合六葉公路橋不等厚鋪裝結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)研究

羅偉平，杜江波，李 東

(1.中鐵五局集團(tuán)華南工程有限責(zé)任公司 東莞市 523160； 2.河南明珠工程管理有限公司 三門(mén)峽市 472000)

與普通橋面鋪裝結(jié)構(gòu)相比，合六葉公路橋橋面鋪裝的形式特殊，受力情況復(fù)雜，為鋪裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與服役期維養(yǎng)方案的制定提供指導(dǎo)意見(jiàn)，需對(duì)行車(chē)荷載作用下鋪裝的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行充分分析[1-2]。擬先在MIDAS CIVIL中建立整橋分析模型，對(duì)各不等厚過(guò)渡區(qū)的受力進(jìn)行力學(xué)分析，并計(jì)算受力不利箱梁的邊界條件；再在ABAQUS中建立局部箱梁的等比例模型，對(duì)行車(chē)荷載作用下的細(xì)部力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析。

1 工程概況

鋼箱梁橋具備施工便捷、抗扭剛度大且自重較小的特點(diǎn)，常被應(yīng)用在中、大跨徑橋梁的設(shè)計(jì)中。G312合六葉公路橋是連接合肥與六安的重要交通干線，由四座分橋組成，沿上游至下游依次為1#～4#橋，整橋以雙向八車(chē)道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，其主橋設(shè)計(jì)全長(zhǎng)380m，采用100m+180m+100m的變截面連續(xù)鋼箱梁方案，橋梁縱向布置如圖1所示。

圖1 合六葉公路橋縱橋向布置

為減輕鋼箱梁的自重，并降低建造成本，合六葉公路橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)的頂板創(chuàng)新性地采用了不等厚設(shè)計(jì)方案，沿縱橋向共設(shè)16處不等厚過(guò)渡區(qū)，厚度變化形式為1∶8線性斜坡，如圖2所示。

圖2 合六葉公路橋不等厚過(guò)渡形式

合六葉公路橋的上層鋪裝厚度設(shè)為2.5cm，下鋪裝層采用了與頂板對(duì)應(yīng)的厚度變化形式，以保證頂板厚度+鋪裝結(jié)構(gòu)厚度恒定為9.6cm，以2#橋與3#橋?yàn)槔?，匯總其頂板+橋面鋪裝的厚度組合，如表1所示。

表1 2#橋與3#橋箱梁頂板+橋面鋪裝厚度組合

對(duì)于常規(guī)鋼箱梁橋，鋪裝結(jié)構(gòu)受力不利區(qū)域主要有：跨中與支座彎曲應(yīng)力較大的區(qū)域、縱橫隔板上方與U型加勁肋上方。在此類(lèi)區(qū)域，鋪裝結(jié)構(gòu)受到較大的剪應(yīng)力作用，在行車(chē)荷載的影響下，易產(chǎn)生開(kāi)裂、脫層等鋪裝病害。合六葉公路橋不等厚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特殊，除常規(guī)受力不利區(qū)域外，不等厚過(guò)渡區(qū)上方的鋪裝層也處于不利的受力狀態(tài)。

合六葉公路橋由四座獨(dú)立箱梁橋組成，其中2#與3#橋各設(shè)三條同向行車(chē)道，1#與4#橋各設(shè)一條行車(chē)道與非機(jī)動(dòng)車(chē)道。本研究選取承受行車(chē)荷載最密集的2#與3#橋進(jìn)行力學(xué)分析。

2 整橋力學(xué)分析

在橋梁力學(xué)分析軟件MIDAS CIVIL中建立合六葉公路橋的整橋模型，將全橋離散為空間桿系單元，共131個(gè)節(jié)點(diǎn)、130個(gè)單元。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，橋梁模型材料設(shè)為Q370qD，彈性模量為2.06×108kN/m2，泊松比取0.3。車(chē)道荷載采用公路-I級(jí)均布荷載10.5kN/m，共三車(chē)道；橋梁一期恒載設(shè)為109.1 kN/m，二期恒載設(shè)為40.8 kN/m。

對(duì)2#與3#整橋同時(shí)施加自重、二期恒重和車(chē)道荷載，考慮到合六葉公路橋不等厚過(guò)渡區(qū)關(guān)于跨中橫斷面對(duì)稱(chēng)，因此只提取跨中橫斷面一側(cè)的不等厚過(guò)渡區(qū)的彎矩計(jì)算結(jié)果，匯總?cè)绫?所示。

表2 2#與3#橋不等厚過(guò)渡區(qū)的彎矩值

由表2可知，在車(chē)道荷載與恒載共同作用下，最大豎向正彎矩出現(xiàn)在距離橋頭170m處的厚度變化處，彎矩值為2.12×105kN·m，此處頂層鋼板厚度由22mm變化至32mm，下層鋪裝厚度由49mm變化至39mm；最大豎向負(fù)彎矩出現(xiàn)在距離橋頭96m處，彎矩值為5.01×105kN·m，此處頂層鋼板厚度由28mm變化至36mm，下層鋪裝厚度由43mm變化至35mm。彎矩值越大代表該厚度變化處的鋼板更易發(fā)生相對(duì)形變，其上方的鋪裝結(jié)構(gòu)承受更大的集中應(yīng)力，更易發(fā)生開(kāi)裂、脫層等鋪裝病害。分別截取此距離橋頭96m支座附近、縱橋向長(zhǎng)15m的不等厚處箱梁進(jìn)行細(xì)部力學(xué)響應(yīng)研究。

為模擬局部箱梁的實(shí)際服役條件，對(duì)整橋模型施加一期恒載與二期恒載，得到局部箱梁的邊界條件為彎矩值4.06×105kN·m，豎向位移0.002m。

3 受力不利箱梁的細(xì)部力學(xué)分析

基于第2節(jié)的整橋分析結(jié)果，在有限元分析軟件ABAQUS中建立負(fù)彎矩值最大的細(xì)部箱梁模型。合六葉公路橋擬采用“雙層EA”鋪裝體系，模型中EA鋪裝層與頂層鋼板設(shè)定為實(shí)體單元，網(wǎng)格屬性設(shè)定為六邊形-結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；T形肋、U形肋等箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)定為殼單元，網(wǎng)格屬性設(shè)定為四邊形為主-自由，并采用進(jìn)階算法。對(duì)局部箱梁施加第2節(jié)所得邊界條件，即彎矩值4.06×105kN·m，豎向位移0.002m。

局部箱梁的主體結(jié)構(gòu)為鋼材Q370qD，密度7850kg/m3，在有限元模型中將其設(shè)定為各向同性的彈性材料，彈性模量取2.06×108kN/m2，泊松比取0.3；鋪裝層為雙2.06×108kN/m2層EA，密度取2560 kg/m3，有限元模型中將其設(shè)定為各向同性的彈性材料，彈性模量取6×106kN/m2，泊松比取0.35。依據(jù)設(shè)計(jì)文件，將材料屬性指派到各個(gè)構(gòu)件，部分構(gòu)件由殼單元建立，因此在截面指派步驟中指定各個(gè)殼單元部件的厚度，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 殼單元部件的厚度

為模擬實(shí)際行車(chē)荷載作用下不等厚過(guò)渡區(qū)鋪裝結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，本研究基于Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)DLOAD子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)行車(chē)荷載的施加，行車(chē)荷載移動(dòng)速度設(shè)為100km/h。荷載大小采用公路I級(jí)荷載后軸加載，輪胎接地壓強(qiáng)設(shè)為1.17MPa，輪胎接地形狀簡(jiǎn)化為矩形，如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)化后的車(chē)輛荷載

由于橋面直接承受車(chē)輛的荷載作用，結(jié)合正交異性板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，橋面鋪裝在橫橋向存在三種作用荷位，即I號(hào)荷位：輪載中心施加于一加勁肋正上方；II號(hào)荷位：輪載中心施加于兩加勁肋間中點(diǎn)的正上方；III號(hào)荷位：輪載中心施加于一加勁肋邊的正上方，如圖4所示。

圖4 行車(chē)荷載沿橫斷面方向的不同位置

結(jié)合已有研究，III型荷位是正交異性板的最不利加載荷位，因此本研究直接選取III型荷位作為橫橋向的加載位置[2-3]。對(duì)于合六葉公路橋不等厚特殊結(jié)構(gòu)，其不等厚過(guò)渡區(qū)上的鋪裝是整體鋪裝結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，設(shè)從頂層鋼板由薄變厚的方向?yàn)閍，頂板厚度由厚變薄的方向?yàn)閎，如圖5所示。本研究在III號(hào)橫橋向加載位置和兩種縱橋向行車(chē)方向，共2種荷載作用條件下，對(duì)不等厚過(guò)渡區(qū)上鋪裝結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行研究。

圖5 加載方向示意圖

通過(guò)設(shè)置沿縱橋向的路徑Path，輸出行車(chē)荷載通過(guò)不等厚過(guò)渡區(qū)的動(dòng)力響應(yīng)，如圖6所示。

圖6 不等厚過(guò)渡區(qū)的力學(xué)響應(yīng)

由圖6可知，不等厚過(guò)渡區(qū)承受的應(yīng)力顯著大于其他區(qū)域，且鋪裝厚度較厚區(qū)域的受力情況明顯優(yōu)于鋪裝厚度較薄區(qū)域。在a向行車(chē)與b向行車(chē)條件下，不等厚過(guò)渡區(qū)的鋪裝結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，峰值出現(xiàn)在不等厚過(guò)渡區(qū)最薄的位置，橫向拉應(yīng)力峰值達(dá)到了1.242MPa，縱向拉應(yīng)力峰值達(dá)到了1.057MPa。不等厚過(guò)渡區(qū)的橫向拉應(yīng)力峰值為其他區(qū)域的1.66倍，縱向拉應(yīng)力峰值為其他區(qū)域的1.5倍。因此不等厚過(guò)渡區(qū)的鋪裝結(jié)構(gòu)是合六葉公路橋整體鋪裝體系的薄弱環(huán)節(jié)之一，其較大的橫、縱向拉應(yīng)力易導(dǎo)致鋪裝結(jié)構(gòu)更早出現(xiàn)開(kāi)裂病害。

4 結(jié)論

基于合六葉公路橋的整橋力學(xué)模型與局部箱梁細(xì)部力學(xué)模型，分析了其不等厚鋪裝結(jié)構(gòu)在行車(chē)荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)，得到以下結(jié)論：

(1)合六葉公路橋距離橋頭96m處的不等厚過(guò)渡區(qū)，在整橋所有16處不等厚過(guò)渡區(qū)中受力情況最嚴(yán)峻，在一期、二期恒載與行車(chē)荷載共同作用下，其彎矩值達(dá)到了5.01×105kN·m。

(2)在行車(chē)荷載作用下，合六葉公路橋不等厚過(guò)渡區(qū)上鋪裝結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其橫向拉應(yīng)力峰值達(dá)到了1.242MPa，為其他區(qū)域的1.66倍；其縱向拉應(yīng)力達(dá)到了1.057MPa，為其他區(qū)域的1.5倍。

(3)合六葉公路橋鋪裝結(jié)構(gòu)形式特殊，縱橋向的不等厚過(guò)渡區(qū)是橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的受力不利位置，易產(chǎn)生開(kāi)裂病害，需在通車(chē)后對(duì)其定期檢視，以保證鋪裝結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于較好的服役狀態(tài)。