STC橋面鋪裝對(duì)大跨懸索橋靜動(dòng)力性能影響研究

李寧波，黃自鵬，李 程，祝新念

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620；3.湖南省高速公路集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410022；4.湖南理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，湖南 岳陽(yáng) 414006)

目前，我國(guó)鋼橋橋面鋪裝分為柔性鋪裝和剛性鋪裝兩種形式，且以柔性鋪裝為主[1].柔性鋪裝材料在物理性能上表現(xiàn)較差，尤其是模量較低，無(wú)法滿足鋼橋橋面抗壓強(qiáng)度要求，在后期使用過(guò)程中不斷暴露出諸如車轍、油斑、脫層及鋼橋面板疲勞開(kāi)裂等各類問(wèn)題[2～4].新型橋面鋪裝材料STC 的出現(xiàn)，解決了正交異性鋼橋面板橋面鋪裝易破損、鋼結(jié)構(gòu)易疲勞的難題[5].超高韌性混凝土是由水泥、礦物摻合料、細(xì)集料、鋼纖維和減水劑等材料或由上述材料制成的干混料先加水拌合，經(jīng)凝結(jié)硬化后形成的一種具有高抗彎強(qiáng)度、高韌性、高耐久性的水泥基復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱STC)[6]，由法國(guó)Bouygues 實(shí)驗(yàn)室研制的超高強(qiáng)度、超高韌性和高耐久性的水泥基復(fù)合材料RPC (Reactive Powder Concrete)改進(jìn)而來(lái)[7，8].與RPC 相比，STC 具有更優(yōu)異的力學(xué)性能.STC 橋面鋪裝通過(guò)拴釘聯(lián)結(jié)方式，在正交異性鋼面板上加鋪薄層STC 層，將鋼橋面轉(zhuǎn)變成鋼-STC 組合橋面，從而提高橋面剛度，減小面板和縱橫肋在輪載下的應(yīng)力，大幅降低鋼橋面疲勞開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)[9].目前，國(guó)內(nèi)采用此種橋面鋪裝方式的工程已經(jīng)有成功實(shí)例[10～12]，并且有諸多學(xué)者對(duì)STC 橋面鋪裝性能進(jìn)行了相關(guān)研究.國(guó)內(nèi)學(xué)者多從靜力學(xué)角度研究鋼-STC組合橋面對(duì)各類橋梁的影響，但該組合橋面對(duì)大跨橋梁結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力學(xué)綜合特性的影響卻鮮有分析.本文以臨岳高速洞庭湖大橋?yàn)槔?，分析STC橋面鋪裝層對(duì)大跨徑懸索橋靜、動(dòng)力綜合特性的影響，為STC橋面鋪裝在大跨懸索橋中的應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 工程概況

臨岳高速洞庭湖大橋是臨岳高速的控制性工程，位于洞庭湖入長(zhǎng)江交匯口處的岳陽(yáng)市七里山，橋位東起岳陽(yáng)樓區(qū)，西接君山區(qū).主橋結(jié)構(gòu)為雙塔雙跨鋼桁加勁梁懸索橋(1480+453.6m)，主梁采用板桁結(jié)合鋼桁加勁梁，采用STC 橋面鋪裝.大橋總體布置如圖1所示.

圖1 臨岳高速洞庭湖大橋總體布置

2 橋面鋪裝方案

為研究STC橋面鋪裝對(duì)大跨懸索橋靜、動(dòng)力特性的影響，本文將STC橋面鋪裝與常規(guī)鋪裝方案進(jìn)行對(duì)比分析.

常規(guī)鋪裝方案：38mm 瀝青瑪蹄脂碎石(SMA10)+ 35mm 厚澆筑式瀝青混凝土(GA10)+ 甲基丙烯酸類樹(shù)脂(MMA)防水粘結(jié)體系層.

STC橋面鋪裝方案：12mm 厚鋼面板+50mm厚STC層+30 mm 厚SMA-13面層.洞庭湖大橋采用的STC材料特性參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 STC材料特性參數(shù)

3 靜力特性分析

3.1 不同鋪裝方案下橋梁靜力特性分析

采用midasCivil 軟件進(jìn)行計(jì)算分析，全橋共建立4653個(gè)節(jié)點(diǎn)，62226個(gè)單元，有限元模型如圖2所示.

橋梁靜力計(jì)算考慮恒載和汽車荷載作用，其中恒載包括結(jié)構(gòu)自重和橋面鋪裝層重量，汽車荷載選用車道荷載.橋梁靜力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.

圖2 全橋有限元計(jì)算模型

由表2可知，與常規(guī)鋪裝技術(shù)方案相比，STC 橋面鋪裝方案在恒載工況條件下，橋面板豎向位移峰值降幅為0.96%，鋼橋面板應(yīng)力峰值降幅為2.80%，吊索拉力峰值、主纜拉力峰值變化較?。辉诤爿d+汽車活載組合工況條件下，橋面板豎向位移峰值降幅為0.43%，鋼橋面板應(yīng)力峰值降幅為7.77%，吊索拉力峰值、主纜拉力峰值變化較小.

表2 橋梁靜力計(jì)算結(jié)果

3.2 STC 橋面鋪裝厚度變化對(duì)靜力特性的影響

取不同的STC 鋪裝層厚度(分別為：0.035 m、0.040m、0.045m、0.050m、0.055m、0.060m)分析STC 鋪裝厚度變化對(duì)橋梁靜力特性的影響，計(jì)算結(jié)果如圖3～6 所示.

圖3 不同STC 鋪裝層厚度下橋面豎向位移峰值變化

圖4 不同STC 鋪裝層厚度下吊索最大拉力分布

圖5 不同STC 鋪裝層厚度下主纜最大拉力分布

圖6 不同STC 鋪裝層厚度下鋼橋面板應(yīng)力峰值分布

由圖3可知，在恒載工況下條件，橋面板豎向位移峰值隨STC 層厚變化呈“V”型分布，STC 層厚度為0.05 m時(shí)，豎向位移峰值最?。划?dāng)STC層厚度低于0.05 m 時(shí)，STC層剛度的增加能夠抵消該層自重的增加對(duì)橋面豎向位移的影響，橋面豎向位移峰值隨著層厚的增加呈線性遞減趨勢(shì)；當(dāng)STC 層厚度超過(guò)0.05 m 時(shí)，STC 層剛度的增加已不能夠抵消該層自重的增加對(duì)橋面豎向位移的影響，橋面豎向位移峰值隨著層厚的增加呈線性遞增趨勢(shì).在恒載+汽車活載組合工況條件下，橋面豎向位移峰值隨層厚的增加呈線性遞減趨勢(shì).

由圖4可知，在恒載工況與恒載+汽車活載組合工況下，吊索拉力峰值隨層厚的增加呈線性遞增趨勢(shì).

由圖5可知，在恒載工況條件下，主纜拉力峰值隨層厚的增加呈線性遞增趨勢(shì).恒載+汽車活載組合工況條件下，主纜拉力峰值隨層厚的增加呈線性遞減趨勢(shì).

由圖6可知，在恒載工況與恒載+汽車活載組合工況條件下，鋼橋面板應(yīng)力峰值隨層厚的增加均呈線性遞減趨勢(shì).

4 動(dòng)力特性分析

橋梁的動(dòng)力特性反映橋梁結(jié)構(gòu)的剛度，影響著橋梁抗震和抗風(fēng)穩(wěn)定等，其自振特性與模態(tài)振型更是其他動(dòng)力分析(如反應(yīng)譜分析)的根本[13].大跨度懸索橋梁作為一種漂浮式柔性結(jié)構(gòu)，整體剛度受橋面鋪裝特性的影響不可忽略，因而其模態(tài)分析過(guò)程比一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多[14].為研究STC層對(duì)大跨徑懸索橋動(dòng)力特性的影響，本節(jié)采用隨機(jī)子空間迭代法[15]，取前40 階振型開(kāi)展分析、子空間迭代次數(shù)為20次、收斂誤差取為1.0×10-10，以分析大橋動(dòng)力特性.

4.1 不同鋪裝方案下動(dòng)力特性分析

STC橋面鋪裝方案(STC橋面鋪裝厚度為0.05 m)和常規(guī)鋪裝方案下大橋模態(tài)結(jié)果見(jiàn)表3.

由表3可知，前9階振型主要分為主梁橫彎、豎彎、豎向彎扭、主纜擺動(dòng)四種類型.加鋪STC層提高了加勁梁的剛度，使得懸索橋主跨對(duì)稱橫向擺動(dòng)的自振頻率增加2.82%，主跨反對(duì)稱橫向擺動(dòng)的自振頻率增加5.68%.主梁橫彎頻率增幅較大，其它振型頻率增幅不顯著.加鋪STC鋪裝層后前22階原有振型次序不變，第23 階時(shí)，振型由常規(guī)鋪裝方案23 階振型的二階反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為STC 橋面鋪裝方案下的六階豎彎，橋梁穩(wěn)定性顯著提高.

表3 不同鋪裝條件下大橋模態(tài)

4.2 STC 橋面鋪裝層厚度變化對(duì)橋梁動(dòng)力特性影響的分析

采用不同厚度的STC 橋面鋪裝層(厚度分別為：0.035m、0.040m、0.045m、0.050m、0.055m、0.060m)分析STC 橋面鋪裝層厚度變化對(duì)大跨徑懸索橋動(dòng)力特性的影響，分析結(jié)果如圖7所示.

由圖7可知，隨著STC 橋面鋪裝層厚度的增加，主跨自振頻率呈現(xiàn)出線性遞增趨勢(shì)，主跨對(duì)稱橫向擺動(dòng)與主跨反對(duì)稱橫向擺動(dòng)的自振頻率上升趨勢(shì)較為明顯.

圖7 各階自振頻率隨STC 橋面鋪裝厚度變化趨勢(shì)

5 結(jié)論

(1)采用STC 橋面鋪裝方案對(duì)于提高大跨徑懸索橋整體剛度、改善橋面板應(yīng)力狀態(tài)和主要構(gòu)件受力狀態(tài)是有效的.在恒載和恒載+汽車活載組合工況條件下，橋面板豎向位移峰值降幅最大可達(dá)0.96%；鋼橋面板應(yīng)力峰值降幅最大可達(dá)7.77%；吊索、主纜拉力峰值的變化可忽略.

(2)在恒載+汽車活載組合工況下條件，橋面豎向位移峰值隨層厚的增加呈線性遞減趨勢(shì)；在恒載工況及恒載+汽車活載組合工況條件下，鋼橋面板應(yīng)力峰值隨層厚的增加均呈線性遞減趨勢(shì).提高STC 鋪裝層厚度能夠增強(qiáng)主梁剛度，有利于改善大跨徑懸索橋靜力性能.

(3)在恒載工況及恒載+汽車活載組合工況條件下，吊索拉力峰值、主纜拉力峰值隨層厚呈線性變化.

(4)加鋪STC 鋪裝層使得懸索橋主跨對(duì)稱橫向擺動(dòng)的頻率增加2.82%，主跨反對(duì)稱橫向擺動(dòng)的頻率增加5.68%，主梁橫彎頻率增幅較大，其它振型頻率增幅不顯著.

(5)加鋪STC 鋪裝層后，前22 階原有振型次序不變，第23 階時(shí)，振型由常規(guī)鋪裝方案23 階振型的二階反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為STC 橋面鋪裝方案下的六階豎彎，橋梁穩(wěn)定性顯著提高.

(6)隨著STC 橋面鋪裝層厚度的增加，自振頻率呈線性遞增趨勢(shì)，主跨對(duì)稱橫向擺動(dòng)與主跨反對(duì)稱橫向擺動(dòng)的自振頻率上升趨勢(shì)較為明顯.