钢桥面铺装结构与材料梯度分析

韩璐　任云志

【摘要】该文通过对钢桥面铺装的破坏形式对的分析，提出现有双层沥青混凝土钢桥面铺装的结构变形不协调问题。运用有限元分析软件ANSYS模拟钢桥面铺装层，通过改变铺装下层材料特性值以寻求最佳组合。

一、钢桥面铺装破坏形式

由于铺装层结构与铺装材料匹配问题造成的破坏形式大致有以下几类：1、铺装层与钢桥面板间的变形协调性不足及抗剪强度不足而引起推移病害；2、车轮荷载作用下造成纵向加劲肋上的铺装层出现负弯矩而使得面层受拉，并于往复作用下形成纵向裂缝；3、由于铺装层水密性能不佳造成雨水渗透，进而破坏钢面板与铺装层之间的粘结层；4、钢箱梁桥偏于柔性，振动变形幅度较大，而常见铺装层材料（沥青混凝土）在移动冲击荷载长期作用下，抗弯拉疲劳性能不足，引起铺装层材料疲劳破损。当前钢箱梁桥面铺装系统中，钢板的弹性模量为21000MPa、线膨胀系数为1×10-5/℃，沥青混凝土类铺装层材料的弹性模量为800-1400MPa、线膨胀系数为2.16～3.06×10-5/℃，两者性能跨度较大，变形不协调问题突出，且沥青混凝土类材料防水性能较差、抗弯拉疲劳性能不足、温度敏感性大，亟需更为合理的功能匹配的钢桥面铺装组合。

二、钢桥面铺装数值模拟分析

2.1铺装材料弹性模量影响分析

根据正交异性钢桥面板的结构组成特点，选取有代表性的桥面板结构建模分析。该模型包括4块横隔板以及8条纵向加劲肋，其平面尺寸为5760mm×9000mm（横向×纵向），铺装上、下层厚度分别为40mm、50mm。采用有限元软件ANSYS对钢桥面铺装结构进行数值模拟，以壳单元Shell63模拟钢板、横隔板及纵向加劲肋，实体单元Solid65模拟桥面铺装层。假设铺装层与钢桥面板完全连续，并可通过共节点的方式处理铺装层与钢板的连接问题。简化轮载根据《公路桥涵设计通用规范D60-2004》中对后轴车轮着地宽度及长度（0.6m×0.2m）及后轴重力标准值140kN，荷载集度为0.58MPa。为满足行车舒适以及抵抗车辙的需要，铺装上层选用SMA沥青混凝土，其弹性模量为1.5GPa；钢材弹性模量取210GPa；铺装下层分别计算弹性模量为1GPa至35GPa范围内的材料，进而对分析铺装层进行承载分析。计算结果显示，随着铺装下层弹性模量的增加，铺装上层各项应力指标逐渐下降，铺装下层各项应力指标逐渐上升。由此可见，铺装下层弹性模量的增大，将使得铺装下層分担的荷载比例增加，一定程度上改善了铺装上层的受力状态。铺装下层的弹性模量于25MPa～30MPa范围内时，表层拉应力及层间剪应力已经处于相当低的水平，铺装下层的各项应力水平也并不算高，并且考虑到减轻铺装层重量对全桥的影响，弹性模量为28MPa的轻质混凝土是作为组合铺装结构下层材料的较好选择。轻质混凝土抗拉设计强度为1.83MPa，考虑到不同轮载位受力情况有所区别，可以考虑使用钢纤维轻质混凝土不仅能满足抗拉需求，还能提供良好地抗拉储备。

2.2铺装材料泊松欧比及线膨胀系数影响分析

泊松比是极为重要的材料常数，反映了材料的横向变形程度。使用上节的有限元模型对泊松比范围于0.15至0.35的材料分别进行模拟计算，不同泊松比的铺装材料最大应力差均在5%以内，表明铺装层承载状态对该常数并不敏感。

2.3铺装材料温度特性影响分析

铺装材料的导热系数及热膨胀系数如下所示：钢箱梁顶板导热系数为40W/mK、膨胀系数为1.2×10-5/℃；水泥混凝土层导热系数2.3W/mK、热膨胀系数1.0×10-5/℃；SMA层导热系数1.4W/mK、热膨胀系数2.47×10-5/℃。通过温度计算，梯度匹配铺装结构比双层SMA铺装方案温度分布更为均匀，原因就在于水泥混凝土导热系数与钢板更接近，因此桥面铺装温度场梯度相对较小，钢板与水泥混凝土层间温度差值相对较低，降低了不协调变形的风险。根据材料力学中温度与应变的关系式： ， 为线膨胀系数， 为温度差，与沥青混凝土相比，水泥混凝土热膨胀系数与钢板更接近，相对变形小，减小了温度应变与温度应力。而SMA层热膨胀系数与钢板差别较大，同条件下相对温度应变达到400微应变。采用梯度设计，铺装下层采用热膨胀系数与钢板更接近的水泥混凝土层，相对变形减小，水泥混凝土层相对温度应变仅40微应变，降低了铺装层整体的温度应力，增强了桥面铺装结构安全性。

三、铺装材料强度性能需求分析

铺装材料应具备优良的抗疲劳抗开裂性能。疲劳破坏是沥青混凝土的主要破坏方式之一。加之桥面板的刚度要比一般路面刚度小得多，在车辆荷载作用下会产生较大的变形及振动。桥面铺装在周期性荷载作用，及较高的变形作用下疲劳破坏的因素更为明显，因此要求桥面铺装材料具有较强的抵抗疲劳破坏的能力。层间及铺装层与钢桥面板之间的抗剪性能。一旦出现脱层现象，桥面铺装层将很快发生破坏，桥面铺装层与桥面板之间脱层可以认为是桥面铺装的完全破坏。桥面铺装层与桥面板间的粘结力是铺装层的附着基础，如果没有桥面板的约束，铺装层在轮载的振动冲击作用下与桥面板分离，并很快发生破坏。沥青铺装层与混凝土桥面板的粘结问题是混凝土桥梁桥面铺装与钢桥面铺装主要差别之一。桥面铺装的刚度远小于桥面板的刚度，要求桥面铺装层与桥面板变形协调，即要求桥面铺装材料在具有较高强度的同时具有较强的形变能力，通过梯度材料与结构的方式使铺装层同桥面板协同工作。

四、梯度匹配钢桥面铺装方案

考虑到行驶车辆的舒适性以及路面维护的便利性，在双层铺装体系中沥青混凝土作为铺装面层具有较强的优势，改性SMA沥青混凝土的水密性好、强度及韧性高、抗车辙、抗疲劳性能强，是作为铺装面层的优良材料；而以轻质钢纤维混凝土作为铺装下层，其容重小于19kN/m3的轻质混凝土并加入钢纤维以增强其韧性、强度、抗疲劳性能以及阻止裂缝的产生与扩展，同时轻质混凝土的保温性能良好，其导热率为0.233～0.523瓦/（米×开），从而可以有效降低刚桥面铺装体系的温度梯度和温度应力。同典型双层沥青铺装方案对比，梯度匹配体系使得正交异性钢桥面板与铺装层之间的变形更为协调、整体性更强。为了增强钢纤维轻质混凝土下面层与钢桥面板的粘结，可以在钢桥面板上布置抗剪连接件，并在下面层中设置钢筋网。

五、总结

1、随着钢桥面铺装下层材料弹性模量的增加，铺装上层各项应力指标逐渐下降，铺装下层各项应力指标逐渐上升；

2、钢桥面铺装材料泊松比小幅变化对铺装层各项应力指标影响较小，混凝土铺装下层线膨胀系数与钢材接近时，其与钢板的变形更为协调；

3、梯度匹配钢桥面组合铺装体系可提升桥面铺装的系统承载力和耐久性，并保持行车舒适性。

参考文献：

[1] 黄卫.大跨径桥梁钢桥面铺装设计理论与方法[M].北京：中国建筑出版社，2006

[2] 顾兴宇，邓学钧，周世忠，等.钢桥面系统各项参数敏感性分析[J].城市道桥与防洪， 2008（12）：96-98.