季凍區(qū)中小跨徑鋼橋面鋪裝的力學(xué)響應(yīng)

張利東，曹 健，張羽彤，縱瑾瑜，曹延峰

(1.吉林省高等級公路建設(shè)局，吉林 長春 130012； 2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112)

0 引 言

近年來，隨著中國交通基礎(chǔ)設(shè)施迅猛發(fā)展，橋梁建設(shè)事業(yè)突飛猛進(jìn)，鋼橋由于具有自重輕、跨越能力大、架設(shè)方便、施工周期短、橋型新穎等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于跨江越海的大型橋梁和城市立交橋工程中。國內(nèi)學(xué)者對于鋼橋面鋪裝已進(jìn)行廣泛而深入的研究，并取得了一系列豐碩的成果[1-3]。然而，現(xiàn)階段國內(nèi)對于鋼橋面鋪裝的研究多針對大跨徑橋梁，且集中在溫暖或炎熱氣候地區(qū)；對于中小跨徑橋梁，尤其是季凍氣候地區(qū)的鋼橋面鋪裝研究一直未得到足夠的重視，相關(guān)研究也鮮見報(bào)道。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，截至2018年，在中國高速公路建設(shè)中，中小跨徑橋梁約占橋梁總長的93%，占橋梁總數(shù)的59%。其中，在獨(dú)立大橋中，以引橋形式出現(xiàn)的中小跨徑橋梁長度超過橋梁總長度的一半以上[4]。此外，為化解中國現(xiàn)階段鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能嚴(yán)重過剩的現(xiàn)狀，國務(wù)院頒發(fā)的《關(guān)于鋼鐵行業(yè)化解過剩產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)脫困發(fā)展的意見》中要求：以供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革加快推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)?？梢灶A(yù)見，在未來的橋梁建設(shè)中，鋼結(jié)構(gòu)橋梁，尤其是中小跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)規(guī)模將逐步擴(kuò)大。因此，對于中小跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁橋面鋪裝的系統(tǒng)性研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[5]。

不同于溫暖或炎熱氣候地區(qū)的大跨徑橋梁，季凍區(qū)鋼橋面鋪裝的極端使用溫度低于-30 ℃，與國內(nèi)已建成鋼橋面鋪裝工程有顯著區(qū)別，對鋼橋面鋪裝材料提出更加苛刻的設(shè)計(jì)要求。且中小跨徑橋梁中重要的結(jié)構(gòu)形式——匝道橋一般設(shè)計(jì)為縱坡彎道形式，研究表明，離心力的存在和現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法的不足是導(dǎo)致橋面彎道鋪裝結(jié)構(gòu)成為薄弱環(huán)節(jié)的原因[6-7]。然而以往的大量研究將車轍和推移視為同種成因[8]，而兩者由于病害表現(xiàn)形式不同，力學(xué)成因并不一致[9]。本文以東豐至雙遼公路(吉林段)敖卜互通樞紐主線橋鋼橋面鋪裝為例，開展季凍區(qū)中小跨徑鋼橋面鋪裝的相關(guān)研究，通過有限元分析軟件ANSYS對其鋼橋面鋪裝受力特性進(jìn)行模擬分析，確定鋼橋面鋪裝的關(guān)鍵控制指標(biāo)，為中國季凍區(qū)中小跨徑鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)提供參考。

1 有限元模型的建立

1.1 基本假設(shè)

(1)鋪裝層材料和鋼箱梁橋面板是完全彈性、均勻、連續(xù)且各向同性的線彈性材料。

(2)鋪裝層上下層之間、鋪裝層和鋼橋面板的界面均為全接觸。

(3)不單獨(dú)考慮鋼橋面板上的剪力釘。

1.2 模型的建立

車輪荷載作用對正交異性鋼橋面板鋪裝層具有很強(qiáng)的局部效應(yīng)，即當(dāng)車輪荷載作用在鋪裝層表面時(shí)，只有圍繞車輪荷載位置的很小范圍內(nèi)的橋面系具有明顯的應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)響應(yīng)，距離車輪荷載位置超過某個(gè)值時(shí)，橋面系的應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)響應(yīng)值衰減很快。因此，在敖卜樞紐互通式立交主線橋鋼橋面鋪裝層中截取橫向上包括5個(gè)U形加勁肋、縱向上包括4個(gè)橫隔板之間的三跨頂板范圍，建立有限元計(jì)算分析模型，模型尺寸及參數(shù)見表1、2，局部分析的有限元模型見圖1。

表1 有限元模型尺寸

表2 有限元模型參數(shù)

圖1 局部分析有限元模型

1.3 荷載及邊界條件

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)，計(jì)算時(shí)所施加車輪荷載采用公路-Ⅰ級汽車荷載的標(biāo)準(zhǔn)車后軸(軸載為140 kN)的一側(cè)輪胎加載，并將雙輪簡化為單輪荷載，即每側(cè)雙輪轉(zhuǎn)化為單輪重70 kN，同時(shí)考慮30%沖擊系數(shù)，則單輪總重為91 kN，計(jì)算時(shí)保持車輪與鋪裝層的接觸面積為600 mm×200 mm不變，得到施加的輪胎壓力為0.758 MPa，沖擊雖然增大了鋪裝層上的車輪作用力，但是不改變荷載面積。具體荷載及邊界條件見表3、4。

表3 計(jì)算荷載

表4 邊界條件

2 最不利荷位

2.1 荷位布置

車輪荷載在鋪裝層上的布置分為橫橋向最不利荷載位置與縱橋向最不利荷載位置。根據(jù)本項(xiàng)目鋼箱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定如下荷位。

分析橫橋向最不利荷位時(shí)，根據(jù)U形加勁肋和正交異性鋼橋面板的幾何尺寸特性，并且考慮車輪荷載相對加勁肋不同橫向位置對鋪裝層的影響，車輪荷載按圖2、3所示分5種情況。

圖2 橫向荷位1、2、3示意

圖3 橫向荷位4、5示意

(1)荷位1，均布荷載合力作用中心與U形加勁肋中心重合。

(2)荷位2，均布荷載合力作用中心穿過U形加勁肋側(cè)肋頂部。

(3)荷位3，均布荷載合力作用中心與2個(gè)U形加勁肋的中心重合。

(4)荷位4，均布荷載合力作用中心穿過縱向隔板。

(5)荷位5，均布荷載合力作用中心穿過縱向隔板左側(cè)的U形加勁肋頂部。

分析縱橋向的最不利荷位時(shí)，將相鄰橫隔板間距離定義為一跨，行車荷載中心點(diǎn)分別置于橫隔板頂端(0 mm)、1/4跨位置(距橫隔板375 mm)、跨中位置(距橫隔板750 mm)3個(gè)特征位置進(jìn)行縱向荷位加載的應(yīng)力分析，荷載移動(dòng)方向如圖4所示，從橫隔板頂端向跨中方向移動(dòng)。

圖4 縱向荷位布置示意

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

所建梁端模型在上述15個(gè)荷位下的縱、橫向最大拉應(yīng)力、應(yīng)變及豎向位移計(jì)算結(jié)果見表5所示。

表5 各荷位下鋪裝層最大應(yīng)力應(yīng)變及豎向位移計(jì)算結(jié)果

分析表4的數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論。

(1)在相同橫向荷位下，隨著縱向荷位由橫隔板頂端向跨中方向移動(dòng)，鋪裝層表面最大豎向位置呈逐漸增大的趨勢，并在豎向荷位3處產(chǎn)生最大豎向位移；而在相同縱向荷位下，橫向荷位4處的豎向位移最小，橫向荷位1處的豎向位移最大。

(2)在設(shè)定的3個(gè)縱向荷位下，鋪裝層間最大縱向剪應(yīng)力均在橫向荷位1處出現(xiàn)最大值；而在任一橫向荷位下，鋪裝層間最大縱向剪應(yīng)力從大到小依次為縱向荷位2、縱向荷位3、縱向荷位1。

(3)鋪裝層表面最大拉應(yīng)力與拉應(yīng)變表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，即橫向最大拉應(yīng)力與拉應(yīng)變均在橫向荷位5、縱向荷位3處最大，而縱向最大拉應(yīng)力與拉應(yīng)變均在橫向荷位1、縱向荷位3處最大。

綜合上述分析，本研究中鋼橋面鋪裝各性能指標(biāo)最不利荷位如表6所示。

表6 季凍區(qū)中小跨徑鋼橋面鋪裝最不利荷位

3 影響因素分析

3.1 荷載條件

在服役過程中，鋼橋面鋪裝層將直接承受行車荷載作用，荷載對于鋪裝層具有最直接、最顯著的影響，因此分析荷載條件對鋼橋面鋪裝層的力學(xué)響應(yīng)尤為重要[10-11]?；诂F(xiàn)階段國內(nèi)重載超載現(xiàn)象普遍的現(xiàn)狀，本文將荷載條件分別設(shè)定為常載、超載50%、超載75%、超載100%和超載120%，分析鋪裝層在相應(yīng)荷載下不同界面的剪應(yīng)力變化情況。

由表7及圖5可以看出，鋪裝層間及鋪裝層與鋼橋面板間剪應(yīng)力均與行車荷載具有較好的線性相關(guān)性，當(dāng)行車荷載增加(即超載比例增大)時(shí)，無論鋪裝層間最大剪應(yīng)力還是鋪裝層與鋼橋面板間最大剪應(yīng)力，均呈線性增長，該特征與張桂學(xué)[12]的研究成果相一致。在超載情況下，鋪裝結(jié)構(gòu)中的黏結(jié)層將面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。此外，鋪裝層與鋼橋面板間剪應(yīng)力

表7 不同荷載條件下的鋪裝層剪應(yīng)力值

圖5 不同荷載條件下的鋪裝層剪應(yīng)力值

大于鋪裝層間剪應(yīng)力，但由于鋪裝下層與鋼橋面板間通過剪力釘及鋼筋網(wǎng)相連，根據(jù)田啟賢、杜新喜[13]的研究成果，Φ16 mm×35 mm剪力釘單釘抗剪承載能力約為120 kN，按每平方米內(nèi)布置9個(gè)剪力釘計(jì)算，則鋪裝層與鋼橋面間的抗剪強(qiáng)度為1.08 MPa，遠(yuǎn)大于層間最大剪應(yīng)力0.521 0 MPa。因此，在該鋪裝方案中，鋪裝層間黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度是關(guān)鍵控制指標(biāo)。若黏結(jié)層材料設(shè)計(jì)不合理，鋪裝層間極易發(fā)生剪切滑移破壞，病害形式主要以推移擁包及橫向裂縫為主。

3.2 汽車制動(dòng)力

汽車行駛在匝道等具有大縱坡特點(diǎn)的中小跨徑鋼橋時(shí)，不僅受垂直于鋪裝層的豎向應(yīng)力影響，也將承受由于汽車制動(dòng)而產(chǎn)生的平行于鋪裝層的水平應(yīng)力，尤其在重載情況下的緊急制動(dòng)，將對鋪裝層產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力[14-15]。而在考慮大縱坡和車輛制動(dòng)效應(yīng)基礎(chǔ)上提出相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)的研究很少，并且中國現(xiàn)行規(guī)范中也未提出明確的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。因此，本文設(shè)定摩擦系數(shù)f分別為0、0.25、0.50、0.75，模擬不同制動(dòng)情況下鋪裝層剪應(yīng)力值變化，結(jié)果見表8。

由表8的數(shù)據(jù)可知，隨著制動(dòng)力的增大，各剪應(yīng)力指標(biāo)均逐漸增大，其中以鋪裝層表面及鋪裝層間剪應(yīng)力增長最為明顯?？梢姡谶M(jìn)行鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮重載車輛緊急制動(dòng)對鋪裝層抗剪性能的要求。

表8 不同摩擦系數(shù)下的鋪裝層剪應(yīng)力值

3.3 溫度條件

由于鋼箱梁的封閉性，在夏天，箱梁內(nèi)部及鋼橋面鋪裝的溫度比氣溫高25 ℃～35 ℃[16-17]，極端高溫接近60 ℃；在冬季，鋼橋面鋪裝極端使用溫度可低于-30 ℃。因此，需要對鋼橋面鋪裝在極端溫度下的受力特性展開研究，明確鋪裝層的高低溫性能指標(biāo)要求，為鋪裝層材料的設(shè)計(jì)指明方向。根據(jù)中國季凍區(qū)氣候特點(diǎn)，本研究將鋪裝層溫度區(qū)間設(shè)置為-40 ℃～60 ℃，并借鑒長安大學(xué)紀(jì)小平等人[18]提出的橋面鋪裝溫度計(jì)算模型及同濟(jì)大學(xué)賈璐[19]提出的不同溫度下瀝青混合料回彈模量預(yù)估模型，結(jié)合材料在20 ℃的回彈模量，計(jì)算確定不同層位瀝青混合料的彈性模量，結(jié)果見表9。不同溫度下鋪裝層的力學(xué)分析結(jié)果見表10。

表9 不同溫度下的瀝青鋪裝層彈性模量

表10 不同溫度下的鋪裝層最大應(yīng)力、應(yīng)變及豎向位移

由上述結(jié)果可知，低溫條件下(-40 ℃～0 ℃)，瀝青鋪裝層彈性模量較大，鋪裝層整體剛度較大，鋪裝層表面豎向位移較小，但此時(shí)鋪裝層表面拉應(yīng)力較大。因此，在低溫條件下(-40 ℃～0 ℃)，應(yīng)以鋪裝層表面拉應(yīng)力為控制指標(biāo)進(jìn)行鋪裝層材料設(shè)計(jì)，以防由于鋪裝層的低溫抗裂性能不足而產(chǎn)生裂縫病害。反之，在高溫條件下(40 ℃～60 ℃)，瀝青鋪裝層彈性模量、整體剛度較小，此時(shí)鋪裝層豎向位移較大。故在此溫度條件下(40 ℃～60 ℃)應(yīng)以鋪裝表面豎向位移為控制指標(biāo)，并重點(diǎn)預(yù)防鋪裝層材料產(chǎn)生變形類病害。

4 結(jié) 語

本文借助ANSYS有限元分析軟件，模擬了鋼橋面鋪裝在不同工況下(不同縱、橫向荷位布置)的受力特性，研究荷載條件、汽車制動(dòng)力、溫度條件對鋪裝層力學(xué)響應(yīng)的影響，主要結(jié)論如下。

(1)鋪裝層表面豎向位移、鋪裝層表面縱向拉應(yīng)力與拉應(yīng)變的最不利荷載位置為橫向荷位1及縱向荷位3，鋪裝層表面橫向拉應(yīng)力與拉應(yīng)變的最不利荷載位置為橫向荷位5及縱向荷位3，而鋪裝層間最大縱向剪應(yīng)力最不利荷載位置為橫向荷位1及縱向荷位2。

(2)超載對鋪裝層性能影響顯著，鋪裝層間及鋪裝層與鋼橋面板間剪應(yīng)力隨行車荷載的增加而線性增長，鋪裝層間黏結(jié)的抗剪強(qiáng)度是關(guān)鍵控制指標(biāo)。隨著制動(dòng)力的增大，各剪應(yīng)力指標(biāo)均逐漸增大，其中鋪裝層表面及鋪裝層間剪應(yīng)力增長最為明顯，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮界面抗剪強(qiáng)度。在低溫條件下(-40 ℃～0 ℃)，鋪裝層表面拉應(yīng)力較大，應(yīng)以鋪裝層表面拉應(yīng)力為控制指標(biāo)進(jìn)行鋪裝層材料設(shè)計(jì)；而在高溫條件下(40 ℃～60 ℃)，鋪裝層豎向位移較大，在此溫度條件下應(yīng)以鋪裝表面豎向位移為控制指標(biāo)。