裝配式鋼箱梁橋面柔性鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

吳國雄，荊夢瑤，伍成忱

（1重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院，重慶400072；2重慶交通大學(xué)，重慶400074）

裝配式鋼箱梁橋面柔性鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

吳國雄1，2，荊夢瑤2，伍成忱1

（1重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院，重慶400072；2重慶交通大學(xué)，重慶400074）

該文選定鋼箱梁柔性橋面鋪裝體系為研究對象，運用局部箱梁段分析法，以鋪裝層和鋼橋面板作為整體，應(yīng)用ANSYS軟件，針對正交異形板、鋪裝層構(gòu)建三維有限元模型，探討了車輪荷載作用下鋼橋面板界面、柔性鋪裝層的變形分布規(guī)律、應(yīng)力狀況等。研究發(fā)現(xiàn)，在輪載增加的同時表面最大彎沉、橫向拉應(yīng)力等均隨之而增大；鋪裝層中拉應(yīng)力值較小，鋪裝層與鋼板間剪應(yīng)力較大；橫向拉應(yīng)力為柔性鋪裝中拉應(yīng)力的主要控制指標(biāo)；正交異性板的剛度突變位置處應(yīng)力值往往達到最大。研究結(jié)果對鋼橋面鋪裝設(shè)計和施工具有一定的指導(dǎo)作用。

裝配式鋼箱梁；正交異性板；柔性鋪裝；有限元；結(jié)構(gòu)力學(xué)；力學(xué)響應(yīng)

0 引言

鋼橋面鋪裝技術(shù)中針對鋪裝材料的研制和鋪裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，屬于建設(shè)大跨徑鋼箱梁的熱點、難點所在。常用材料如瀝青鋪裝強度等性能與鋼橋面板相差較大，且因各種因素如行車荷載、氣候等的影響，鋪裝體系受力變形日趨復(fù)雜。在運用過程中，鋪裝層車轍、疲勞開裂等諸多病害現(xiàn)象也較為常見。國內(nèi)外對橋面鋪裝問題等各方面都進行了深入的研究[1]。最早探究橋面鋪裝的為德國，而如美、日等國也隨之展開，結(jié)合理論分析和工程實踐，在各自形成的鋼橋面鋪裝體系基礎(chǔ)上，對相關(guān)規(guī)范、設(shè)計等加以制定。各國紛紛對上述結(jié)構(gòu)加以引入，令其逐步發(fā)展成為鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的主流[2-4]。國內(nèi)針對此開展的探究相對較晚，但目前已取得許多成果。如東南大學(xué)、同濟大學(xué)探究了環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝材料適用性；選取江陰長江大橋、潤揚長江大橋作為探究對象，東南大學(xué)對材料性能、鋪裝結(jié)構(gòu)等開展深入研究工作。重慶交通科研設(shè)計院則對鋼橋進行選定，如虎門大橋等，針對雙層式SMA鋪裝方案進行探究，制定了公路鋼橋橋面鋪裝的設(shè)計指南，使我國在這一方面的探究得以更為深入。

本論文選取鋼箱梁柔性橋面鋪裝體系進行探究，通過正交異形板體系三維有限元模型的構(gòu)建，探究鋼橋面板界面、柔性鋪裝層的應(yīng)力和變形分布規(guī)律。結(jié)合各種力學(xué)控制指標(biāo)的運用，進而分析破壞鋼橋面鋪裝的機理，為施工、設(shè)計工作奠定理論基礎(chǔ)。

1 有限元模型

1.1 模型的基本假設(shè)

圖1柔性鋪裝結(jié)構(gòu)

圖1 即為柔性鋪裝方案[5]，在對正交異形板體系有限元模型進行構(gòu)建時，為確定鋪裝體系材料特性以及結(jié)構(gòu)，作如下假設(shè)：

（1）假定鋼橋面板、鋪裝層材料各向同性，彈性體具有連續(xù)均勻的特性；

（2）鋼橋面板、鋪裝層、以及上下層界面均屬于全接觸，不考慮強度較高的玄武巖碎石顆粒、粘接層；

（3）不考慮鋼橋面體系、鋪裝層結(jié)構(gòu)自重影響；

（4）以橫隔板底部完全約束、鋪裝層等作為模型邊界條件。

1.2 有限元模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)

鋼橋面板、粘度較高的改性瀝青SMA10下面層SMA13上面層、縱向加勁肋等共同構(gòu)成了有限元模型。

橫橋向由六個U形加勁肋組成，寬度為3.6m，順橋向長為9m，共有三跨，橫隔板四塊。橫隔板以3m作為間距，高度為1m，厚度為10mm；U形加勁肋的高度為284mm，開口、下閉口寬度為295.5mm以及170mm，U肋間距以及板厚分別為300mm以及8mm；板面橋厚度為16mm。上面層SMA13以及下面層SMA10厚度分別為30mm以及40mm。表1為各材料參數(shù)。

表1 有限元模型材料參數(shù)

以solid65單元來對橋面鋼橋面板、鋪裝層進行模擬，shell63殼單元則可對其余結(jié)構(gòu)進行模擬。模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

1.3 計算荷載

在計算模型中使用單個車輪荷載施加荷載（依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》JTG D60-2004[6]中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)車輛，以70kN作為標(biāo)準(zhǔn)值），車輪荷載著地面簡化為寬0.2m長0.6m的矩形，只考慮30%的沖擊系數(shù)的荷載。

1.4 計算荷位

依據(jù)車輪荷載相距橫隔板、相對U形加勁肋位置，從縱橋、橫橋向?qū)奢d位置進行布置。橫橋向布置3種荷位，控制點設(shè)定為荷載中心，圖3即為橫向荷位作用位置。荷位1到荷位3即表示在U形肋正上方、邊正上方、以及之間正上方對應(yīng)的車輪荷載中心作用。

在中間跨，縱橋向布置七個加載位置作為荷載布置，其與橫隔板距離具體如下，即0m、0.125m、0.15m、0.375m、0.75m、1.125m、1.5m，如圖4所示。

圖3 車輪荷橫向加載位置

圖4 車輪荷載縱向加載位置

2 鋼橋面柔性鋪裝力學(xué)分析

2.1 SMA13上面層應(yīng)力分析

通過有限元模型計算，SMA13上面層應(yīng)力結(jié)果如下。

（1）不同橫向荷位下的鋪裝上面層橫向拉應(yīng)力變化并無明顯的規(guī)律，但縱向最大拉應(yīng)力因橫隔板影響，認(rèn)識到數(shù)值先增大后減小，且在0.125m這一位置有最大值出現(xiàn)。主要是因為橫隔板位置縱向拉應(yīng)力剛度發(fā)生突變，橫隔板的正上方的鋪裝結(jié)構(gòu)有橫隔板支撐，因此變形往往較小，而和橫隔板相距較近的位置則不存在支撐，則會有較大縱向拉應(yīng)力，出現(xiàn)應(yīng)力局部集中現(xiàn)象[7]。

圖5 橫向荷位1下SMA13上面層的拉應(yīng)力

圖6 橫向荷位2下SMA13上面層的拉應(yīng)力

圖7 橫向荷位3下SMA13上面層的拉應(yīng)力

（2）結(jié)合橫向荷位1到3的對比可以發(fā)現(xiàn)，縱向拉應(yīng)力水平遠比橫向拉應(yīng)力小，結(jié)合表2可以發(fā)現(xiàn)，縱向拉應(yīng)力不論在何種工況之下，最大值均處于0.1MPa以內(nèi)，主要是因為雙層SMA鋪裝層鋼橋面鋪裝的剛度整體偏小。SMA13上面層應(yīng)力因存在輪載作用，局部效應(yīng)更為顯著，輪載處拉應(yīng)力體現(xiàn)為橫向超過縱向。由此，在控制鋪裝層上面層內(nèi)部應(yīng)力方面主要為橫橋方向。

（3）鋪裝層上面層的第一主拉應(yīng)力幾乎等同于橫向拉應(yīng)力值。就鋪裝層出現(xiàn)開裂破壞而言，主拉應(yīng)力是引發(fā)問題的主要原因，且無法結(jié)合試驗測量對主應(yīng)力值進行獲取[8]。進而選擇與之接近的橫向拉應(yīng)力替代主應(yīng)力，鋪裝層受力方面將上面層橫向拉應(yīng)力作為控制指標(biāo)，可有效控制鋪裝層開裂破壞問題。

SMA13上面層在3個橫向加載位置之下，對應(yīng)的最大拉應(yīng)力值參見如圖8、表2。

圖8 SMA13上面層橫、縱向拉應(yīng)力和主拉應(yīng)力對比

表2 SMA13上面層最大拉應(yīng)力（MPa）

結(jié)合SMA13上面層在3個橫向荷位之下對應(yīng)的橫向最大拉應(yīng)力的分析，變化較大的為橫向最大拉應(yīng)力，主拉應(yīng)力。其中受力較為良好的為荷位1處，而最為不利的為荷位2處。所以依據(jù)縱橋向分析結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，橫向拉應(yīng)力以加勁肋側(cè)肋邊正上方作為加載最不利的位置。依據(jù)經(jīng)驗可以判斷，在雙層SMA之中，鋪裝層的縱向裂縫往往是其早期病害的常見形式之一，由計算結(jié)果更加明確在縱向加勁肋頂處的鋪裝層容易產(chǎn)生縱向開裂。

2.2 鋪裝層與鋼板間剪應(yīng)力分析

鋪裝層和鋼箱梁頂板之間由于各種因素共同作用易產(chǎn)生撞擊和錯動[9]，最終導(dǎo)致鋪裝結(jié)構(gòu)的磨損乃至破壞。通過有限元計算鋪裝層與鋼板間的剪應(yīng)力，其應(yīng)力變化規(guī)律如圖9圖11所示。

圖9 橫向荷位1下鋪裝層與鋼板間的剪應(yīng)力

圖10 橫向荷位2下鋪裝層與鋼板間的剪應(yīng)力

圖11 橫向荷位3下鋪裝層與鋼板間的剪應(yīng)力

（1）結(jié)合3個橫向荷位下的縱向最大剪應(yīng)力進行分析，在荷載加載跨中位置和橫隔板位置時縱橋向受力最為不利。在橫隔板向跨中移動時，荷載數(shù)值快速下降，在和橫隔板間隔0.25m時，最小峰值出現(xiàn)。

（2）結(jié)合3個橫向荷位下的橫向最大剪應(yīng)力進行分析，受力最為不利的位置即為荷載加載橫隔板時。位于荷位1時其縱橋向變化不大，其余兩個荷位的最大、最小之間存在較大的橫向剪應(yīng)力的差值為0.24MPa。

（3）整體而言，對比縱橫向?qū)娱g最大剪應(yīng)力，后者比前者大，且具有明顯差異。這與鋪裝上面層的拉應(yīng)力橫向值大于縱向值一致。所以，層間剪應(yīng)力以橫橋方向作為控制的主要方向，并且就鋼箱梁板間和鋪裝層的粘結(jié)破壞而言，以橫向剪切力作為控制指標(biāo)。

2.3 鋪裝層最大撓度分析

通過有限元來計算三個橫向荷位作用下柔性復(fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)表面豎向位移，表3即為計算結(jié)果。

表3 鋪裝層表面最大彎沉（MPa）

結(jié)合橫向荷位對應(yīng)的鋪裝層表面最大彎沉進行對比，隨著加載位置向跨中移動，彎沉值逐漸增大，最大值出現(xiàn)于跨中斷面位置，且結(jié)合縱橋各向斷面來看其變化規(guī)律相同。這是由于鋼橋面板中U形加勁肋間距較小[10]，使得鋪裝結(jié)構(gòu)剛度在橫向分布均勻，因此三組橫向荷位在移動的過程中出現(xiàn)相同變化規(guī)律。將縱橋向的最小、最大峰值進行對比，表面最大彎沉增加了300%，表明正交異性鋼橋面板剛度在縱橋向存在較大變化。三組荷位中荷位3出現(xiàn)最大彎沉值，且在縱向加載跨中位置，其所處的位置最為不利。

3 結(jié)論

為研究鋼橋面柔性鋪裝的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，選取局部鋼箱梁結(jié)構(gòu)，完成三維實體靜力有限元模型的構(gòu)建。探究其相應(yīng)的力學(xué)性質(zhì)，通過研究得到下列研究結(jié)論：

（1）鋪裝層內(nèi)通過對縱橫向拉應(yīng)力的計算對比分析發(fā)現(xiàn)，水平更高的明顯為橫向拉應(yīng)力，更為接近于主拉應(yīng)力值。因此，可用于替代主拉應(yīng)力，并由此作為對開裂破壞的相關(guān)控制指標(biāo)。結(jié)果顯示跨中斷面是縱向最不利加載位置，表明縱向加勁肋頂處的鋪裝層容易產(chǎn)生縱向開裂。

（2）對比橫向和縱向剪應(yīng)力，前者遠大于后者，可以將橫向剪應(yīng)力作為控制鋪裝層間剪切破壞的主要指標(biāo)。

（3）依據(jù)鋪裝層最大撓度分析結(jié)果可知，正交異性鋼橋面板橫向剛度的分布較為均勻，而變化較大的為縱向剛度變化。

（4）在與橫隔板間距0.125m時，最不利荷載位置將出現(xiàn)于柔性鋪裝結(jié)構(gòu)橫向最大拉應(yīng)力。鋪裝層間和鋼板對應(yīng)的剪切應(yīng)力值將出現(xiàn)于橫隔板位置。因此，可以優(yōu)化橫隔板構(gòu)造，使鋪裝結(jié)構(gòu)對應(yīng)的受力狀態(tài)得以改善，延長其使用壽命。

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Mechanical Analysis of Flexible Pavement Structure of Fabricated Steel Box Girder

In this paper,the flexible deck pavement system of steel box girder serves as the research object.The pavement layer and the steel bridge deck are seen as a whole,assisted with the local box section analysis method and the ANSYS software,and a three-dimensional finite element model is estab lished for the orthogonal-shaped plate and the pavement layer to discuss the deformation distribution law and the stress situation of the steel bridge deck interface and the flexible pavement layer under the wheel load.It is found that the maximum deflection and lateral tension stress increase with the increase of the wheel load,and the tensile stress in the pavement layer is small,and the shear stress between the pavement layer and the steel plate is large the lateral tension stress is the main control index of that in the flexible pavement,and the stress value of the stiffness spot of the orthogonal-shaped plate generally reaches the largest.The research results can somewhat guide the design and construction of the steel bridge deck pavement.

fabricated steel box girder;orthogonal-shaped plate;flexible pavement;finite element;structural mechanics;mechanical response

TU18

A

1671-9107（2017）08-0005-04

基金論文：該論文為重慶市建設(shè)科技計劃項目2015年重大課題“裝配式住宅建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究集成與示范”（項目編號：城科字2015第（0-1）號）論文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.08.005

2017-07-06

吳國雄（1966-），男，湖北崇陽人，博士，教授，主要從事道路工程教學(xué)與科研工作。