中小跨徑剛?cè)峤M合式鋼橋面鋪裝力學(xué)響應(yīng)研究

張可強(qiáng)，曹 健,*，吳 釗

(1. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 211112；2. 新型道路材料國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，南京 211112)

鋼橋面鋪裝是直接鋪設(shè)正交異性鋼橋面板，鋪裝層可提供行車舒適性與安全性，并保護(hù)鋼橋面的結(jié)構(gòu)層[1]。經(jīng)過數(shù)十年研究與應(yīng)用，已形成以雙層EA(雙層環(huán)氧瀝青)、GA(澆注式瀝青)及雙層SMA(雙層改性瀝青SMA)為代表的幾大主流鋪裝方案[2-3]。

受限于工程規(guī)模與建設(shè)投資等因素，已有大跨徑橋梁鋼橋面鋪裝方案并不適用于中小跨徑橋梁?；谒嗷炷翗蛄簶蛎驿佈b在各地的成功應(yīng)用，我國(guó)已建及在建的中小跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁的橋面鋪裝往往采用剛?cè)峤M合式鋪裝結(jié)構(gòu)，即利用水泥混凝土層將光滑的鋼箱梁面板轉(zhuǎn)化為近似水泥混凝土箱梁的粗糙界面。然而，相較于常規(guī)水泥混凝土橋梁，鋼結(jié)構(gòu)橋梁鋪裝層受力更為復(fù)雜，且鋪裝層自身剛度、厚度等材料性能的變化都將導(dǎo)致鋪裝層受力狀態(tài)的變化[4-6]，加之國(guó)內(nèi)部分地區(qū)高溫重載及雨熱同季的使用環(huán)境，上述鋪裝方案在實(shí)際應(yīng)用過程中病害頻發(fā)。

因此，依托南京至馬鞍山國(guó)家高速公路油坊橋互通樞紐G匝道(跨徑組合為45 m+45 m+29.2 m，剛?cè)峤M合式鋪裝結(jié)構(gòu)如圖1所示)，開展剛性鋪裝層彈性模量、不同車型荷載作用形式、結(jié)構(gòu)層相對(duì)厚度等因素對(duì)鋪裝層力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律研究。這對(duì)于中小跨徑剛?cè)峤M合式鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料指標(biāo)優(yōu)化，提高我國(guó)中小跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁橋面鋪裝水平，推動(dòng)中小跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)具有重要意義。

圖1 剛?cè)峤M合式鋪裝結(jié)構(gòu)

1 有限元模型的建立

1.1 模型基本參數(shù)

本文運(yùn)用大型通用有限元分析軟件ABAQUS，建立了三跨結(jié)構(gòu)局部有限元模型。其中，鋼橋面板、T形加勁肋、橫隔板采用SHELL63空間殼單元模擬，鋼橋面鋪裝層采用SOLID45三維節(jié)點(diǎn)的等參實(shí)體單元模擬。局部模型總長(zhǎng)約6 m(中線)，模型尺寸參數(shù)如表1所示；局部模型如圖2所示。

表1 模型尺寸參數(shù) (mm)

圖2 局部模型

1.2 荷載及約束

本研究所用荷載及約束條件為：荷載采用矩形均布荷載，荷載作用范圍為20 mm×18 mm；將兩端橫隔板進(jìn)行固結(jié)，并限制端部橫隔板的位移。

2 極端荷位確定

2.1 荷位選取

本項(xiàng)目為匝道橋，橫向超高較多(橫坡達(dá)到5%)，導(dǎo)致橋梁內(nèi)外側(cè)受力不同，因此，在進(jìn)行橫向荷位選取時(shí)應(yīng)充分考慮橋梁內(nèi)外側(cè)的差異性，其中，橫橋向荷位如圖3所示，縱橋向荷位如圖4所示。

圖3 橫橋向荷位

圖4 縱橋向荷位

2.2 極端荷位的確定

所建局部模型在上述7個(gè)橫向荷位與4個(gè)縱向荷位下的力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)構(gòu)成不同荷位下鋪裝層的力學(xué)響應(yīng)結(jié)果，如圖5所示。

(a) 瀝青層最大橫向拉應(yīng)力

基于上述力學(xué)響應(yīng)結(jié)果，綜合考慮各指標(biāo)的力學(xué)響應(yīng)與邊界約束的影響，確定各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的極端荷位，如表2所示。

表2 各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的極端荷位

3 影響因素分析

研究表明，橋梁主體剛度、鋪裝層厚度及剛度、車輛荷載布置形式等因素對(duì)鋼橋面鋪裝層力學(xué)響應(yīng)結(jié)果具有不同程度的影響。其中，橋梁主體剛度主要根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64—2015)進(jìn)行設(shè)計(jì)，橋梁主體剛度滿足結(jié)構(gòu)要求且對(duì)大縱坡小半徑橋面鋪裝影響不大，故本研究中不對(duì)該因素進(jìn)行模擬分析；鋪裝下層C50鋼纖維水泥混凝土層彈性模量一般為35～40 GPa，且隨著鋼纖維摻量及配合比參數(shù)等因素變化，其變化幅度可達(dá)5%～10%，該變化值已超過鋪裝上層瀝青混合料的最大彈性模量，而鋪裝上層瀝青混合料彈性模量變化不大，因此本研究中假定其為定值。

3.1 剛性鋪裝層彈性模量

同一強(qiáng)度等級(jí)的水泥混凝土，由于砂率、水膠比、粗集料粒徑、纖維種類及摻量的不同，其彈性模量也不同[7-8]。鋪裝層與橋面板間的相對(duì)剛度將隨著鋪裝層彈性模量的不同而發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致鋪裝層的應(yīng)力分布發(fā)生改變[9-10]。為研究剛性鋪裝層彈性模量變化對(duì)鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律，本文分別設(shè)置剛性鋪裝層彈性模量為35 GPa、40 GPa、45 GPa、50 GPa、55 GPa和60 GPa，不同彈性模量下的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同彈性模量下的計(jì)算結(jié)果

由表3可知：①剛性鋪裝層彈性模量的改變對(duì)柔性鋪裝層、層間黏結(jié)層及整體豎向位移影響較小，當(dāng)剛性鋪裝層彈性模量由35 GPa增加至60 GPa 時(shí)，柔性鋪裝層拉應(yīng)力變化均不超過1%，上下鋪裝層間剪應(yīng)力變化幅度最大僅為5.1%，鋪裝層整體最大豎向位移變化幅度為3.2%，遠(yuǎn)小于模量自身變化幅度；②剛性鋪裝層彈性模量變化對(duì)其自身及其與鋼橋面板間受力影響較其他指標(biāo)顯著，其中，剛性鋪裝層最大縱向拉應(yīng)力變化幅度為21.7%、剛性鋪裝層最大橫向拉應(yīng)力變化幅度為40.3%，鋪裝層與鋼橋面板間縱向剪應(yīng)力變化幅度為36.4%、鋪裝層與鋼橋面板間最大橫向剪應(yīng)力變化幅度為42.9%。

3.2 荷載布置形式

在常規(guī)力學(xué)計(jì)算時(shí)，通常采用半軸雙輪的標(biāo)準(zhǔn)荷載，但根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[11](JTG D60—2015)可知，車輛雙后軸間距為1.4 m，由于雙后軸車輛后兩軸距離較小，互有影響，為掌握雙后軸共同作用下鋪裝層受力變化情況，保持原定最不利荷位，距原荷位1.4 m處增設(shè)一組相同荷載，不同軸數(shù)作用下的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同軸數(shù)作用下的計(jì)算結(jié)果

由表4可知，與單半軸荷載相比，雙半軸荷載作用下，上下鋪裝層間Syz方向最大剪應(yīng)力變化較為明顯，雙半軸作用下該剪應(yīng)力增幅達(dá)到45.25%；剛性鋪裝層最大縱向拉應(yīng)力次之，增幅為14.87%，其余力學(xué)指標(biāo)變化幅度相對(duì)較小，均未超過10%。且在兩種荷載作用形式下，上下鋪裝層間Syz方向剪應(yīng)力均小于Sxz方向剪應(yīng)力。因此，可以認(rèn)為兩種作用形式對(duì)鋪裝層整體力學(xué)響應(yīng)影響較小。

雙半軸雙輪荷載作用下的Mises應(yīng)力云圖如圖6所示，結(jié)合表4可知，雙后軸間主要影響區(qū)域間隔較遠(yuǎn)，兩者相互影響較小。同時(shí)，考慮到網(wǎng)格劃分不同對(duì)計(jì)算結(jié)果帶來的影響，為簡(jiǎn)化計(jì)算，在進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)可忽略雙后軸間的相互影響，采用單半軸荷載進(jìn)行計(jì)算。

圖6 雙半軸雙輪荷載作用下的Mises應(yīng)力云圖

3.3 結(jié)構(gòu)厚度

各結(jié)構(gòu)層厚度與鋪裝層總厚度對(duì)鋪裝層與鋼橋面板間的相對(duì)剛度也有影響[12]，為不改變鋪裝體系整體標(biāo)高及不造成鋪裝層恒載的大幅改變，保持鋪裝體系總厚度不變，調(diào)整上下鋪裝層厚度，不同結(jié)構(gòu)組合形式具體參數(shù)如表5所示，不同結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表5 不同結(jié)構(gòu)組合形式具體參數(shù) (cm)

由表6的計(jì)算結(jié)果可知，柔性鋪裝層最大拉應(yīng)力及上下鋪裝層間最大剪應(yīng)力值與剛性鋪裝層厚度間呈正相關(guān)，而剛性鋪裝層自身受力有所改善。同時(shí)，鋪裝層整體最大豎向位移減小。綜合考慮不同組合形式下各結(jié)構(gòu)層的力學(xué)響應(yīng)情況、橋梁恒載及工程造價(jià)等因素，建議采用“10 cm柔性鋪裝上層+11 cm剛性鋪裝下層”的結(jié)構(gòu)組合形式。

表6 不同結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果

3.4 鋼筋網(wǎng)片

不同于雙層EA、GA+SMA/AC及ERS組合式等鋪裝方案，剛?cè)峤M合式鋪裝方案中，基于水泥混凝土抗壓不抗折的特性，為提高剛性鋪裝層的抗變形能力，往往在水泥混凝土層內(nèi)布設(shè)鋼筋網(wǎng)片。為研究鋼筋網(wǎng)對(duì)鋪裝層受力的影響，在模型中增設(shè)Φ10@150的鋼筋網(wǎng)，在最不利荷位下施加荷載，增設(shè)鋼筋網(wǎng)計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 增設(shè)鋼筋網(wǎng)計(jì)算結(jié)果

由表7可知，剛性鋪裝層增設(shè)鋼筋網(wǎng)片后，各力學(xué)指標(biāo)數(shù)值雖有所變化，但變化幅度均較小，其中剛性鋪裝層橫向拉應(yīng)力變化幅度最大，但僅為1.3%。因此，可認(rèn)為增設(shè)鋼筋網(wǎng)的主要作用是提高剛性鋪裝層的抗變形能力，對(duì)鋪裝層力學(xué)響應(yīng)影響較小。

4 結(jié)論

(1) 剛性鋪裝層彈性模量變化對(duì)柔性鋪裝層、層間黏結(jié)層及鋪裝層整體豎向位移影響較小，對(duì)剛性鋪裝層及鋪裝層與鋼橋面板間受力影響相對(duì)較大，其中，剛性鋪裝層最大縱向拉應(yīng)力變化幅度為21.7%、剛性鋪裝層最大橫向拉應(yīng)力變化幅度為40.3%，鋪裝層與鋼橋面板間最大縱向剪應(yīng)力變化幅度為36.4%、鋪裝層與鋼橋面板間最大橫向剪應(yīng)力變化幅度為42.9%。

(2) 雙后軸間主要影響區(qū)域間隔較遠(yuǎn)，兩者相互影響較小，為簡(jiǎn)化計(jì)算，在進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)可忽略雙后軸間的相互影響，采用單半軸荷載進(jìn)行計(jì)算。

(3) 隨著剛性鋪裝層厚度的增加，柔性鋪裝層最大拉應(yīng)力及鋪裝層間最大剪應(yīng)力值增大，而剛性鋪裝層力學(xué)響應(yīng)數(shù)值及鋪裝層豎向位移減小，鋪裝層厚度并非越大受力越有利。

(4) 剛性鋪裝層增設(shè)鋼筋網(wǎng)片對(duì)鋪裝層力學(xué)響應(yīng)影響較小，其中以剛性鋪裝層橫向拉應(yīng)力變動(dòng)最大，但也僅為1.3%。