装配式钢箱梁桥面刚柔复合铺装结构力学分析

吴国雄，程菓，伍成忱

（1重庆建筑工程职业学院，重庆400072；2重庆交通大学，重庆400074）

装配式钢箱梁桥面刚柔复合铺装结构力学分析

吴国雄1，2，程菓2，伍成忱2

（1重庆建筑工程职业学院，重庆400072；2重庆交通大学，重庆400074）

选择钢箱梁刚柔复合桥面铺装体系为研究对象，建立正交异形板以及铺装层的三维有限元模型，探索车轮荷载作用下刚柔复合铺装层及其与钢桥面板界面上力学响应的分布规律。分析表明，刚柔复合铺装结构整体刚度较好，铺装层受力的局部效应减弱；纵向拉应力为刚柔复合铺装中拉应力的主要控制指标；正交异性板的刚度突变位置易出现最大应力值。研究结果可对钢桥面铺装设计提供理论依据。

正交异性板；刚柔复合铺装；有限元；剪力连接件

钢桥面铺装是钢箱梁桥的重要组成部分，可以保护行车道板，给车辆提供一个平整、舒适的路面。我国虽修建了很多大跨径钢桥，但由于桥面铺装材料选择不当，铺装结构设计不妥等因素的影响，很多桥梁运营不久便出现疲劳开裂、车辙、结构剪切破坏等病害，要解决这些病害对于钢桥面铺装而言，无疑是一个世界性技术难题［1］。本文选择正交异性板以及钢箱梁刚柔复合桥面铺装体系为研究对象，建立正交异形板体系三维有限元模型，探索车轮荷载作用下刚柔复合铺装层及其与钢桥面板界面上力学响应的应力和变形的分布规律，提出了在不同力学控制指标下的最不利加载荷位，分析常见钢桥面铺装破坏产生的机理，以期对钢桥面铺装设计与施工具有较好的指导作用。

1　有限元模型

1.1模型的基本假设

钢箱梁刚柔复合铺装方案如图1所示［2］，建立局部梁段的正交异性板体系有限元模型时，假设钢板、横隔板、加劲肋这类钢材以及上面层SMA13为弹性材料。由于粘结层较薄，不单独考虑粘结层。铺装层与钢桥面板间完全粘结，不考虑两者的相对滑移，且不考虑结构自重的影响。横隔板底部完全固结，同时，铺装层、钢板、纵向加劲肋无水平位移。

图1　刚柔复合铺装结构

1.2模型的结构参数

横桥向由6个U形加劲肋组成，宽3.6m，顺桥向长9m，包含3跨，4块横隔板。横隔板间距3m，高1m，板厚10mm；U形加劲肋高284mm，开口宽度295.5mm，下闭口宽度170mm，U肋间距300mm，板厚8mm；桥面板厚度16mm。上层SMA13厚度30mm，混凝土下面层厚度50mm，如表1所示。

表1　有限元模型材料参数

1.3计算荷载

在计算模型中使用单个车轮荷载加载方式施加荷载，荷载取值参照《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004［3］中规定的标准车辆，即采用后轴单侧车轮的重力，其标准值140/2= 70kN，简化车轮荷载的着地面积为长、宽分别为0.2m、0.6m的矩形，只考虑车轮荷载作用和30%的冲击系数。

1.4计算荷位

根据车轮荷载相对U形加劲肋和横隔板的位置，本文分别沿横桥和纵桥布置荷位。以荷载中心为控制点，荷位1、2、3分别表示车轮荷载的中心作用在U形肋的正上方、U形肋边正上方以及两个U形肋中心之间的正上方。如图2所示。

图2　车轮荷载横向加载位置

纵桥向在中间跨取五个加载位置，把荷载中心作为控制点，用0.375m的等间距从横隔板正上方移动到两横隔板跨中位置，如图3所示。

图3　车轮荷载纵向加载位置

1.5有限元模型

有限元模型包含了钢桥面板、U形加劲肋、横隔板、上面层SMA13、下面层刚性混凝土和剪力连接件，为了提高分析精度，对剪力连接件上绑扎的钢筋网也展开了模拟。模型如图4所示。

图4　有限元模型

2　钢桥面刚柔复合铺装力学分析

2.1SMA13上面层应力分析

由图5-图7可知：受横隔板的影响，三个荷位下的纵向最大拉应力在纵桥向都呈现先增大再减小的趋势，当荷载中心距离横隔板0.375m的位置处出现峰值。铺装层在横隔板位置由于有支撑作用而应力不大，而在其附近无支撑作用，刚度发生突变而出现大的变形［4］。

图5　横向荷位1下SMA13上面层的拉应力

图6　横向荷位2下SMA13上面层的拉应力

图7　横向荷位3下SMA13上面层的拉应力

对比不同横向荷位下的横、纵向拉应力值，发现在纵桥向除了横隔板、跨中断面，其余位置的拉应力均是纵向大于横向。除环氧沥青钢桥面铺装结构，传统的几种钢桥面铺装结构的整体刚度比较小［5］，所以铺装层应力在轮载作用下表现出横向拉应力值大于纵向拉应力的局部效应。但是这里的“上层SMA13+下层轻质混凝土”钢桥面复合铺装结构却是有所不同，这表明了刚柔复合铺装整体刚度提高，受力的局部效应减弱。

2.2混凝土下面层应力分析

通过有限元计算3个横向荷位作用下混凝土下面层的应力计算结果见图8-图10。

图8　横向荷位1下混凝土下面层的拉应力

图9　横向荷位2下混凝土下面层的拉应力

图10　横向荷位3下混凝土下面层的拉应力

（1）混凝土下面层的横向拉应力均随轮载的移动呈现先减小再增大的趋势，其最大值出现在横隔板断面位置。

（2）不同横向荷位下混凝土下面层的纵向拉应力水平较高，并在荷载距离横隔板0.375 m处铺装层下面层出现了峰值，在横隔板上方出现了应力局部集中的现象，这与SMA13上面层有相同的变化规律。其中在荷位2出现了最大峰值，其值为1.4366MPa。该值比C50混凝土的抗拉设计强度1.83MPa要小，所以一定要选择抗拉强度较高且韧性较好的混凝土材料作为下面层。本文中的轻质混凝土掺入了纤维可以达到增韧改性的效果。另外，除了横隔板断面和跨中断面，其它地方的纵向拉应力水平都要比横向拉应力大，铺装层整体刚度的提高和受力的局部效应变弱。

（3）不同荷位下混凝土下面层中的主拉应力均表现出先增大后减小的趋势，并且在纵桥向距离横隔板0.375m的位置达到最大值。并且同混凝土下面层中纵向拉应力值比较靠近。所以在实际测量中，可以用纵向拉应力来代替主拉应力。

2.3铺装层与钢板间剪应力分析

通过有限元计算3个横向荷位作用下的铺装层和钢桥面板间的剪应力，计算结果见图11-图13。

图11　横向荷位1下铺装层与钢板间的剪应力

图12　横向荷位2下铺装层与钢板间的剪应力

图13　横向荷位3下铺装层与钢板间的剪应力

（1）不同横向荷位下的层间横向最大剪应力最大峰值均出现在横隔板位置，之后，随着荷载从横隔板移动到跨中的过程中，钢板和铺装层界面间的纵向剪应力迅速降低，横向荷位1在距离横隔板0.375m的断面出现最小峰值，横向荷位2在距离横隔板0.75m的断面出现最小峰值，横向荷位3在距离横隔板1.125m的断面出现最小峰值，此后又分别逐渐增大跨中。

（2）不同横向荷位下的层间纵向最大剪应力在纵桥向各加载断面的变化规律比较一致，最大峰值均出现在横隔板位置，之后，随着荷载从横隔板移动到跨中的过程中，其值迅速降低，在距离横隔板0.375m的断面出现最小峰值，此后又逐渐增大至跨中，除在荷位1纵桥向最不利为跨中断面，其余荷位均在为横隔板位置最不利。

（3）通过对比分析不同横向荷位下的横向、纵向剪应力，发现前者明显大于后者。因此横桥方向为层间剪应力的主要控制方向，且横向剪应力是铺装层和钢箱梁顶板间粘结破坏的主要控制指标。

2.4铺装层最大挠度分析

通过有限元计算3个横向荷位作用下的刚柔复合铺装结构表面最大竖向位移，计算结果见表2。

表2　铺装层表面最大弯沉

通过对比不同横向荷位下的铺装层表面最大弯沉，发现均呈现持续增长的趋势，在跨中断面达到最大值，在纵桥向各断面的变化规律相同，这是由于U形加劲肋间距比较小，铺装结构在横向的刚度分布较均匀，因此受力时表现出变化一致的现象［6］。但表面最大弯沉在纵桥向的最小峰值与最大相比增加了400%，则说明正交异性钢桥面板纵向刚度变化较大。比较3个荷位的受力情况，铺装层表面最大弯沉值在荷位3且纵向加载跨中位置最不利。

3　结论

针对刚柔复合铺装方案建立了局部钢箱梁结构的三维实体静力有限元模型，研究了荷载作用下铺装层的力学特性，得到如下结论。

（1）铺装层中纵向拉应力水平大于横向拉应力，且接近主拉应力值，因此可替代主拉应力，作为铺装层开裂破坏的主要控制指标。与几种传统的钢桥面铺装结构相比，铺装层整体刚度得到提高，受力的局部效应变弱。

（2）横向剪应力远大于纵向剪应力，可将其作为控制铺装层间剪切破坏的主要控制指标。

（3）通过铺装层最大挠度分析可知正交异性钢桥面板横向的刚度分布较均匀，纵向刚度变化较大。

（4）刚柔复合铺装结构纵向最大拉应力最不利荷载位置往往出现在距离横隔板0.375m处。SMA13上面层中拉应力以及铺装层与钢板间剪应力峰值均出现在横隔板位置，因此可对钢桥面板的结构构造进行优化，特别是横隔板构造，以改善复合铺装结构的受力状态，延长铺装结构的使用寿命。

［1］皮育晖，陈仕周.浇注式沥青混凝土在桥面铺装中的应用［J］.中外公路，2006（1）：155-158.

［2］姚永永.钢箱梁桥面铺装层材料与结构优化设计研究［D］.武汉：武汉理工大学，2007.

［3］中交公路规划设计院.JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［4］崔晨，孙立军.正交异性钢桥面铺装的力学分析［J］.公路工程，2010（6）：49-53.

［5］姚文奇.基于PBL连接件的钢桥面复合铺装结构静力性能分析［D］.西安：长安大学，2012.

［6］姚波，霍成军，程刚.开口加劲肋正交异性钢桥面铺装力学分析［J］.中外公路，2008（6）：141-144.

责任编辑：孙苏，李红

Mechanics Analysison Rigid-flexible Composite PavementStructureof Fabricated Steel Box GirderBridge Deck

This paper chooses rigid-flexible composite steelbox girder bridge deck as the research object，establishes a three-dimensional finite element modelof orthotropic plate and pavement to explore the distribution rule of themechanical response from the rigid-flexible composite pavementand the bridgedeck interface underwheel loads.The analysis shows that the overall stiffness of the rigid-flexible composite pavementstructure isgood，and the local effects of pavement force weakens；longitudinal tensile stress is themain control indicator of the tensile stress in the rigid-flexible pavement composite；thestiffnessmutation oforthotropic plate isprone to themaximum stress.The resultsprovide a theoreticalbasis forpavementdesign.

orthotropic plate；rigid-flexible composite pavement；finiteelement；shear connector

［TU 997］，U 443.33

A

1671-9107（2016）08-0023-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2016.08.023

2016-07-06

吴国雄（1966-），男，湖北崇阳人，博士，教授，主要从事路面结构分析与破坏机理、公路边坡治理与加固、山区公路线形设计理论与方法、道路cad和道路立交规划设计理论与方法等研究和教学工作。