莫桑比克馬普托大橋鋼橋面鋪裝力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)分析

王 民 周永濤 尚 飛 鄭 勝

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司 重慶 400074； 2.中國路橋工程有限責(zé)任公司 北京 100011；3.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司 重慶 401336; 4.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

隨著我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁的不斷發(fā)展，各式各樣的鋼結(jié)構(gòu)橋梁不斷涌現(xiàn)。正交異性橋面板因其自重小、受力合理等優(yōu)點而被用于大多大跨徑橋梁的建設(shè)[1]。大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁跨徑在500～1 000 m時，幾乎均采用正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)，如上海盧浦大橋、廣東珠江黃埔大橋、泰州長江大橋等[2]。但是，鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的特殊使用環(huán)境導(dǎo)致的病害仍是國內(nèi)外尚未完全解決的難題[3]。

馬普托大橋為單跨雙鉸懸索橋，主纜跨度布置為260 m+680 m+284 m。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)梁段長12 m，內(nèi)設(shè)4道實體式橫隔板，橫隔板間距為3.0 m，橋面板結(jié)構(gòu)物繁多，鋪裝層受力復(fù)雜，所以亟需對鋼橋面鋪裝力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析研究[4-8]，從而為鋪裝材料的設(shè)計研究提供理論支撐。

1 建立橋面鋪裝分析模型

結(jié)合馬普托大橋的橋面結(jié)構(gòu)特點，建立鋼橋面+鋪裝層(以3.5 cm GA(澆筑式瀝青混凝土)+3.5 cm SMA(瀝青瑪蹄脂混凝土)為例)的簡化分析模型，尋找鋪裝層橫向拉應(yīng)變、縱向拉應(yīng)變、層間剪應(yīng)力的最不利荷載位置。簡化模型見圖1，模型長度為9.0 m(3.0 m×3)、寬度為3.6 m(0.3 m×12)。

圖1 橋面鋪裝分析模型

模型材料參數(shù)的取值：鋼板彈性模量為210 GPa，GA彈性模量為500 MPa，SMA彈性模量為400 MPa，鋼板泊松比為0.3，瀝青混凝土泊松比均為0.25。模型尺寸見表1。

表1 模型幾何尺寸 mm

同時做如下假設(shè)：①各部分為均勻、連續(xù)、各向同性的純彈性材料;②不計自重和阻尼。

根據(jù)JTG B01-2014 《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，標(biāo)準(zhǔn)軸重為100 kN。將軸一側(cè)的雙輪簡化為2個圓形均布荷載，圓形荷載直徑d=21.30 cm，胎壓0.7 MPa，2輪中心距1.5d，即31.95 cm。

在基本模型上施加等效雙輪荷載，以荷載中心(即2個圓形荷載圓心連線中點)為參考點。為分析中敘述方便，對橫向荷位和縱向荷位作如下規(guī)定：在中間一跨的縱向取9個不同位置荷位，荷位示意及定位參數(shù)見圖2，表2。

圖2 縱向不同荷位示意圖(單位：m)

表2 縱向荷位布置

其中縱向荷位1代表“荷載中心”作用在跨中，縱向荷位3代表1/4跨處，縱向荷位7代表1/8跨處，縱向荷位9代表“荷載中心”正好位于橫隔板2上方。

橫向取3個不同位置，橫向荷位1表示荷載中心位于橫截面的對稱點A點，橫向荷位2、橫向荷位3分別由荷位1左移0.15 m和0.30 m，即橫向荷位2的中心位于B點，橫向荷位3的中心位于C點，見圖3。

圖3 橫向不同荷位示意圖

綜上，全橋有9×3共27個不同的荷載位置，將這些荷載位置以M-N格式編號定位，M代表

縱向的9個不同位置，N代表橫向的3個不同位置，如3-1表示荷載中心位于縱向荷位3(即1/4跨)、橫向荷位1(即橫截面對稱軸)處。

2 最不利荷位分析

尋找最不利荷載作用位置的主要目的是發(fā)現(xiàn)控制性的荷載作用點，研究這些關(guān)鍵位置的力學(xué)性能參數(shù)指標(biāo)，指導(dǎo)鋼橋面鋪裝的設(shè)計與施工。分別在荷位1-1，1-2，1-3，9-1，9-2，9-3加載，通過對比找出橫向最不利荷位，計算結(jié)果見表3。

表3 橫向不同荷位計算結(jié)果

由表3可見，荷載位置橫向變化時，各力學(xué)指標(biāo)均出現(xiàn)較大變化，對于最大豎向位移、最大橫向拉應(yīng)變以及層間剪應(yīng)力均有：荷位2>荷位3>荷位1，故荷載的橫向最不利荷位為荷位2，即當(dāng)荷載中心在跨中截面的B點時出現(xiàn)最大豎向位移、最大橫向拉應(yīng)變、最大縱向拉應(yīng)變和最大剪應(yīng)力。且跨中3點(A，B，C)的縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變均為正，表明此位置均為拉應(yīng)變。

根據(jù)上述結(jié)論，保持荷載的橫向位置(橫向荷位2)不變，縱向變化荷位，計算結(jié)果見表4。

表4 縱向不同荷位計算結(jié)果

由表4可見，當(dāng)荷載在縱向上變化時，荷載位于位置1時，即為跨中時引起的豎向位移、橫向拉應(yīng)變和縱向拉應(yīng)變最大；層間剪應(yīng)力在7-2荷位出現(xiàn)最大值。因此在下文的分析中，應(yīng)變最不利位置在跨中的橫向荷位2(即荷位1-2)，由于層間剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在7-2處，所以層間剪應(yīng)力最不利位置是7-2荷位。

3 不同鋪裝體系靜力分析

3.1 不同鋪裝結(jié)構(gòu)確定

前文以3.5 cm GA+3.5 SMA鋪裝為基礎(chǔ)模型通過計算找出了最不利荷位，下面再針對現(xiàn)在常用的雙層EA(環(huán)氧瀝青混凝土)(3.5 cm+3.5 cm)、雙層SMA(3.5 cm+3.5 cm)鋪裝體系做出對比分析。

目前，常見的鋪裝層材料結(jié)構(gòu)有3種：SMA、GA和EA。因此，通過變化鋪裝層的厚度和模量，來模擬不同的鋪裝材料和結(jié)構(gòu)。由于粘結(jié)層常常發(fā)生剪切破壞，因而重點考察了鋪裝層底剪應(yīng)力這一力學(xué)指標(biāo)。模型材料參數(shù)的取值：鋼板彈性模量210 GPa，GA彈性模量500 MPa，EA彈性模量600 MPa，SMA彈性模量400 MPa，鋼板泊松比0.3，瀝青混凝土泊松比均為0.25。

3.2 荷載確定

依據(jù)馬普托大橋模型結(jié)構(gòu)，在已確定荷載作用位置的條件下，針對以下3種荷載工況開展研究。

1) 標(biāo)準(zhǔn)荷載。根據(jù)JTG B01-2014 《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，標(biāo)準(zhǔn)軸軸重為100 kN。將軸一側(cè)的雙輪簡化為2個圓形均布荷載，圓形荷載直徑d=21.30 cm，胎壓0.7 MPa，2輪中心距1.5d，即31.95 cm。

2) 水平荷載。車輛在橋面行使過程中必然產(chǎn)生水平分項荷載；而且車輛制動時，在輪胎與路面的接觸面會產(chǎn)生很大的水平力，水平分項荷載

T=φP

式中：T為水平荷載；φ為滑動摩擦系數(shù)；P為車輛豎向荷載。

根據(jù)路面材料和干濕狀態(tài)的不同，滑動摩擦系數(shù)φ的變化范圍在0.3～1.0之間，水平荷載對橋面鋪裝力學(xué)性能的影響，可以通過滑動摩擦系數(shù)的取值反映，當(dāng)考慮緊急制動時，滑動摩擦系數(shù)取值0.5，同樣考慮豎向標(biāo)準(zhǔn)胎壓0.7 MPa。

3) 超重荷載。由于馬普托大橋存在重載交通車輛，必須在分析中考慮實際的超載現(xiàn)象?？紤]荷載集度在標(biāo)準(zhǔn)胎壓情況下提高100%，通過計算結(jié)果分析超載的力學(xué)效應(yīng)。在超載情況下取滑動摩擦系數(shù)φ為0.3，以此考慮一定的水平荷載影響，形成一種比較極端的荷載工況。

3.3 最大彎拉應(yīng)變分析

根據(jù)所確定的最不利荷位，對3種鋪裝方案在不同工況條件下的最大彎拉應(yīng)變進(jìn)行計算分析，計算結(jié)果見表5。

表5 不同工況鋪裝層拉應(yīng)變計算結(jié)果

由表5可見，不同工況條件對橫縱向拉應(yīng)變影響程度不一致，隨著工況的變化，特別是超重荷載，橫向和縱向應(yīng)變急劇增加，橫向增幅達(dá)到100%，縱向增幅達(dá)到800%左右，而對不同的鋪裝結(jié)構(gòu)，雙層SMA和GA+SMA差別并不大，雙層EA應(yīng)變最小。在存在水平荷載或超載的情況下，荷載對縱向拉應(yīng)變的影響高于橫向拉應(yīng)變；水平荷載對模型結(jié)構(gòu)局部的縱向拉應(yīng)變有顯著影響，特別是在車輛制動和啟動時所產(chǎn)生的水平力主要是縱向的，過大的縱向拉應(yīng)變會造成鋪裝體的橫向裂縫，這也是橋面鋪裝中常見的一種破壞形式。

3.4 最大剪應(yīng)力分析

在最不利荷位條件下，分析不同鋪裝方案在不同工況條件下的最大剪應(yīng)力，計算結(jié)果見表6。

表6 不同工況剪切應(yīng)力計算結(jié)果 MPa

不同荷載情況下鋪裝層與鋼橋面板之間的剪切應(yīng)力計算基于線彈性材料的基本假定。從計算結(jié)果可見，荷載條件對層間剪應(yīng)力影響非常大，特別是超載條件下，剪應(yīng)力增加了90%；不同鋪裝材料的影響與模量相關(guān)，模量越大，剪應(yīng)力越大，雙層SMA模量最小，因此相應(yīng)剪應(yīng)力最小。通過相應(yīng)數(shù)據(jù)綜合分析,層間剪切應(yīng)力在0.327～0.769 MPa之間。

4 結(jié)論

1) 在鋼橋面鋪裝力學(xué)指標(biāo)分析中,由于指標(biāo)不同,相應(yīng)指標(biāo)的最不利荷位有所不同，最大彎拉應(yīng)變的最不利荷位處于橫隔板跨中區(qū)域，最大剪應(yīng)力的最不利荷位處于橫隔板附近。

2) 荷載水平對鋼橋面鋪裝的力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)影響非常大，特別是重載條件下，最大橫向彎拉應(yīng)變達(dá)到834×10-6，層間最大剪應(yīng)力達(dá)到0.769 MPa。

3) 對于不同鋪裝結(jié)構(gòu)，由于材料彈性模量不同，相應(yīng)力學(xué)響應(yīng)場也存在較大差別，對于彈性模量較高的雙層環(huán)氧瀝青混凝土，最大彎拉應(yīng)變明顯小于其他結(jié)構(gòu)，而層間剪應(yīng)力最大。

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