正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu)對鋪裝受力的影響及其優(yōu)化

徐佳，鄭凱鋒，茍超

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都　610031)

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正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu)對鋪裝受力的影響及其優(yōu)化

徐佳，鄭凱鋒*，茍超

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

摘要：采用有限元方法建立一座正交異性鋼橋面連續(xù)梁橋的全橋空間有限元模型；在橋面施加不利車輛荷載，分析橋面板厚度和U型加勁肋厚度等因素對橋面鋪裝層應(yīng)力的影響。分析結(jié)果表明：橫向最大拉應(yīng)力對鋪裝層受拉開裂起控制作用；隨著橋面板厚度和U肋厚度的增加，橋面鋪裝層所受的橫向最大拉應(yīng)力有所減??；頂板厚度從12 mm增加至20 mm，鋪裝層橫向最大拉應(yīng)力從0.62 MPa減小至0.52 MPa，降低16%；U肋厚度從6 mm增加至12 mm，鋪裝層橫向最大拉應(yīng)力從0.63 MPa減小至0.51 MPa，降低19%。頂板厚度變化和U肋厚度變化與鋪裝層受力變化均為非線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞：正交異性鋼橋面；U肋；橋面鋪裝；有限元

正交異性鋼橋面是衡量一座鋼橋是否為現(xiàn)代化鋼橋的重要標(biāo)志之一。疲勞和鋪裝兩大問題嚴(yán)重阻礙了正交異性鋼橋面橋梁的發(fā)展。隨著國內(nèi)大跨徑正交異性橋面橋梁的不斷建成，多座橋梁的鋪裝層出現(xiàn)了嚴(yán)重的損傷[1-2]。反復(fù)的維修和更換嚴(yán)重影響到車輛通行，維修困難不斷增加[3]。

虎門大橋主航道懸索橋于1997-05建成通車，其后不久，鋼梁鋪裝層就發(fā)生了嚴(yán)重的車轍和推移病害，在通車后的6 a時間里，大橋鋪裝共進(jìn)行了3次大修[4]。1999-09通車的江蘇江陰長江公路大橋，通車后不久，大橋西側(cè)瀝青面層出現(xiàn)明顯塑性變形，并出現(xiàn)橫縱向裂縫。在通車后的4 a時間里，大橋鋪裝總共進(jìn)行了大大小小12次維修，鋪裝維修面積接近3 000 m2[5-6]。國外鋼橋的鋪裝問題也很突出，澳大利亞的西門橋出現(xiàn)了鋪裝層和頂板之間粘結(jié)力喪失的現(xiàn)象，從而使得鋪裝層和鋼橋面之間脫離，鋪裝層在車輛荷載的不斷作用下拍打橋面板，使橋面板發(fā)生磨損、鋪裝層破壞，1992年大約1 200 m2的區(qū)域重新鋪裝維修，費用巨大[7]。目前，世界各國對橋面鋪裝研究的歷史還不長，比較早的是德國、法國、日本和美國等國家，我國在此方面的研究起步較晚，部分借鑒國外的經(jīng)驗[8]。

1研究對象和計算模型

1.1研究對象

本文選取一座跨度為(45+68+45)m雙幅雙向6車道城市正交異性板橋面連續(xù)鋼箱梁橋的一幅橋為研究對象。單幅橋?qū)?2.75 m，箱梁梁高按二次拋物線變化，邊支座處為1.82 m，中支座處為3.4 m。該橋頂板厚度為16 mm，橫橋向布置15個U型縱向加勁肋，U肋上寬為300 mm，下寬為170 mm，肋高280 mm，厚度為8 mm；箱梁底板厚20 mm，腹板厚16 mm。橫隔板間距為3 m，且2道橫隔板間設(shè)置1道橫肋，橫隔板尺寸隨梁高而改變；腹板厚12 mm；橫肋高度為0.6 m，下翼緣寬度為0.2 m，板厚均為12 mm。全橋采用瀝青混凝土鋪裝層，厚度為70 mm。箱梁立面和橫截面如圖1、2所示。

圖1　1/2箱梁立面

圖2　箱梁1/2中支座斷面和1/2邊支座斷面

橋面頂板及其縱肋、橫隔板、橫肋、腹板和底板及其縱肋均采用Q345qD鋼，彈性模量為2.06×105MPa，密度為8.01×103kg/m3；瀝青混凝土鋪裝層彈性模量為1.20×103MPa，密度為2.45×103kg/m3。

1.2計算模型

本文采用ALGOR有限元軟件，建立全橋有限元分析模型[9-10]，假設(shè)瀝青混凝土鋪裝層為各向同性的均勻彈性體，鋪裝層和鋼橋面之間連續(xù)連接[11]。模型采用板單元和實體單元進(jìn)行模擬[12]；瀝青混凝土鋪裝層采用實體單元，分為2層，每層厚度為35 mm；鋼梁全部采用板單元，計算模型共分19萬個單元[13-14]。

為模擬車輛的局部作用效應(yīng)，橋面施加城-A級車輛荷載，車輛總軸重為700 kN，共分5個車軸，每個車軸的軸重分別為60、140、140、200和160 kN。單個車軸車輪的著地面積為0.062 5 m2，單個重軸車輪為0.075 m2[15]。采用輪胎著地面積等效為面荷載進(jìn)行加載，并采用不利活載的加載模式進(jìn)行加載，同時考慮結(jié)構(gòu)自重的影響[16-17]。

模型在中支座處局部加密網(wǎng)格,并在中間車道第4個車軸的右側(cè)重輪處二次加密網(wǎng)格。計算模型如圖3～5所示，加載圖如圖6所示。

圖3　正交異性鋼橋面連續(xù)鋼箱梁橋分析模型　　　　　　　　　　　　圖4　分析模型(局部)

2頂板厚度對鋪裝層受力的影響

鋼橋面鋪裝層的主要損傷類型有車道部位縱向裂縫、波浪推移和局部擁包、網(wǎng)裂與壓碎等[18-19]。鋪裝層的豎向相對位移、表面最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力等都是導(dǎo)致鋪裝層發(fā)生損傷的主要技術(shù)指標(biāo)[20]。

a)頂面局部網(wǎng)格加密示意　　　　　　　　　　　　　　　　　　b)底面局部網(wǎng)格加密示意圖5　橋面及其鋪裝局部網(wǎng)格加密

圖6　車輛荷載加載示意

保持加勁肋厚度8 mm不變，同時保證全橋尺寸及除頂板外其余部件尺寸不變，分析頂板厚度為12、14、16、18和20 mm 5種情況下的重軸處鋪裝層豎向相對位移、最大橫向拉應(yīng)力、最大縱向拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和換算應(yīng)力，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，頂板厚度對瀝青混凝土鋪裝層受力有較大影響。隨著鋼板厚度的增加，鋪裝層最大剪應(yīng)力連續(xù)減小，且減小速率基本和板厚的增加呈線性關(guān)系；鋪裝層表面縱向最大拉應(yīng)力、橫向最大拉應(yīng)力和換算應(yīng)力也連續(xù)減小，其減小速率不斷增加，且縱向最大拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于橫向最大拉應(yīng)力。在車輛荷載作用下，鋪裝層橫向最大拉應(yīng)力起控制作用；隨著頂板厚度的增加，頂板局部剛度也隨之增大，故鋪裝層的豎向相對位移隨板厚連續(xù)減小，且兩者基本呈線性關(guān)系。頂板厚度為12 mm和20 mm時的鋪裝層橫向應(yīng)力計算結(jié)果如圖7、8所示(圖中單位為MPa)。

表1　不利車輛荷載下不同頂板厚度的鋪裝層受力

圖7　頂板12mm時鋪裝層橫向應(yīng)力　　　　　　　　　圖8　頂板20mm時鋪裝層橫向應(yīng)力

由表1可知，當(dāng)頂板厚度從12 mm增加到14 mm時，鋪裝層橫向最大拉應(yīng)力減小的速率為-0.004 8 MPa/mm；當(dāng)頂板厚度從18 mm增加到20 mm時，鋪裝層橫向最大拉應(yīng)力減小的速率為-0.020 5 MPa/mm。故此可知，增加橋面板厚度對橫向拉應(yīng)力的影響較大。頂板厚度從12 mm增加至20 mm，鋪裝層橫向最大拉應(yīng)力從0.62 MPa減小至0.52 MPa，降低16%，設(shè)計中可以適當(dāng)增加該厚度。

3U肋厚度對鋪裝層受力的影響

為保持頂板厚度16 mm不變，同時保證全橋尺寸及除U肋外其余部件尺寸不變，分析U肋厚度為6、8、10和12 mm 4種情況下的重軸處鋪裝層的豎向相對位移、最大橫向拉應(yīng)力、最大縱向拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和換算應(yīng)力，結(jié)果如表2所示。

表2　不利車輛荷載下不同U肋厚度的鋪裝層受力

由表2可知，隨著U肋厚度的增加，瀝青混凝土鋪裝層表面縱向最大拉應(yīng)力、橫向最大拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和換算應(yīng)力均連續(xù)減小，且減小速率隨鋪裝層厚度的增加而減小。開裂由橫向最大拉應(yīng)力控制。同時，隨著U肋厚度的增加，橋面板局部剛度隨之增大，鋪裝層豎向相對位移連續(xù)減小，且減小速率也隨之不斷減小。U肋厚度為6 mm和12 mm時的鋪裝層橫向應(yīng)力計算結(jié)果如圖9、10所示(圖中單位為MPa)。

圖9　U肋厚度為6mm時鋪裝層橫向應(yīng)力　　　　　　　圖10　U肋厚度為12mm時鋪裝層橫向應(yīng)力

由表2可知，當(dāng)U肋厚度從6 mm增加到8 mm時，橫向最大拉應(yīng)力減小率為-0.024 5 MPa/mm；當(dāng)U肋厚度從10 mm增加到12 mm時，橫向最大拉應(yīng)力減小率為-0.016 2 MPa/mm?？梢缘贸?，U肋厚度變化對鋪裝層受力的影響比頂板厚度變化的影響要小。U肋厚度從6 mm增加至12 mm，鋪裝層橫向最大拉應(yīng)力從0.63 MPa減小至0.51 MPa，降低19%，設(shè)計中可以適當(dāng)增加U肋厚度。

4結(jié)語

1)在車輛荷載作用下，正交異性橋面鋪裝層橫向最大拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于縱向最大拉應(yīng)力，故橫向最大拉應(yīng)力對鋪裝層受拉縱向開裂起控制作用。

2)隨著鋼橋面頂板厚度的增加和U肋厚度的增加，瀝青混凝土鋪裝層的橫向拉應(yīng)力均不斷減小。頂板厚度的增加對鋪裝層橫向拉應(yīng)力的減小作用更為明顯。頂板厚度從12 mm增加至20 mm，鋪裝層橫向最大拉應(yīng)力從0.62 MPa減小至0.52 MPa，降低16%，設(shè)計中可以適當(dāng)增加頂板厚度。

3)在一定范圍內(nèi)，頂板厚度變化和U肋厚度變化與鋪裝層橫向受力變化為非線性關(guān)系；隨著頂板厚度不斷增加，鋪裝層橫向最大拉應(yīng)力的變化率不斷增加；隨著U肋厚度不斷增加，鋪裝層橫向最大拉應(yīng)力的變化率不斷減小。U肋厚度從6 mm增加至12 mm，鋪裝層橫向最大拉應(yīng)力從0.63 MPa減小至0.51 MPa，降低19%，設(shè)計中可以適當(dāng)增加U肋厚度。

4)隨著橋面板厚度和U肋厚度的增加，鋪裝層的豎向相對位移不斷減??；且在一定范圍內(nèi)，頂板厚度變化與鋪裝層的豎向相對位移變化基本呈線性關(guān)系；U肋厚度變化與鋪裝層的豎向相對位移呈非線性關(guān)系，且隨著U肋厚度不斷增加，鋪裝層豎向相對位移的變化率不斷減小。

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(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

收稿日期：2016-01-11

作者簡介：徐佳(1991—)，男，浙江嘉興人，碩士研究生，主要研究方向為橋梁仿真計算分析和損傷橋梁精細(xì)計算分析,E-mail:jackxu@foxmail.com. *通信作者：鄭凱鋒(1963—)，男，廣東普寧人，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向為大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和全橋仿真分析，E-mail: profzheng@foxmail.com.

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.02.006

中圖分類號：U443.33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-0032(2016)02-0032-06

Effect of Orthotropic Steel Deck on Pavement and its Optimization

XUJia，ZHENGKaifeng，GOUChao

(SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

Abstract:A finite element model of a continuous orthotropic steel bridge is established by the finite element method to analyze the stresses on the deck pavement due to the factors such as the thickness of decks and U-ribs when the pavement is exerted by the vehicle load. The analytical result shows that the control effect of pavement tensile destruction is from the maximum transverse tensile stress. The maximum transverse tensile stress of the pavement decreases with the increase of thicknesses of decks and U-ribs. When the deck thickness increases from 12 mm to 20 mm, the maximum transverse tensile stress of the pavement decreases from 0.62 MPa to 0.52 MPa, decreasing by 16%. When the thickness of U-ribs increases from 6 mm to 12 mm, the maximum transverse tensile stress of the pavement decreases from 0.63 MPa to 0.51 MPa, decreasing by 19%. The changes in the thickness of decks and U-ribs, and the pavement stress are all nonlinear.

Key words:orthotropic steel deck; U-rib; deck pavement; finite element