簡支梁正交異性鋼橋面鋪裝層最不利受力分析

宋君超周艷孟靈玥李想

(1.濟南黃河路橋建設集團有限公司,山東濟南250014；2.山東建筑大學道路與交通工程山東省高校重點實驗室,山東 濟南250101；3.山東外事翻譯職業(yè)學院國際商學院,山東 威海264506；4.大華會計師事務所(特殊普通合伙),北京100039)

0 引言

正交異性鋼橋面板作為大跨度鋼箱梁橋的橋面板在大跨度鋼橋建設中的應用越來越廣泛,但同時正交異性鋼橋面鋪裝的早期損壞問題卻一直沒有得到很好的解決。橋面鋪裝的好壞直接影響橋梁使用的舒適、經濟和安全,頻繁的維修必然耗費大量的人力、物力并影響通行能力[1-2]。因此,研究鋼箱梁橋面板鋪裝層在荷載作用下產生的最大應力、應變,用以修正當前正交異性鋼橋面鋪裝結構設計指標是非常重要的。如果鋪裝材料能夠滿足最不利荷載作用下鋼橋面鋪裝層內產生的應力和應變,那么鋪裝結構就能夠避免早期損壞,提高使用壽命,并產生巨大的經濟和社會效益。

我國目前對各種橋型的正交異性鋼橋面鋪裝在車輛荷載作用下的響應均有研究,正交異性鋼橋面鋪裝的受力分析數(shù)值模擬方法有整體模型法、多尺度模型法(混合單元法)、子模型法、簡化模型法等。在研究中模型大部分采用簡化模型[3-11],未考慮橋型的影響,也并未考慮荷載作用位置對簡支梁橋面鋪裝受力的影響[12-13]。在實際荷載作用下,正交異性鋼橋面鋪裝內最大應力、應變的位置和大小,對鋼橋面鋪裝材料和結構的設計至關重要。整體模型為帶有橋面鋪裝結構的橋梁整體板殼模型,這種有限元分析方法是最精確的。然而,該模型建模復雜,且實際應用中會受到計算機內存的限制,因此橋面鋪裝分析中很少采用此方法[14-15]。文章建立了最接近簡支梁鋼橋面鋪裝真實受力特性的整體模型,施加移動荷載,確定在橋面鋪裝中最大縱向壓應力的荷載作用位置,并分析橋面鋪裝的受力特性。

1 簡支梁橋整體模型的建立

簡支梁橋跨徑為48 m、橋寬為22 m,兩側翼板寬為3 m,單箱四室,每隔3 m有1道橫隔板,中間橫隔板開人孔,端橫隔板為實心截面,簡支梁橫截面具體尺寸如圖1(a)所示。其中,橫橋向為x軸,截面右側為正、左側為負；豎橋向為y軸,截面上側為正、下側為負；縱橋向為z軸。Sx、Sy、Sz分別為x、y、z向應力,SEQV為等效應力。

圖1 簡支梁整體模型橫斷面及荷載布置圖

利用ANSYS建立簡支梁橋的整體模型,鋼箱梁采用 SHELL63單元,橋面鋪裝瀝青混凝土采用SOLID45單元,荷載采用SURF154單元施加。鋼材及瀝青混凝土材料均為彈性材料,各向同性,鋼材彈性模量2.1×108MPa、密度為 7850 kg/m3、泊松比為0.3。橋面鋪裝材料為瀝青混凝土,彈性模量取常用值1000 MPa、密度為 2400 kg/m3、泊松比為 0.2,瀝青混凝土鋪裝厚度為50 mm,橋面鋪裝層劃分為一層,橋面鋪裝與橋面板之間采用共用節(jié)點完全連接,位移連續(xù)。整體模型梁端部腹板位置底板處通過厚20 cm鋼板支座施加簡支梁邊界條件,邊界條件施加見表1。

表1 簡支梁邊界條件表

荷載作用采用雙向四車道車輛荷載,縱向荷載作用位置根據(jù)移動荷載下使跨中產生最大應力的荷載作用位置確定。車輛荷載標準如圖1(b)所示。荷載橫向沿中心線兩側對稱布置,車輛從簡支梁一端以80 km/h的速度駛入,行駛到另一端共加載306步。四車道荷載在橫橋向相對于梁中軸線對稱布置,為方便計算,布置為同向荷載。一側兩車道4個輪載中心作用位置分別距中心線2.15、3.95、5.25和7.05 m,荷載作用面積為0.6 m×0.2 m。

2 簡支梁正交異性鋼橋面鋪裝層最不利受力分析

2.1 移動荷載下正交異性鋼橋面鋪裝層整體受力分析

移動荷載作用306步后,將梁橫向-6.75 m處縱向正交異性鋼橋面鋪裝頂面各點在荷載從梁一端行駛到另一端時產生的縱向應力(Sz)最大和最小值繪制成曲線,如圖2所示?？梢钥闯?橫隔板位置處橋面鋪裝頂面的應力較小,在兩橫隔板之間位置,應力較大,在梁近跨中22.6 m處產生的應力最大。梁截面上其它荷載作用位置處橋面鋪裝頂面縱向各點所得縱向應力有相似規(guī)律。

圖2 梁橫向-6.75 m處縱向各點在306步時間中產生的縱向最大和最小應力包絡圖

梁縱向22.6 m和橫向-3.65 m處橋面鋪裝頂面點的應力—時間曲線如圖3所示。可以看出,當車輛荷載第2根到第4根軸,軸重分別為 120和140 kN的軸經過22.6 m點時,引起該點的各向應力均較大。當?shù)?根軸經過該點時,產生的應力值最大,此時,車輛荷載最后軸作用于縱向21.4 m處。

圖3 梁縱向22.6 m和橫向-3.65 m處應力—時間曲線圖

梁橫向-6.75 m荷位處縱向各點的縱向應力—時間曲線如圖4所示,可以看出,車輪作用處各點的應力—時間歷程曲線有相似規(guī)律,車軸經過該點時應力較大,因此有2個峰值。2個120 kN的軸經過時形成1個峰值,2個140 kN的軸經過時形成1個峰值,越接近跨中,應力越大。而橫隔板處形成的峰值與2橫隔板之間的點形成峰值的方向相反,因橫隔板有豎向支撐作用,故形成反峰。梁縱向22.6 m和橫向-4 m腹板位置的應力—時間曲線如圖5所示,在腹板位置,x向應力比較大,同樣在荷載經過時形成2個峰值。腹板處鋪裝層頂面縱向各點應力具有相似的規(guī)律。

圖4 梁橫向-6.75 m縱向各點應力—時間歷程曲線圖

梁縱向27 m和橫隔板位置橫向-4 m腹板及-3.65 m荷位處應力—時間歷程曲線如圖6所示,可見橫隔板處車輛未經過該點時,應力很小,車軸經過時形成的應力峰值也較小,在橫隔板和腹板交界點處各向應力均較小,而橫隔板上腹板之間的位置,豎向應力較大。各點應變—時間歷程曲線與應力—時間歷程曲線相似。

圖5 梁縱向22.6 m橫向-4 m位置橋面鋪裝頂面處應力—時間歷程曲線圖

當車輛行駛到173步,后軸作用于21.4 m時,在梁縱向22.6 m的位置梁橫截面上各點的應力應變值如圖 7 所示。Ex、Ey、Ez分別為x、y、z向應變,EEQV為等效應變。橫截面上輪載作用中心橋面鋪裝頂面位置的各向應力、應變較大,橫截面-4 m、4 m腹板位置上,橫向(x向)拉應力、拉應變較大,等效應變最大值為5.63×10-4。

當車輛行駛到173步,后軸作用于21.4 m時,梁橫向荷載作用位置-3.65 m處縱向各點應力如圖8(a)所示,車軸通過的位置縱向應力和豎向應力最大,豎向應力有正負交變。

當車輛行駛到173步,后軸作用于21.4 m時,梁橫向-4 m處腹板位置橋面鋪裝頂面縱向各點應力如圖8(b)所示,車軸通過位置的水平向應力最大,具有較大的水平拉應力和拉應變。

圖6 梁縱向27 m橋面鋪裝頂面點應力—時間歷程曲線圖

圖7 第173步22.6 m處梁橫截面上各點應力和應變圖

2.2 正交異性鋼橋面鋪裝層最大應力應變分析

通過移動荷載下簡支梁橋的整體受力分析,確定荷載最不利作用位置,將模型細化,模型為正交異性鋼橋面板鋼箱梁橋,鋼材采用16 Mn。加密荷載作用部分,加密部分單元尺寸為0.1,滿足單元精度要求。模型其他條件與初步分析模型相同,將橋面鋪裝層分為5層,重新進行計算。模型細部尺寸及鋼板厚度見表2,整體模型如圖9所示。

圖8 第173步橫向-3.65 m和-4 m處梁縱向各點應力圖

表2 簡支梁整體模型表

通過對簡支梁整體模型分析,得到橋面鋪裝層內各向應力應變最大值,結果見表3；鋪裝層各層各方向的最大最小應力應變值及產生位置見表4。鋪裝層各層次的橫向最大拉應力由頂層向下逐漸減小,其中最大的拉應力發(fā)生在腹板處橋面鋪裝最頂面。豎向壓應力和拉應力由頂面至底面依次增大,最大壓應力發(fā)生在橫橋向荷位中心6.75 m處鋪裝層底面；而豎向最大拉應變發(fā)生在橫橋向3.5 m處,且從頂面到底面依次減小。縱向壓應力、壓應變均從頂面向下依次減小,最大值發(fā)生在橫橋向3.8 m處；縱向拉應力、拉應變發(fā)生在縱橋向橋兩端橫向8 m處,且鋪裝層各層最大值均從頂面到下逐漸減小。

圖9 簡支梁整體有限元模型圖

表3 簡支梁橋整體模型橋面鋪裝層最大、最小應力表

表4 簡支梁橋橋面鋪裝各層次各方向最大及最小的應力、應變表

續(xù)表4

3 結論

通過在48 m跨徑簡支梁整體模型上施加移動荷載,計算橋面鋪裝層內各向應力應變的最大值位置,分析其最不利受力情況,得出以下結論:

(1)在移動荷載作用下,當車輛荷載后軸行駛至近跨中21.4 m時,跨徑簡支梁正交異性鋼橋面鋪裝在縱向22.6 m處的應力最大。

(2)鋼橋面鋪裝內,橫向各層拉應力從頂面向下依次減小,其中最大拉應力發(fā)生在跨中附近腹板處橋面鋪裝最頂面；豎向最大拉應力從頂面到下依次增大,最大拉應變發(fā)生在橫橋向3.5 m處,由頂面到下依次減??；縱向最大壓應力、壓應變發(fā)生在橫橋向3.8 m處,從頂面向下依次減小。