨损量增加对排水不利，产185
生的动水压力值较新轮胎产生的值变大。
综上所述，行车速度增加、水膜厚度增大、轮胎花纹深度减小都会造成钢桥面铺装层表
面动水压力的增大。取行车速度为 100km/h、水膜厚度为 10mm、轮胎花纹深度为 3mm 这
一最不利工况进行 CFD 计算分析，得到钢桥面环氧沥青铺装层表面最大动水压力值为
。 190
4 结论
本文给出主要结论如下：
（1）将钢桥面铺装动水压力模型设置为两相流，上面空气厚 32mm，下面水膜厚 8mm，,
纵向轮胎花纹深度为 8mm，在空气和水的入口速度为 80km/h）
情况下，提取动水压力的最大值 。并与文献[15,18~19]中实测所得到的动水压力值相195
比较，误差都在 9%以内，验证了 CFD 数值仿真方法的有效性。
（2）通过变化空气和水的入口速度、水膜厚度及轮胎花纹深度，计算不同工况下的动
水压力值，结果表明行车速度增加、水膜厚度增大、轮胎花纹深度减小都会造成钢桥面铺装
动水压力的增大。据此，建立了最不利工况下的 CFD 模型，得到钢桥面环氧沥青铺装层在
不产生滑水的情况下，产生的最大动水压力值为 。 200
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