港珠澳足尺鋼橋面鋪裝疲勞加速加載模型設(shè)計研究

余春霖 陳家海 容洪流 張肖寧

摘要：為建立科學(xué)合理的加速加載試驗?zāi)Ｐ鸵怨└壑榘拇髽蛘划愋凿撓淞簶蛎姘暹M(jìn)行鋪裝材料比選試驗，文章以橫向拉應(yīng)變?yōu)榭刂浦笜?biāo)，通過有限元軟件建立試驗?zāi)Ｐ?，并以瀝青表面層和鋼板底面層的應(yīng)變幅值試驗值和理論值的對比來驗證模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：在關(guān)鍵點位上兩個幅值較為接近，同時應(yīng)變幅趨勢也基本一致。研究認(rèn)為所設(shè)計的疲勞模型能滿足實橋橋面鋪裝層試驗的要求。研究過程可為鋼橋面鋪裝模型設(shè)計工程提供理論借鑒。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁橋;橋面鋪裝;加速加載模型;疲勞;剛度;應(yīng)變場

0 引言

港珠澳大橋是中國興建的一個超級跨海通道，其橋面鋪裝面積非常巨大，路面鋪裝的好壞直接影響橋面竣工后的行車舒適性[1]。為了在較短的時間內(nèi)完成鋪裝試驗以確定鋪裝材料的性質(zhì)，指導(dǎo)鋪裝方案選用，必須加快試驗的速度。加速加載試驗?zāi)茉谳^短的幾個月時間對長達(dá)數(shù)年后的橋面運行效果進(jìn)行模擬，已經(jīng)得到了公路研究者的認(rèn)可[2]。如何建立加速加載試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行試驗是其中關(guān)鍵的一環(huán)，由于港珠澳大橋工程特殊的社會影響力，對于這樣一座首創(chuàng)設(shè)計的大橋，為了獲得更多的一手?jǐn)?shù)據(jù)，指導(dǎo)進(jìn)一步的工作，減弱由于尺寸效應(yīng)導(dǎo)致受力性能不一致的情況，考慮采用足尺模型對其受力性能進(jìn)行模擬。國內(nèi)外對足尺實驗?zāi)Ｐ偷难芯枯^少，長沙理工大學(xué)張起森[3]采用直道鋼橋足尺模型對廈門海滄大橋的鋪裝層高溫和疲勞性能進(jìn)行研究，其模型只考慮了截取原始橋面的結(jié)構(gòu)尺寸作為足尺模型的參數(shù)設(shè)計，沒有進(jìn)一步考慮到橋面鋪裝節(jié)點的應(yīng)變狀態(tài)問題，這樣得出的評價效果不能準(zhǔn)確反映橋面鋪裝的性能。為了使港珠澳大橋加速加載模型試驗的結(jié)果更貼近實橋鋪筑效果，需要在設(shè)計模型尺寸時，選取能夠反映鋪裝層破壞的指標(biāo)并對其進(jìn)行控制，建立更貼合實際狀況的模型進(jìn)行鋪裝層試驗，從而比較出更適合用在實橋的鋪裝材料以指導(dǎo)工程選用。

1 模型設(shè)計思路

瀝青橋面鋪裝破壞開裂的主要原因還是層間出現(xiàn)過大的拉應(yīng)力使其對應(yīng)的拉應(yīng)變大于材料粘結(jié)拉應(yīng)變[4]。查閱大量的參考文獻(xiàn)和橋面鋪裝力學(xué)性能研究成果發(fā)現(xiàn)：鋪裝層的開裂主要是面層橫向拉應(yīng)力過大導(dǎo)致的縱向裂縫。因此可以考慮以控制橫向拉應(yīng)變?nèi)胧郑刂茩M向拉應(yīng)力來控制裂縫的產(chǎn)生。通過使實物模型在同樣加載方式下達(dá)到與設(shè)計時相同的應(yīng)變狀況，來調(diào)整實物模型的結(jié)構(gòu)狀況，使得后續(xù)在模型上進(jìn)行鋪裝材料的疲勞試驗更接近港珠澳大橋上的使用狀況。張順先[5]通過ANSYS軟件逐步分析瀝青材料橋面鋪裝應(yīng)力應(yīng)變分布狀況，得出鋪裝層橫向最大拉應(yīng)變?yōu)?88 με，出現(xiàn)在梯形加勁肋和邊腹板頂?shù)匿佈b層表面附近，同時認(rèn)為第二跨跨中的瀝青鋪裝層應(yīng)力分布可以較為全面地反映全橋應(yīng)力分布情況。因此此設(shè)計考慮將388 με拉應(yīng)變大小作為控制指標(biāo)進(jìn)行模型設(shè)計。

2 模型建模過程

2.1 模型初選分析

考慮到橋梁第二跨跨中的瀝青鋪裝層應(yīng)力分布可以較為全面地反映全橋應(yīng)力分布情況，初步截取實橋跨中部分作為初始模型，試驗構(gòu)件長度取8 m，橫隔板設(shè)置間距為2.5 m，厚度取橋梁設(shè)計時的最小值，分別為頂板板厚18 mm，橫隔板厚16 mm ，U肋高300 mm、寬300 mm、厚8 mm。由ANSYS軟件分析可知汽車荷載作用最不利位置在跨中，荷載作用中心位于腹板外側(cè)260 mm處，作用范圍為60 cm×20 cm。布置位置如圖1、圖2所示。使用單軸單輪1.5倍軸載52.5 kN作用下局部變形圖和Mises應(yīng)力云圖如圖3、圖4所示，此時鋪裝層的橫向應(yīng)變分布如圖5所示。

從圖5可以看出此模型在荷載作用下的橫向拉應(yīng)變只達(dá)到了122.9 με左右，約為控制應(yīng)變的1/3，不滿足模型設(shè)計要求。可見截取實橋節(jié)段進(jìn)行試驗并不能很好地還原實橋應(yīng)變狀況，得出的對比結(jié)果不能準(zhǔn)確地反映鋪裝層性能。

2.2 疲勞試驗?zāi)Ｐ托薷?/p>

由于實橋截取段在荷載作用下最大拉應(yīng)變達(dá)不到控制值，需要通過弱化結(jié)構(gòu)剛度來達(dá)到要求。首先考慮到模型運輸問題將模型寬度縮減為3 300 mm，同時也滿足了力學(xué)模型≥3 000 mm的要求，再考慮調(diào)整模型的頂板厚度進(jìn)行剛度折減，經(jīng)過不斷試算對比，當(dāng)頂板厚度降到12 mm時，滿足要求，此時的模型斷面圖如圖6所示。在設(shè)計的汽車荷載作用下變形云圖和Mises應(yīng)力云圖如圖7、圖8所示。

根據(jù)ANSYS軟件對橋面鋪裝分析結(jié)果可知，橋梁頂部每米最大位移差為0.15 mm，但只改變頂板厚度后的結(jié)構(gòu)沒有達(dá)到這個要求。為滿足要求，需要在加速加載設(shè)備外260 mm的橋面板處施加均布荷載。同時還要調(diào)整模型其他尺寸來減小布載大小，避免布載過大難以實現(xiàn)。經(jīng)過使用ABAQUS軟件試算，需施加范圍為8 000 mm×2 085 mm的均布荷載0.05 MPa，總重834 kN，布載如圖9白色區(qū)域所示。模型結(jié)構(gòu)調(diào)整后如圖10所示，尺寸參數(shù)列于表1，此時模型在設(shè)計的汽車荷載作用下局部變形圖如圖11所示。此時試驗?zāi)Ｐ偷臋M向拉應(yīng)變?yōu)?84 με，比實橋模型設(shè)計荷載目標(biāo)的388 με僅小1%。

3 疲勞試驗?zāi)Ｐ蛯嵨飿?gòu)件驗證

3.1 模型制作與驗證依據(jù)

根據(jù)模型試算得出的參數(shù)加工制作實體試驗?zāi)Ｐ?，成品實拍如圖12所示。

采用關(guān)鍵點的應(yīng)變大小作為控制鋪裝層疲勞破壞的指標(biāo)，就要監(jiān)測對應(yīng)點的應(yīng)變大小，但在加速加載車運行的過程中，靜荷載作用得到的應(yīng)變是難以監(jiān)測的?？紤]在設(shè)計荷載作用下監(jiān)測關(guān)鍵點位的應(yīng)變振幅，當(dāng)加速加載車在試驗?zāi)Ｐ蜕线\行得到的應(yīng)變幅值與實橋模型在設(shè)計荷載作用下得到的應(yīng)變幅值接近時，可以認(rèn)為它們對橋面鋪裝層產(chǎn)生的疲勞損傷是一致的。

采取兩種工況的差值作為應(yīng)變幅的理論值，工況一是加載車兩個輪分別位于監(jiān)測點的兩側(cè)，工況二是加載車單側(cè)車輪作用于監(jiān)測點。模型計算鋼材彈性模量取206 000 MPa。橋面鋪裝厚度為7 cm，下層MA層為3 cm，抗壓彈性模量取7 000 MPa;上層SMA層為4 cm，抗壓彈性模量取3 000 MPa。考慮到鋪裝層表面和鋼板底面的應(yīng)變情況是關(guān)鍵部位，使用這兩處驗證模型的準(zhǔn)確性和可靠性較高。實體試驗?zāi)Ｐ蛻?yīng)變片布設(shè)如圖13所示。

試驗采用對鋪裝層疲勞性能加速加載200萬次的方式進(jìn)行，每天分兩次加載，共加載10萬次一天，測試時使用華東測試的DH3820動態(tài)應(yīng)變記錄儀進(jìn)行采集。同時按照每分鐘取一個波峰和波谷的方式對原數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其中18號點位的統(tǒng)計圖如圖14所示。

3.2 瀝青表面層與鋼板底面層應(yīng)變對比驗證

將瀝青鋪裝層表面應(yīng)變檢測值與理論振幅值繪制成趨勢圖進(jìn)行比較，其中實測應(yīng)變幅取應(yīng)變單點圖上應(yīng)變幅的平均值。結(jié)果如圖15所示。

從圖15中可以看出，跨中橫向18號應(yīng)變點應(yīng)變水平較高，理論值與實測值均在160～200 με之間。其他點位振幅結(jié)果與理論值也基本一致，應(yīng)變幅的趨勢也基本相同。

將鋼板底面層應(yīng)變檢測值與理論振幅值繪制成趨勢圖進(jìn)行比較，其中實測應(yīng)變幅取應(yīng)變單點圖上應(yīng)變幅的平均值。結(jié)果如圖16所示。

由圖16可以看出，兩次振幅實測值與振幅理論值相比，第一次的振幅值相差較大，考慮其原因是兩次鋪裝的不同材料導(dǎo)致的。第一次試驗采用的傳統(tǒng)MA材料相較于第二次采用的GMA材料彈性模量要低一些。觀察第二次鋪裝振幅結(jié)果，在11、13、15、17等幾個關(guān)鍵點位上，振幅實測值與理論值較為接近，可認(rèn)為模型的剛度達(dá)到設(shè)計要求。將此設(shè)計模型用于鋪裝層材料特性的比較而得出的結(jié)果將更加可靠。

4 結(jié)語

加速加載模型設(shè)計有助于試驗?zāi)M實橋狀況，對橋面鋪裝性能進(jìn)行對比研究。本文研究發(fā)現(xiàn)改變模型頂板厚度可以有效地減小模型剛度，但為滿足模型位移條件，還需優(yōu)化其他構(gòu)件尺寸，避免堆載過大難以實現(xiàn)的問題;在足尺模型設(shè)計上，采用控制鋪裝層橫向最大拉應(yīng)變來控制模型剛度，避免了直接截取原橋段進(jìn)行試驗導(dǎo)致的剛度不匹配，試驗破壞現(xiàn)象無法產(chǎn)生的情況;考慮鋪裝層表面和鋼板底面應(yīng)變幅狀況，使用與之對應(yīng)的振幅實測值與振幅理論值進(jìn)行比較，驗證了足尺模型的可靠和合理性。

參考文獻(xiàn)：

[1]高星林，張鳴功，方明山，等.港珠澳大橋工程創(chuàng)新管理實踐[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，35（S1）：12-26.

[2]田澤峰. MLS足尺瀝青路面加速加載試驗[M].北京：人民交通出版社， 2015.

[3]張起森，李宇峙，邵臘根，等.廈門海滄大橋橋面瀝青鋪裝層直道疲勞試驗研究[J].中國公路學(xué)報，2001（1）：62-67，74.

[4]錢振東，黃 衛(wèi)，駱俊偉，等.正交異性鋼橋面鋪裝層的力學(xué)特性分析[J].交通運輸工程學(xué)報，2002（3）：47-51.

[5]鐘 科，陳 飛，魏小皓，等.基于加速加載試驗的鋼橋面鋪裝性能研究[J].公路交通科技，2017，34（11）：50-56.

[6]張順先.基于使用性能的鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混合料設(shè)計研究與疲勞壽命預(yù)測[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.

收稿日期：2020-06-02