鋼箱梁橋線形參數(shù)對組合鋪裝體系受力的影響

李阿蒙， 韓大勇

(中電建路橋集團(tuán)有限公司, 北京 100083)

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鋼箱梁橋線形參數(shù)對組合鋪裝體系受力的影響

李阿蒙， 韓大勇

(中電建路橋集團(tuán)有限公司, 北京 100083)

針對鄭州市隴海路市政曲線鋼箱梁橋組合鋪裝結(jié)構(gòu)，采用有限元分析方法，建立曲線鋼箱梁局部梁段有限元模型，計(jì)算分析鋼箱梁橋面鋪裝結(jié)構(gòu)在不同線形條件下的力學(xué)特性變化規(guī)律，為鋼箱梁橋及鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

鋼箱梁橋； 組合鋪裝； 有限元模型； 線性條件； 力學(xué)特性

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市交通擁堵問題成為社會最為關(guān)注焦點(diǎn)之一。高架路作為城市擴(kuò)展道路空間，緩解交通壓力的有效手段，在城市建設(shè)中應(yīng)用越來越廣泛。在城市高架路的互通匝道工程中，曲線梁橋是實(shí)現(xiàn)各方向交通連接的必要手段。由于鋼箱梁具有跨越能力強(qiáng)、構(gòu)件質(zhì)量輕、運(yùn)送和拼裝方便、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，在互通匝道曲線橋中應(yīng)用越來越多。然而，目前鋼箱梁橋面鋪裝技術(shù)體系還不完善，我國部分已建成的鋼橋面鋪裝在服役期內(nèi)大都出現(xiàn)了病害。據(jù)調(diào)查顯示，由于層間粘結(jié)性能不足引起的鋪裝層推移、擁包病害表現(xiàn)最為嚴(yán)重。尤其是大縱坡小半徑的匝道橋，在車輛行駛以及頻繁起制動引起的水平力作用下，鋪裝結(jié)構(gòu)層間容易產(chǎn)生較大剪應(yīng)力，當(dāng)剪應(yīng)力超過層間剪切強(qiáng)度時，就會產(chǎn)生相對位移而發(fā)生剪切破壞。因此，有必要研究線形條件對鋼箱梁橋面鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響規(guī)律，為鋼箱梁橋及鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 工程概況

鄭州西三環(huán)隴海路立交橋位于西三環(huán)和隴海路交叉口，為鄭州市西三環(huán)快速化工程的重點(diǎn)工程。在隴海路立交橋中，ES匝道曲線半徑為65 m，其跨徑布置為(31+56+31=118) m，橫坡為2%，縱坡5%，對于這樣跨度大、曲線半徑小的立交匝道橋采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)。鋼箱梁采用單箱雙室，頂板采用I型加勁肋，底板采用豎向加勁，腹板和橫梁采用水平加勁，其箱室布置與鋼筋混凝土連續(xù)箱梁標(biāo)準(zhǔn)截面相似。鋼箱梁橋面鋪裝采用“鋼纖維混凝土(SFRC)-雙層瀝青混凝土”組合結(jié)構(gòu)，其中瀝青混凝土鋪裝上層采用AC-13C瀝青混凝土，下層采用AC-16C瀝青混凝土，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼箱梁橋面鋪裝結(jié)構(gòu)示意

2 計(jì)算模型

鄭州西三環(huán)隴海路立交橋鋼箱梁橋面鋪裝采用“鋼橋面板-鋼纖維混凝土-雙層瀝青混凝土”組合結(jié)構(gòu)，其中瀝青混凝土鋪裝上層采用AC-13C瀝青混凝土，下層采用AC-16C瀝青混凝土。分析模型中橋面頂板、加勁肋、縱隔板以及橫隔板彈性模量為2.2×105MPa，泊松比為0.25；鋪裝上層的AC-16C瀝青混凝土厚度為5 cm，彈性模量為1 000 MPa；鋪裝下層的澆AC-13C瀝青混凝土厚度為4 cm，彈性模量為1 200 MPa，鋪裝上下層泊松比為0.35；鋼纖維混凝土厚度為12 cm，彈性模量為5×104MPa，泊松比為0.15，曲線鋼箱梁曲線半徑為65 m；橫坡為2 %，縱坡為5 %。鋼箱梁模型具體幾何尺寸見表1。

表1 鋼箱梁模型細(xì)部尺寸 mm

有限元模型包括鋪裝層、上下底板、縱橫隔板、縱向加勁肋，橫向加勁肋，I型肋等。橋面鋪裝層采用Solid45單元模擬，橋面板采用Shell163單元模擬，AC-13C與AC-16C，AC-16C與鋼纖維混凝土(SFRC)，鋼纖維混凝土(SFRC)和鋼箱梁橋面板間采用接觸單元模擬，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)受力計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 橋面鋪裝受力計(jì)算模型

計(jì)算的車輛荷載依據(jù)JTG D60-2004《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，采用公路-I級550 kN級的重車，行車荷載為雙輪組單軸載140 kN，一個后軸車輪著地寬0.6 m，著地長度為0.2 m，只取后軸的一個雙輪的作用，每個輪重70 kN，并考慮1.3的沖擊系數(shù)，則每個車輪作用在橋面的均布荷載為0.758 MPa。

3 線形條件對組合鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)特性影響分析

3.1 橋面縱坡對組合鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響

取橋梁曲線半徑為65 m，橫坡為2 %，分析橋面縱坡分別為0，1 %，2 %，3 %，4 %，5 %，6 %，7 %，8 %時，比較分析組合鋪裝各層拉應(yīng)力及層間剪應(yīng)力的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

從圖3可知，隨著橋面縱坡坡度的增大，組合鋪裝各層的最大橫向拉應(yīng)力、最大縱向拉應(yīng)力以及最大剪應(yīng)力均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。在不同橋面縱坡條件下，從圖3(a)可知，AC-13C層橫向拉應(yīng)力值均為最大，AC-16C層較大，SFRC層最小。從圖3(b)可知，AC-13C層縱向拉應(yīng)力值均為最大，AC-16C層較大，SFRC層最小。從圖3(c)可知，SFRC和鋼橋面層間剪應(yīng)力均為最大，AC-16C和SFRC層間剪應(yīng)力較大，AC-13C和AC-16C層間剪應(yīng)力最小。

3.2 橋面橫坡對組合鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響

取橋梁曲線半徑為65 m，縱坡5 %，在組合鋪裝結(jié)構(gòu)受到最不利荷載作用下，改變橋面橫坡比較分析組合鋪裝各層拉應(yīng)力及層間剪應(yīng)力的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

從圖4可知，隨著橋面縱坡坡度的增大，組合鋪裝各層的最大橫向拉應(yīng)力、最大縱向拉應(yīng)力以及最大剪應(yīng)力均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。在不同橋面橫坡條件下，從圖4(a)可知，AC-13C層橫向拉應(yīng)力值均為最大，AC-16C層較大，SFRC層最小。從圖4(b)可知，AC-13C層縱向拉應(yīng)力值均為最大，AC-16C層較大，SFRC層最小。從圖4(c)可知，SFRC和鋼橋面層間剪應(yīng)力均為最大，AC-16C和SFRC層間剪應(yīng)力較大，AC-13C和AC-16C層間剪應(yīng)力最小。

3.3 曲線半徑對組合鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響

取橋面橫坡為2 %，縱坡5 %，在組合鋪裝結(jié)構(gòu)受到最不利荷載作用下，改變橋面曲線半徑，比較分析組合鋪裝各層拉應(yīng)力及層間剪應(yīng)力的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖3 不同橋面縱坡度對組合鋪裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響規(guī)律

從圖5可知，隨著橋面曲線半徑的增大，組合鋪裝各層的最大橫向拉應(yīng)力、最大縱向拉應(yīng)力以及最大剪應(yīng)力均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。在不同曲線半徑條件下，從圖5(a)可知，AC-13C層橫向拉應(yīng)力值均為最大，AC-16C層較大，SFRC層最小。從圖5(b)可知，AC-13C層縱向拉應(yīng)力值均為最大，AC-16C層較大，SFRC層最小。從圖5(c)可知，SFRC和鋼橋面層間剪應(yīng)力均為最大，AC-16C和SFRC層間剪應(yīng)力較大，AC-13C和AC-16C層間剪應(yīng)力最小。

圖4 不同橋面橫坡對組合鋪裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響規(guī)律

4 結(jié)論

通過建立有限元模型，計(jì)算分析曲線鋼箱梁坡度和曲線半徑對組合鋪裝結(jié)構(gòu)的受力影響，由分析計(jì)算結(jié)果可知：

(1)在不同橋面縱坡、橫坡、曲線半徑條件下，AC-13C層縱、橫向拉應(yīng)力值均為最大，AC-16C層較大，鋼纖維混凝土(SFRC)層最?。籗FRC和鋼橋面層間剪應(yīng)力均為最大，AC-16C和SFRC層間剪應(yīng)力較大，AC-13C和AC-16C層間剪應(yīng)力最小。

(2)鋼箱梁橋面縱橫坡、曲線半徑等線形條件對組合鋪裝各層的最大橫向拉應(yīng)力、最大縱向拉應(yīng)力以及最大剪應(yīng)力影響明顯，故在設(shè)計(jì)鋼箱梁橋時，應(yīng)綜合考慮鋼箱梁橋鋪裝體系受力情況，合理選擇線形參數(shù)。

圖5 不同橋面曲線半徑對組合鋪裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響規(guī)律

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李阿蒙(1988～)，男，碩士，在職博士，工程師，研究方向?yàn)檫吰路€(wěn)定分析理論及新型支護(hù)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用；韓大勇(1982～)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)楣饭こ淌┕ぜ夹g(shù)。

U443.33

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[定稿日期]2016-06-13