鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力數(shù)值分析＊

王守松，鄭玉芳 ，陳柳燕

(福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州350116)

鋼橋面鋪裝是大跨徑鋼箱梁橋建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的高度重視與關(guān)注。橋面鋪裝不僅承受行車荷載，而且經(jīng)受著氣溫變化的影響。鋪裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部在環(huán)境溫度下產(chǎn)生的溫差對(duì)鋪裝結(jié)構(gòu)的性能產(chǎn)生很大的影響。近年來(lái)，對(duì)于鋼橋面鋪裝溫度的研究頗受關(guān)注。文［1］、［2］運(yùn)用有限元手段，根據(jù)氣象資料，對(duì)鋼橋面鋪裝溫度場(chǎng)的分布特征進(jìn)行了模擬分析和系統(tǒng)研究。文［3］建立了大跨徑鋼橋面鋪裝層溫度應(yīng)力的計(jì)算模型，推導(dǎo)出鋼橋面粘彈性瀝青鋪裝層溫度應(yīng)力計(jì)算式。文［4］研究了鋪裝層溫度應(yīng)力的日變化規(guī)律、分布特征及其影響因素。文［5］研究了在車輛荷載作用下，界面粘結(jié)層彈性模量和厚度變化對(duì)鋪裝體系受力的影響。

對(duì)于鋼橋面鋪裝，鋪裝層與鋼橋面板間界面粘結(jié)是鋼橋面鋪裝的重點(diǎn)和難點(diǎn)。界面粘結(jié)的意義在于使粘結(jié)的兩個(gè)結(jié)構(gòu)層在界面上保持一致的變形，使得被粘結(jié)的兩個(gè)物體作為一個(gè)整體共同受力，但是由于被粘結(jié)的物體一般為剛度韌性均不同的材料，在外力作用下，在界面處勢(shì)必產(chǎn)生一定的變形，被粘結(jié)的物體的剛度不同將導(dǎo)致粘結(jié)層的兩個(gè)接觸界面并不是出于完全一致的變形，由此產(chǎn)生一定的剪切和受拉作用［5］。因此，研究粘結(jié)層的物理參數(shù)對(duì)環(huán)境溫度下鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)受力影響是十分必要的。

1 有限元分析模型

1.1 計(jì)算模型

視鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)為彈性層狀體系，從上至下由瀝青混凝土鋪裝層、防水粘結(jié)層和鋼橋面板組成。采用有限元軟件ANSYS 建立空間三維模型，采用三維八節(jié)點(diǎn)的等參實(shí)體單元SOLID45 進(jìn)行模擬。

為了對(duì)鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)建立合理的力學(xué)模型以分析結(jié)構(gòu)層間的應(yīng)力分布，本文采用以下基本假定:

(1)各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體;

(2)各層層間豎向、水平位移連續(xù);

(3)橋面板底板各向均有約束，側(cè)面有水平方向的約束;

(4)不計(jì)結(jié)構(gòu)自重的影響。

1.2 計(jì)算參數(shù)

經(jīng)過(guò)取不同尺寸模型進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)行保守的研究分析，最后確定模型的平面尺寸取3 m ×3 m。本文主要針對(duì)防水粘結(jié)層的彈性模量和厚度的變化對(duì)鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)受力的影響進(jìn)行分析，因此設(shè)置了不同的防水粘結(jié)層的彈性模量和厚度。各結(jié)構(gòu)層的主要計(jì)算參數(shù)如表1 所示。鋪裝結(jié)構(gòu)計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

表1 各結(jié)構(gòu)層主要計(jì)算參數(shù)

圖1 鋪裝結(jié)構(gòu)計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

1.3 溫度荷載

暴露在自然氣候條件下的鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)測(cè)，鋪裝結(jié)構(gòu)的溫度比外界環(huán)境的溫度高很多［6］。本文采用熱-結(jié)構(gòu)耦合分析中的間接法進(jìn)行分析，即首先進(jìn)行熱分析，設(shè)定基準(zhǔn)溫度為30 ℃，將溫度荷載(鋪裝面層65 ℃，鋼板底面30 ℃)施加到模型上得出熱分析的結(jié)果，下一步進(jìn)行熱應(yīng)力分析，即將熱分析所得的溫度場(chǎng)結(jié)果作為體荷載施加到模型上計(jì)算熱應(yīng)力。熱分析后鋪裝結(jié)構(gòu)的溫度分布如圖2 所示。

圖2 熱分析后鋪裝結(jié)構(gòu)的溫度分布

2 結(jié)果分析

2.1 粘結(jié)層材料參數(shù)對(duì)鋪裝層受力的影響

為了研究環(huán)境溫度下，橋面鋪裝層應(yīng)力的變化規(guī)律，對(duì)不同的防水粘結(jié)層厚度和防水粘結(jié)層模量的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力分析。圖3 和圖4分別給出了防水粘結(jié)層的厚度和彈性模量對(duì)鋪裝層應(yīng)力的影響。

從圖3 可以看出，在溫度荷載作用下，隨著防水粘結(jié)層的厚度的增加，鋪裝層的最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力略微減小，總體影響很小。圖4 則表明，在溫度荷載作用下防水粘結(jié)層的彈性模量對(duì)鋪裝層的最大拉應(yīng)力影響很小，鋪裝層的最大剪應(yīng)力隨著粘結(jié)層的彈性模量的增大而增大。當(dāng)彈性模量從150 MPa 增加到400 MPa，鋪裝層的最大剪應(yīng)力增大34.1%。

圖3 防水粘結(jié)層的厚度對(duì)鋪裝層應(yīng)力的影響

圖4 防水粘結(jié)層彈性模量對(duì)鋪裝層應(yīng)力的影響

由于模型假定各結(jié)構(gòu)層均勻、連續(xù)、各向同性，防水粘結(jié)層的厚度較小，溫度在鋪裝層內(nèi)的傳遞和分布可視為不受防水粘結(jié)層的彈性模量和厚度的影響。在鋪裝層內(nèi)由溫度引起的最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力幾乎不受粘結(jié)層厚度的影響。但是鋪裝層的最大剪應(yīng)力隨著防水粘結(jié)層模量的增大而增大，說(shuō)明在溫度荷載作用下，防水粘結(jié)層采用較小的彈性模量有利于改善鋪裝層的受力。

2.2 粘結(jié)層材料參數(shù)對(duì)層間應(yīng)力的影響

假定防水粘結(jié)層和鋼板層、防水粘結(jié)層和鋪裝層都處于完全粘結(jié)的狀態(tài)，利用ANSYS 軟件中的接觸分析來(lái)模擬。以接觸摩擦應(yīng)力作為層間應(yīng)力，分析在溫度荷載作用下粘結(jié)層的彈性模量和厚度的變化對(duì)層間應(yīng)力的影響。圖5 和圖6 分別給出了防水粘結(jié)層的厚度和彈性模量對(duì)層間應(yīng)力的影響。

圖5 防水粘結(jié)層厚度對(duì)層間應(yīng)力的影響

圖6 粘結(jié)層彈性模量對(duì)層間應(yīng)力的影響

由圖5 可知，鋪裝層與粘結(jié)層的接觸面的層間應(yīng)力隨著粘結(jié)層厚度的增大而逐漸減小，呈線性關(guān)系。在防水粘結(jié)層的厚度為2 mm 時(shí)，鋪裝層與粘結(jié)層的層間應(yīng)力為0.62 MPa，當(dāng)鋪裝厚度增加到6 mm時(shí)，層間應(yīng)力為0.51 MPa，減少了17.7%。鋼橋面板與粘結(jié)層的接觸面的層間應(yīng)力隨粘結(jié)層的厚度變化不大，有略微的增大。

由圖6 可知，鋪裝層與粘結(jié)層的層間應(yīng)力隨著粘結(jié)層彈性模量的增大而增大。當(dāng)粘結(jié)層的彈性模量為150 MPa 時(shí)，鋪裝層與粘結(jié)層的層間應(yīng)力為0.59 MPa，當(dāng)粘結(jié)層彈性模量增大到400 MPa 時(shí)，層間應(yīng)力為0.92 MPa，增大了56%。鋼橋面板與粘結(jié)層的層間應(yīng)力也是隨著粘結(jié)層的彈性模量的增大而增大。當(dāng)粘結(jié)層的彈性模量為150 MPa 時(shí)，鋼橋面板與粘結(jié)層的層間應(yīng)力為0.71 MPa，當(dāng)粘結(jié)層彈性模量增大到400 MPa 時(shí)，層間應(yīng)力達(dá)到1.09 MPa，增大了54%。

以上分析可知，在環(huán)境溫度下，鋼橋面板與粘結(jié)層的層間應(yīng)力大于鋪裝層與粘結(jié)層的層間應(yīng)力，所以粘結(jié)破壞一般先出現(xiàn)在鋼橋面板與粘結(jié)層的界面處。粘結(jié)層的彈性模量比厚度對(duì)層間應(yīng)力的影響更大。增大厚度有利于減小鋪裝層與粘結(jié)層的層間應(yīng)力，而粘結(jié)層彈性模量的增加則增加了層間應(yīng)力，在設(shè)計(jì)粘結(jié)層時(shí)應(yīng)該更多的考慮彈性模量對(duì)層間應(yīng)力的影響，在技術(shù)指標(biāo)的控制范圍內(nèi)，選擇彈性模量較小的粘結(jié)材料。

3 結(jié)論

通過(guò)利用有限元軟件分析在溫度荷載作用下鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，可以得到如下結(jié)論:

1)防水粘結(jié)層的厚度的變化對(duì)鋪裝層的受力影響很小，對(duì)層間應(yīng)力的影響也不顯著;

2)防水粘結(jié)層的彈性模量變化對(duì)鋪裝層的受力和層間應(yīng)力的影響較大，彈性模量的增大不利于鋪裝結(jié)構(gòu)的受力;

3)在環(huán)境溫度下，鋼橋面板與粘結(jié)層的層間應(yīng)力大于鋪裝層與粘結(jié)層的層間應(yīng)力，所以粘結(jié)破壞一般先出現(xiàn)在鋼橋面板與粘結(jié)層的界面處。

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