裂縫對(duì)鋼橋面鋪裝受力性能的影響①

李 燁

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092)

0 引 言

鋼橋面鋪裝開裂破壞是瀝青鋪裝最典型的病害類型，目前運(yùn)營(yíng)的大跨徑鋼橋面鋪裝均出現(xiàn)一定程度的裂縫破壞，鋪裝層開裂不僅僅影響到鋼橋面鋪裝層路用性能，而且對(duì)鋼橋面板的受力也相當(dāng)不利［1 ～2］.

鋼橋面鋪裝開裂破壞主要分為剪切滑移導(dǎo)致的開裂、瀝青混合料材料性能開裂和疲勞開裂三種類型:剪切滑移導(dǎo)致的開裂主要是由于鋼橋面鋪裝界面層失穩(wěn)，層間產(chǎn)生剪切滑移，繼而導(dǎo)致鋪裝層發(fā)生開裂，這種開裂先是鋪裝層發(fā)生推移蠕動(dòng)，后有裂縫產(chǎn)生;瀝青混合料材料性能開裂主要跟瀝青混合料的材料性能相關(guān)，比較常見的是冬季低溫情況引起的鋪裝層開裂，當(dāng)氣溫下降時(shí)，鋪裝層將產(chǎn)生收縮繼而引發(fā)低溫開裂;在車輛荷載反復(fù)作用下所產(chǎn)生的疲勞開裂是鋼橋面鋪裝層開裂最常見的破壞原因，由于正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，在鋼橋面板很多地方都形成了應(yīng)力集中區(qū)域，其疲勞開裂的破壞形式、破壞位置均與瀝青路面結(jié)構(gòu)完全不同，在縱向加勁肋、橫隔板、腹板頂部常出現(xiàn)縱向裂縫，在橫隔板、橫向加勁肋、橫梁頂部常出現(xiàn)橫向裂縫，而其相互交匯處則易出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫.

1 有限元分析

本文采用ANSYS 通用有限元軟件建立模型分析正交異性鋼橋面板樹脂瀝青鋪裝受力特性，需滿足以下幾個(gè)基本假設(shè):

圖1 常見鋼橋面鋪裝破壞案例

圖2 橫向裂縫有限元模型

(1)鋪裝層材料SMA10 以及RA05 為均勻的各向同性的線彈性材料;

(2)交界面層間完全粘結(jié)，不存在相對(duì)滑移;

(3)EBCL 環(huán)氧粘結(jié)碎石抗滑移層厚度極薄，模型中采用耦合關(guān)系模擬，不單獨(dú)設(shè)置單元;

(4)忽略鋪裝層各層材料自重的影響;

(5)忽略橋面鋪裝層內(nèi)部溫度差影響.

圖3 荷載橫向工況布置

圖4 荷載縱向工況布置

圖5 開裂前后SMA 表層縱向應(yīng)力橫斷面曲線

圖6 開裂前后SMA 表層橫向應(yīng)力橫斷面曲線

圖7 橫向裂縫寬度對(duì)SMA 表層應(yīng)力的影響

有限元計(jì)算模型如圖2 所示，采用空間板殼與實(shí)體單元組成的局部模型進(jìn)行計(jì)算分析，順橋向選取4 個(gè)橫隔板間距，橫向選取7 個(gè)加勁肋寬度，模型縱向總長(zhǎng)度為16m，橫向總寬度為4.2m.鋪裝層采用實(shí)體單元solid45 模擬，鋼橋面板、U 型加勁肋和橫隔板采用殼單元shell63 模擬，鋼橋面板和RA05 鋪裝層底面采用耦合關(guān)系模擬粘結(jié)層.為了準(zhǔn)確模擬鋼橋面鋪裝層在裂縫擴(kuò)展后的真實(shí)情況，根據(jù)所進(jìn)行模擬的裂縫尺寸參數(shù)，切割并刪除鋪裝層出現(xiàn)裂縫位置處的實(shí)體區(qū)域.

圖8 橫向裂縫寬度對(duì)層間剪應(yīng)力的影響

圖9 橫向裂縫寬度對(duì)RA05 層應(yīng)力的影響

圖10 橫向裂縫寬度對(duì)鋼橋面板應(yīng)力的影響

根據(jù)孫旭霞，劉海燕等人的相關(guān)研究［3～4］，橫橋向車輪最不利加載位置為:雙輪橫跨U 型加勁肋加載、雙輪橫跨U 型加勁肋和肋間加載、雙輪橫跨肋間加載.本文選取此橫向三個(gè)最不利加載位置進(jìn)行計(jì)算，如圖3 中橫向工況T1 ～T3 所示.縱向選取模型第二跨跨中至第三跨1/4 跨區(qū)域，每隔0.1m 設(shè)置一個(gè)荷載工況，如圖4 所示.L1 ～L21 為第二跨跨中至橫隔板區(qū)段內(nèi)，L1 為跨中位置，L11 為1/4 跨位置，L21 為橫隔板位置，L22 ～L31 為橫隔板至第三跨1/4 跨區(qū)段內(nèi)，L31 為第三跨1/4 跨位置.

2 開裂對(duì)鋪裝層應(yīng)力的影響

通過(guò)ANSYS 有限元模擬分析可得，開裂對(duì)鋼橋面鋪裝體系各項(xiàng)應(yīng)力的影響非常顯著，對(duì)與其垂直方向的應(yīng)力影響較大，而對(duì)平行方向的應(yīng)力影響較小.當(dāng)SMA 表層出現(xiàn)橫向裂縫后，SMA 表層應(yīng)力應(yīng)變最不利工況為車輪荷載位于橫隔板上方位置，工況L21(橫隔板處)的縱向應(yīng)力應(yīng)變由0.132MPa 和162.3με 增加至0.203MPa 和426.5με，而中心距0.2m 范圍外的應(yīng)力應(yīng)變均相比開裂前減小，其大小為開裂前的1/2 左右.

其余各層應(yīng)力，包括SMA 表層縱向剪應(yīng)力、SMA 與RA 層間縱向剪應(yīng)力以及RA 與鋼橋面板層間縱向剪應(yīng)力影響較大，對(duì)相對(duì)應(yīng)的橫向應(yīng)力應(yīng)變則幾乎不產(chǎn)生影響;而縱向裂縫的影響卻剛好相反，其對(duì)縱向應(yīng)力影響極小，而對(duì)橫向應(yīng)力影響顯著.圖5 ～圖6 分別為橫向裂縫出現(xiàn)前后橫隔板處SMA 表層縱橫向應(yīng)力橫斷面曲線，對(duì)應(yīng)橫向荷載工況T2，縱向荷載工況L20.

3 裂縫寬度的影響

根據(jù)對(duì)瀝青鋪裝破壞狀況的統(tǒng)計(jì)，鋪裝層裂縫寬度一般為3 ～5mm，極端破壞狀況下甚至達(dá)到4cm，然而計(jì)算分析顯示，當(dāng)裂縫寬度小于2cm 時(shí)，裂縫寬度對(duì)鋼橋面鋪裝體系受力基本不產(chǎn)生影響，故本節(jié)選擇裂縫寬度研究參數(shù)為:2cm、2.5cm、3cm、3.5cm 和4cm.

圖7 ～圖10 為各層應(yīng)力應(yīng)變隨裂縫寬度變化的關(guān)系曲線，根據(jù)結(jié)果可知，當(dāng)橫向裂縫寬度由2cm 增加至4cm，SMA 表層各項(xiàng)應(yīng)力均有所增大，基本呈線性增大，其中SMA 表層縱向剪應(yīng)力由0.102MPa 增加至0.12MPa，增幅達(dá)到17.6%;SMA與RA05 層間剪應(yīng)力呈線性增大趨勢(shì)，而RA 與鋼板層間剪應(yīng)力呈現(xiàn)線性減小，SMA 與RA05 層間縱剪應(yīng)力由0.319MPa 增加至0.388MPa，增幅達(dá)到了21.6%，而RA 與鋼板間縱橫向剪應(yīng)力分別下降4.7%和4.2%;RA05 層應(yīng)力變化趨勢(shì)類似層間剪應(yīng)力，其中RA05 上層縱橫向應(yīng)力均有所增大，增幅分別為14.6%和6.8%，而RA05 底層縱橫向剪應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，降幅分別為16.6%和20.9%;鋼橋面板縱橫向應(yīng)力變化趨勢(shì)相反，前者呈增大變化，而后者逐漸減小，其變化幅度分別為6.4%和3.4%.

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)ANSYS 通用有限元分析軟件，建立板殼與實(shí)體的有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，研究車輪荷載作用下表層裂縫對(duì)鋼橋面鋪裝體系受力性能的影響，并對(duì)裂縫寬度展開參數(shù)敏感性分析分析，主要結(jié)論為:

(1)開裂對(duì)鋼橋面鋪裝體系各項(xiàng)應(yīng)力的影響非常顯著，最不利工況下最大應(yīng)力能達(dá)到開裂前的兩倍以上;

(2)裂縫對(duì)與其垂直方向的應(yīng)力影響較大，而對(duì)平行方向的應(yīng)力影響較小;

(3)當(dāng)裂縫寬度小于2cm 時(shí)，裂縫寬度對(duì)鋼橋面鋪裝體系受力基本不產(chǎn)生影響;

(4)SMA 表層各項(xiàng)應(yīng)力隨裂縫寬度增加而增大，其余各項(xiàng)應(yīng)力隨裂縫寬度變化均產(chǎn)生較大影響，最大增幅甚至達(dá)到21%以上.

［1］ 黃衛(wèi).大跨徑鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)理論與方法［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

［2］ 李智，錢振東.典型鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的病害分類分析［J］.交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào)，2009，4(2):110－115.

［3］ 孫旭霞.鋼箱梁正交異性鋼橋面板的構(gòu)造對(duì)鋪裝層的影響研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2006.

［4］ 吳沖，劉海燕.橋面鋪裝對(duì)鋼橋面板疲勞應(yīng)力幅的影響［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2010，12(7):39－42.