橋面鋪裝在預(yù)制梁仿真分析中的合理性分析

涂偉

（四川公路工程咨詢監(jiān)理有限公司，四川 成都 610041）

一、引言

橋面鋪裝層是一種與橋梁結(jié)構(gòu)協(xié)同變形的特殊結(jié)構(gòu)層，橋面鋪裝層需要承擔(dān)汽車荷載、溫度等因素的直接作用，起著保護(hù)橋梁主體和為行車提供舒適、安全的路面功能的作用，此外，橋面鋪裝還應(yīng)具備良好的防水效果，從而保證雨水不會(huì)通過鋪裝層滲透到橋面板而侵蝕橋梁結(jié)構(gòu)。水泥混凝土剛性鋪裝能夠使得鋪裝結(jié)構(gòu)層與橋梁主體結(jié)構(gòu)一起承擔(dān)應(yīng)力變形，但在實(shí)際的橋梁荷載試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算中，多數(shù)利用荷載的形式模擬橋面剛性鋪裝而忽略其剛度貢獻(xiàn)，造成理論計(jì)算的截面特性小于實(shí)際截面特性，計(jì)算出的理論撓度值偏大，計(jì)算值存在一定偏差。本文采用荷載的形式模擬橋面鋪裝、橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層劃入T梁頂板、板單元模擬橋面鋪裝三種計(jì)算方式，以預(yù)制T梁靜載試驗(yàn)為背景，結(jié)合靜載試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)比分析撓度、應(yīng)變和基頻，分析了不同方法的合理性，用以指導(dǎo)實(shí)際工程荷載試驗(yàn)中的模型建立。

二、工程概述

本文中的工程選取攀大高速公路某大橋中的40m跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，組合跨徑為（3×30+20×40）m，橋面單幅總寬度為12m，頂板厚度為20cm，橋面鋪裝為10cm混凝土鋪裝+防水層+10cm瀝青鋪裝，梁高2.5m，腹板厚度20cm～32cm。下部構(gòu)造橋臺(tái)采用樁柱式臺(tái)、橋墩采用柱式墩、變/等截面矩形墩，墩臺(tái)采用樁基礎(chǔ)。橋梁斷面如圖1所示。

現(xiàn)場測試中跨截面在最大正彎矩截面重載工況下的應(yīng)力、豎向撓度，應(yīng)變測點(diǎn)布置于預(yù)應(yīng)力T梁馬蹄底板外表面，撓度測點(diǎn)布置同應(yīng)變測點(diǎn)，如圖2所示。應(yīng)變測試采用電阻式應(yīng)變片，撓度測試采用百分表。

圖1.橋梁斷面

圖2.撓度應(yīng)變測點(diǎn)布置圖

三、建模方案對(duì)比分析

運(yùn)用有限軟件Midas Civil做了相應(yīng)的詳細(xì)計(jì)算分析工作，再根據(jù)設(shè)計(jì)車輛荷載作用下的內(nèi)力包絡(luò)圖確定加載試驗(yàn)截面位置，并進(jìn)一步確定測點(diǎn)布置。坐標(biāo)原點(diǎn)在左側(cè)端點(diǎn)，x坐標(biāo)為縱向，y坐標(biāo)為橫向，z坐標(biāo)為豎向。該橋采用C50混凝土：混凝土彈性模量E=3.45×104MPa，混凝土泊松比為0.2，混凝土線膨脹系數(shù)為1×10-5。

本文采用三種不同方法模擬橋面鋪裝，同時(shí)計(jì)算40m簡支T梁控制截面在最不利設(shè)計(jì)荷載作用下的應(yīng)變、豎向撓度，與實(shí)際測量值進(jìn)行對(duì)比。

（一）方案A：以荷載的形式模擬橋面鋪裝

此方案為荷載試驗(yàn)常采用的方案，鋪裝層通常只作為構(gòu)造層或磨耗層考慮，不作專門的計(jì)算分析，通常被簡化為荷載，忽略其剛度貢獻(xiàn)。此方案用于設(shè)計(jì)汽車活荷載作用下的最大彎矩及撓度，分別如圖3和圖4所示。

圖3.方案A，40m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁撓度包絡(luò)圖（單位：mm）

圖4.方案A，40m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

（二）方案B：橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層劃入T梁頂板

將橋面鋪裝劃入T梁頂板厚度（即頂板厚度30cm），考慮實(shí)際T梁頂板通過植筋將10cm混凝土鋪裝融為一體，此時(shí)截面面積增大，慣性矩I增大，符合實(shí)際情況。此方案用于設(shè)計(jì)汽車活荷載作用下的最大彎矩及撓度，分別如圖5和圖6所示。

圖5.方案B，40m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁撓度包絡(luò)圖（單位：mm）

圖6.方案B，40m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

（三）方案C：板單元模擬橋面鋪裝

用10cm厚的板單元模擬橋面鋪裝，在板單元與梁單元共節(jié)點(diǎn)的前提下，考慮其自重和剛度的影響，使其符合實(shí)際情況。此方案用于設(shè)計(jì)汽車活荷載作用下的最大彎矩及撓度，分別如圖7和圖8所示。

圖7.方案C，40m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁撓度包絡(luò)圖（單位：mm）

圖8.方案C，40m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

四、荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

（一）撓度測試結(jié)果分析

表1.撓度測試結(jié)果

圖9.撓度測試結(jié)果分析（單位：mm）

表2.中梁跨中截面彎曲剛度對(duì)比

三種橋梁鋪裝層模擬方案本質(zhì)上是計(jì)算截面剛度彎曲不同導(dǎo)致的撓度差異。表2以中梁跨中截面為例（支點(diǎn)截面及邊梁類似），分析了三種不同鋪裝層模擬方法造成的截面彎曲剛度差異。

對(duì)比三種建模方案與實(shí)測結(jié)果，均為3號(hào)測點(diǎn)撓度值最大，往兩邊依次逐漸減小，符合T梁的橫向分布規(guī)律。以荷載的形式模擬橋面鋪裝、橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層劃入T梁頂板、板單元模擬橋面鋪裝三種方案所計(jì)算的撓度值均大于實(shí)測值，說明設(shè)計(jì)方案相對(duì)保守。方案A以荷載的形式模擬橋面鋪裝未考慮橋面鋪裝的剛度值，彎曲剛度減小，撓度值增大，計(jì)算結(jié)果存在偏差。另兩種方案均將橋面鋪裝加入實(shí)體結(jié)構(gòu)層，同梁體一同參與受力分析，依據(jù)式三，EI彎曲剛度增大而最大撓度值減小，更為接近橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況。

（二）應(yīng)變測試結(jié)果分析

表3.應(yīng)變測試結(jié)果

如表3和圖10所示，應(yīng)變測試結(jié)果中方案B和方案C的理論值基本一致，說明這兩種方法用于梁體結(jié)構(gòu)應(yīng)變計(jì)算結(jié)果相近，可以根據(jù)實(shí)際需要選用，方案A的應(yīng)變計(jì)算結(jié)果偏大，計(jì)算結(jié)果存在偏差。實(shí)測值偏低，現(xiàn)場測試結(jié)果為橋梁狀況良好。

圖10.應(yīng)變測試結(jié)果分析（單位：uε）

（三）基頻測試結(jié)果分析

表4.基頻測試結(jié)果

圖11.基頻測試結(jié)果分析

如表4和圖11所示，基頻實(shí)測結(jié)果均大于計(jì)算結(jié)果，依據(jù)式四簡支梁基頻計(jì)算，方案B和C的抗彎剛度增大，基頻也相應(yīng)增大，符合實(shí)際計(jì)算規(guī)律。方案A未考慮橋面鋪裝的抗彎剛度EI，則實(shí)際計(jì)算結(jié)果較小。

五、結(jié)語

方案A以荷載的形式模擬橋面鋪裝，理論值偏大，未考慮其剛度貢獻(xiàn)，導(dǎo)致截面特性計(jì)算值小于實(shí)際值，計(jì)算理論撓度值偏大，即理論計(jì)算是偏于不安全的。方案B橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層劃入T梁頂板和方案C板單元模擬橋面鋪裝，考慮了鋪裝層自重和剛度的影響，模擬更加準(zhǔn)確，計(jì)算結(jié)果更接近正確值，與實(shí)測撓度和應(yīng)變結(jié)果對(duì)比更符合。因此，在橋梁荷載試驗(yàn)中（特別是簡支T梁橋）推薦采用方案B和方案C來模擬橋面鋪裝。