基于病害控制的鋼橋面力學(xué)響應(yīng)分析

劉林林，縱瑾瑜，李銀山，吳春穎

(1. 蘇交科集團股份有限公司，南京 211112；2. 新型道路材料國家工程實驗室，南京 211112)

目前，正交異性鋼橋面主流鋪裝技術(shù)包含環(huán)氧瀝青鋪裝技術(shù)、澆筑式鋪裝技術(shù)以及ERS(樹脂瀝青組合體系)鋪裝技術(shù)。環(huán)氧瀝青混合料由于在施工過程中對時間和溫度要求嚴(yán)格，因此施工難度大、費用高；雙層SMA(瀝青瑪蹄脂碎石混合料)鋪裝產(chǎn)生病害多且重載適應(yīng)性差、保質(zhì)年限短；澆筑式鋪裝具有高溫穩(wěn)定性差等缺陷。另外，由于建設(shè)中小跨徑鋼橋投資費用有限且較缺乏鋼橋面鋪裝技術(shù)的相關(guān)研究，難以保證鋪裝材料質(zhì)量。因此環(huán)氧瀝青鋪裝技術(shù)、澆筑式鋪裝技術(shù)以及ERS鋪裝技術(shù)對于中小跨徑鋼橋面鋪裝的適用性欠佳。在此背景下，借助鋼混組合梁的優(yōu)勢，一種新型剛?cè)釓?fù)合鋪裝橋面結(jié)構(gòu)——“水泥混凝土下層+瀝青上面層”結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。近年來，剛?cè)釓?fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)逐漸被接受，相關(guān)研究者也不斷增多，該結(jié)構(gòu)逐漸被應(yīng)用到中小跨徑鋼橋面鋪裝中，但隨著剛?cè)釓?fù)合結(jié)構(gòu)的發(fā)展應(yīng)用，目前主要存在以下問題：一是鋪裝層出現(xiàn)疲勞裂縫；二是剛性材料水泥混凝土和瀝青面層層間抗剪能力不足，易產(chǎn)生剪切破壞[1-3]。

此外，以往鋼橋面力學(xué)響應(yīng)分析時未針對鋪裝層病害進(jìn)行分析，造成計算不利位置與實際不符，因此有必要針對剛?cè)釓?fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)病害提出力學(xué)控制指標(biāo)，進(jìn)行有限元力學(xué)分析，研究汽車制動力和超載對力學(xué)控制指標(biāo)的影響，這對中小跨徑鋼橋面剛?cè)釓?fù)合鋪裝設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。

1 計算模型

1.1 基本假設(shè)

以某互通立交鋼橋為背景，建立鋼橋局部梁段模型，基本假設(shè)為：①鋪裝層和鋼面板為完全連續(xù)的各向同性彈性體；②鋪裝層層間、鋪裝層與鋼面板間均完全連續(xù)接觸，不考慮相對滑移，不單獨考慮黏結(jié)層；③不計結(jié)構(gòu)自重影響；④縱、橫隔板底部完全約束，橫橋向邊緣無橫向水平位移，順橋向邊緣無縱向水平位移[4-5]。

1.2 基本參數(shù)和計算模型

模型結(jié)構(gòu)取鋼橋中部位置，局部梁段結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)如表1所示。

表1 局部梁段結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

1.3 單元選取

模型建立中，各結(jié)構(gòu)單元選擇如表2所示。

表2 各結(jié)構(gòu)單元選擇

1.4 材料參數(shù)

橋面鋪裝主要材料計算參數(shù)如表3所示。

表3 橋面鋪裝主要材料計算參數(shù)

根據(jù)表1中所列內(nèi)容，使用ANSYS有限元軟件，建立有限元模型，有縱向隔板有限元模型如圖1所示；無縱向隔板有限元模型如圖2所示。

圖1 有縱向隔板有限元模型

圖2 無縱向隔板有限元模型

2 最不利荷載位置

2.1 荷載布置

2.1.1 車輪荷載形式

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)，由輪重和車輪與鋪裝層的接觸面積計算得到施加的輪胎壓力為0.758 MPa，荷載相關(guān)計算參數(shù)如表4所示。

表4 荷載相關(guān)計算參數(shù)

2.1.2 車輪荷載位置布置

所施加的車輪荷載在鋪裝層上的位置有橫橋向和縱橋向這兩個方向。

(1) 荷載橫向布置示意如圖3所示，分析橫橋向最不利荷位時，車輪荷載分5種情況。

(a) 無縱向隔板

(單位:mm)

(2) 分析縱橋向的最不利荷位時，荷載位置分別為橫隔板頂、2個橫隔板1/4位置和2個橫隔板跨中處，荷載縱向布置示意如圖4所示。

圖4 荷載縱向布置示意

本研究施加的荷載由5個橫橋向位置和3個縱橋向位置共同組成了15個荷載位，分別用編號A1、A2、A3、B1、B2、B3……E1、E2、E3來表示，即字母是車輪荷載在橫橋向的位置，數(shù)字是車輪荷載在縱橋向的位置[6]。

2.2 確立最不利位置

瀝青鋪裝層與水泥混凝土調(diào)平層之間最大縱向剪應(yīng)力是控制鋼橋面鋪裝層表面沿縱橋向產(chǎn)生剪切變形的主要因素，鋪裝層表面最大橫向和縱向拉應(yīng)力是控制鋼橋面鋪裝層表面橫橋向和縱橋向產(chǎn)生裂縫的主要因素，因此，本研究提出將鋪裝層層間最大剪應(yīng)力和鋪裝層表面最大拉應(yīng)力的位置稱為最不利位置。

2.2.1 水泥混凝土層與瀝青鋪裝層間剪應(yīng)力分析

為研究車輪荷載縱向位置對鋼橋面剛?cè)釓?fù)合鋪裝層層間剪應(yīng)力的影響，就橫橋向5個荷載位與縱橋向3個荷載位共15個荷位布置，進(jìn)行有限元計算分析，縱向剪應(yīng)力隨縱向荷載位置變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 縱向剪應(yīng)力隨縱向荷載位置變化規(guī)律

由圖5可知：①隨著車輪荷載縱向上由橫隔板頂部向跨中移動，橫向荷載位A、B、C、D、E的鋪裝層表面縱向剪應(yīng)力均呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢，鋪裝層間縱向最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在1/4跨處。在同一橫向荷載位下，最大的縱向剪應(yīng)力出現(xiàn)在橫向荷載位 A(U形肋中心上部)位置。②剛?cè)釓?fù)合鋪裝層間最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在荷載作用在荷載位A時，其結(jié)果為0.262 6 MPa。

因此，以鋪裝層層間最大縱向剪應(yīng)力作為剛?cè)釓?fù)合鋪裝層設(shè)計控制指標(biāo)時，橫橋向最不利荷位是荷載位A(U形肋中心上部)，縱橋向是1/4跨處。

2.2.2 鋪裝層表面最大拉應(yīng)力分析

為研究車輪荷載橫向和縱向位置對鋼橋面剛?cè)釓?fù)合鋪裝層表面拉應(yīng)力的影響，就橫橋向5個荷載位與縱橋向3個荷載位共15個荷載位布置進(jìn)行有限元計算分析，縱向拉應(yīng)力隨縱向荷載位置變化規(guī)律如圖6所示；橫向拉應(yīng)力隨縱向荷載位置變化規(guī)律如圖7所示。

圖6 縱向拉應(yīng)力隨縱向荷載位置變化規(guī)律

圖7 橫向拉應(yīng)力隨縱向荷載位置變化規(guī)律

由圖6和圖7可知：①隨著車輪荷載縱向上從橫隔板頂部向跨中移動，橫向荷載位A、B、C、D、E的鋪裝層表面橫向拉應(yīng)力和縱向拉應(yīng)力均逐漸增大，最大橫向拉應(yīng)力位置出現(xiàn)在跨中位置；②在同一縱向荷載位下，最大的橫向拉應(yīng)力出現(xiàn)在橫向荷載位A(U形肋中心上部)位置，其結(jié)果為0.513 2 MPa。

因此，以鋪裝層最大拉應(yīng)力作為剛?cè)釓?fù)合鋪裝層設(shè)計控制指標(biāo)時，橫橋向最不利荷位是荷載位A(U形肋中心上部)，縱橋向是跨中處。此外，本文通過計算鋼橋面鋪裝層表面拉應(yīng)變的變化規(guī)律，得出鋪裝層表面橫向和縱向拉應(yīng)變的變化與各荷載位下鋪裝層表面橫向與縱向拉應(yīng)力變化一致。

3 汽車制動力和超載對鋪裝層剪應(yīng)力的影響

為進(jìn)一步研究鋪裝層材料性能對結(jié)構(gòu)體系受力的影響，并且為鋪裝結(jié)構(gòu)、材料的設(shè)計與試驗提供依據(jù)，針對荷載條件和摩擦系數(shù)等因素進(jìn)行受力敏感性研究。主要分析車輛剎車水平力作用對鋪裝層界面剪應(yīng)力的影響，重點計算瀝青混凝土鋪裝層之間的界面剪應(yīng)力情況[6]。

3.1 荷載條件

針對交通荷載超載50%、80%、100%和120%的情況下，鋪裝層不同界面的剪應(yīng)力進(jìn)行重點分析。車輪荷載同時考慮30%沖擊系數(shù)，并考慮水平摩擦力的影響，取摩擦系數(shù)f=0.3。荷載作用位置為橫橋向位置A，縱橋向位置3。不同荷載條件下鋪裝層剪應(yīng)力值如表5所示。

表5 不同荷載條件下鋪裝層剪應(yīng)力值 (MPa)

由表5可知，剛?cè)釓?fù)合鋪裝層層間剪應(yīng)力大小均隨著荷載的增大而增大，剪應(yīng)力增長率和荷載增長率一致，由此說明超載對剛?cè)釓?fù)合鋪裝層層間剪應(yīng)力值影響較大，過大的層間剪應(yīng)力會造成剛?cè)釓?fù)合鋪裝破壞。

3.2 汽車制動力

剛?cè)釓?fù)合鋪裝層受力不僅受豎直荷載影響，此外還受汽車制動力的影響。當(dāng)摩擦系數(shù)f為0、0.25、0.50和0.75時，不同摩擦系數(shù)條件下鋪裝層剪應(yīng)力值如表6所示。其中，車輪荷載為標(biāo)準(zhǔn)荷載，但考慮30%沖擊系數(shù)。荷載作用位置為橫橋向位置A，縱橋向位置3。

表6 不同摩擦系數(shù)條件下鋪裝層剪應(yīng)力值 (MPa)

由表6可知，剛?cè)釓?fù)合鋪裝層層間剪應(yīng)力大小均隨著制動力的增大而增大，其中剛?cè)釓?fù)合鋪裝上層表面剪應(yīng)力增長率較高。

4 結(jié)語

通過建立中小跨徑鋼橋面剛?cè)釓?fù)合鋪裝的有限元模型，提出基于剛?cè)釓?fù)合鋪裝病害的力學(xué)控制指標(biāo)，研究分析最不利荷載位置，分析荷載和汽車制動力對鋪裝層剪應(yīng)力的影響，可以得出以下結(jié)論。

(1) 以鋪裝層層間最大縱向剪應(yīng)力作為剛?cè)釓?fù)合鋪裝層設(shè)計控制指標(biāo)時，橫橋向最不利荷位是U形肋中心上部，縱橋向是1/4跨處。

(2) 以鋪裝層最大拉應(yīng)力作為剛?cè)釓?fù)合鋪裝層設(shè)計控制指標(biāo)時，橫橋向最不利荷位是U形肋中心上部，縱橋向是跨中位置。

(3) 超載對剛?cè)釓?fù)合鋪裝層層間剪應(yīng)力值影響較大，過大的層間剪應(yīng)力會造成剛?cè)釓?fù)合鋪裝破壞。

(4) 剛?cè)釓?fù)合鋪裝層層間剪應(yīng)力大小均隨著制動力的增大而增大，其中剛?cè)釓?fù)合鋪裝上層表面剪應(yīng)力增長率較高。