钢箱梁桥线形参数对组合铺装体系受力的影响

李阿蒙， 韩大勇

(中电建路桥集团有限公司, 北京 100083)



钢箱梁桥线形参数对组合铺装体系受力的影响

李阿蒙， 韩大勇

(中电建路桥集团有限公司, 北京 100083)

针对郑州市陇海路市政曲线钢箱梁桥组合铺装结构，采用有限元分析方法，建立曲线钢箱梁局部梁段有限元模型，计算分析钢箱梁桥面铺装结构在不同线形条件下的力学特性变化规律，为钢箱梁桥及铺装结构设计提供一定的参考。

钢箱梁桥； 组合铺装； 有限元模型； 线性条件； 力学特性

近年来，随着我国城市化进程的推进，城市交通拥堵问题成为社会最为关注焦点之一。高架路作为城市扩展道路空间，缓解交通压力的有效手段，在城市建设中应用越来越广泛。在城市高架路的互通匝道工程中，曲线梁桥是实现各方向交通连接的必要手段。由于钢箱梁具有跨越能力强、构件质量轻、运送和拼装方便、施工周期短等优点，在互通匝道曲线桥中应用越来越多。然而，目前钢箱梁桥面铺装技术体系还不完善，我国部分已建成的钢桥面铺装在服役期内大都出现了病害。据调查显示，由于层间粘结性能不足引起的铺装层推移、拥包病害表现最为严重。尤其是大纵坡小半径的匝道桥，在车辆行驶以及频繁起制动引起的水平力作用下，铺装结构层间容易产生较大剪应力，当剪应力超过层间剪切强度时，就会产生相对位移而发生剪切破坏。因此，有必要研究线形条件对钢箱梁桥面铺装结构力学特性的影响规律，为钢箱梁桥及铺装结构设计提供一定的参考。

1 工程概况

郑州西三环陇海路立交桥位于西三环和陇海路交叉口，为郑州市西三环快速化工程的重点工程。在陇海路立交桥中，ES匝道曲线半径为65 m，其跨径布置为(31+56+31=118) m，横坡为2%，纵坡5%，对于这样跨度大、曲线半径小的立交匝道桥采用钢箱梁结构。钢箱梁采用单箱双室，顶板采用I型加劲肋，底板采用竖向加劲，腹板和横梁采用水平加劲，其箱室布置与钢筋混凝土连续箱梁标准截面相似。钢箱梁桥面铺装采用“钢纤维混凝土(SFRC)-双层沥青混凝土”组合结构，其中沥青混凝土铺装上层采用AC-13C沥青混凝土，下层采用AC-16C沥青混凝土，具体结构如图1所示。

图1 钢箱梁桥面铺装结构示意

2 计算模型

郑州西三环陇海路立交桥钢箱梁桥面铺装采用“钢桥面板-钢纤维混凝土-双层沥青混凝土”组合结构，其中沥青混凝土铺装上层采用AC-13C沥青混凝土，下层采用AC-16C沥青混凝土。分析模型中桥面顶板、加劲肋、纵隔板以及横隔板弹性模量为2.2×105MPa，泊松比为0.25；铺装上层的AC-16C沥青混凝土厚度为5 cm，弹性模量为1 000 MPa；铺装下层的浇AC-13C沥青混凝土厚度为4 cm，弹性模量为1 200 MPa，铺装上下层泊松比为0.35；钢纤维混凝土厚度为12 cm，弹性模量为5×104MPa，泊松比为0.15，曲线钢箱梁曲线半径为65 m；横坡为2 %，纵坡为5 %。钢箱梁模型具体几何尺寸见表1。

表1 钢箱梁模型细部尺寸 mm

有限元模型包括铺装层、上下底板、纵横隔板、纵向加劲肋，横向加劲肋，I型肋等。桥面铺装层采用Solid45单元模拟，桥面板采用Shell163单元模拟，AC-13C与AC-16C，AC-16C与钢纤维混凝土(SFRC)，钢纤维混凝土(SFRC)和钢箱梁桥面板间采用接触单元模拟，桥面铺装结构受力计算模型如图2所示。

图2 桥面铺装受力计算模型

计算的车辆荷载依据JTG D60-2004《公路桥梁设计通用规范》，采用公路-I级550 kN级的重车，行车荷载为双轮组单轴载140 kN，一个后轴车轮着地宽0.6 m，着地长度为0.2 m，只取后轴的一个双轮的作用，每个轮重70 kN，并考虑1.3的冲击系数，则每个车轮作用在桥面的均布荷载为0.758 MPa。

3 线形条件对组合铺装结构力学特性影响分析

3.1 桥面纵坡对组合铺装结构力学特性的影响

取桥梁曲线半径为65 m，横坡为2 %，分析桥面纵坡分别为0，1 %，2 %，3 %，4 %，5 %，6 %，7 %，8 %时，比较分析组合铺装各层拉应力及层间剪应力的变化规律，计算结果如图3所示。

从图3可知，随着桥面纵坡坡度的增大，组合铺装各层的最大横向拉应力、最大纵向拉应力以及最大剪应力均呈现逐渐增大的趋势。在不同桥面纵坡条件下，从图3(a)可知，AC-13C层横向拉应力值均为最大，AC-16C层较大，SFRC层最小。从图3(b)可知，AC-13C层纵向拉应力值均为最大，AC-16C层较大，SFRC层最小。从图3(c)可知，SFRC和钢桥面层间剪应力均为最大，AC-16C和SFRC层间剪应力较大，AC-13C和AC-16C层间剪应力最小。

3.2 桥面横坡对组合铺装结构力学特性的影响

取桥梁曲线半径为65 m，纵坡5 %，在组合铺装结构受到最不利荷载作用下，改变桥面横坡比较分析组合铺装各层拉应力及层间剪应力的变化规律，计算结果如图4所示。

从图4可知，随着桥面纵坡坡度的增大，组合铺装各层的最大横向拉应力、最大纵向拉应力以及最大剪应力均呈现逐渐增大的趋势。在不同桥面横坡条件下，从图4(a)可知，AC-13C层横向拉应力值均为最大，AC-16C层较大，SFRC层最小。从图4(b)可知，AC-13C层纵向拉应力值均为最大，AC-16C层较大，SFRC层最小。从图4(c)可知，SFRC和钢桥面层间剪应力均为最大，AC-16C和SFRC层间剪应力较大，AC-13C和AC-16C层间剪应力最小。

3.3 曲线半径对组合铺装结构力学特性的影响

取桥面横坡为2 %，纵坡5 %，在组合铺装结构受到最不利荷载作用下，改变桥面曲线半径，比较分析组合铺装各层拉应力及层间剪应力的变化规律，计算结果如图5所示。

图3 不同桥面纵坡度对组合铺装结构应力影响规律

从图5可知，随着桥面曲线半径的增大，组合铺装各层的最大横向拉应力、最大纵向拉应力以及最大剪应力均呈现逐渐减小的趋势。在不同曲线半径条件下，从图5(a)可知，AC-13C层横向拉应力值均为最大，AC-16C层较大，SFRC层最小。从图5(b)可知，AC-13C层纵向拉应力值均为最大，AC-16C层较大，SFRC层最小。从图5(c)可知，SFRC和钢桥面层间剪应力均为最大，AC-16C和SFRC层间剪应力较大，AC-13C和AC-16C层间剪应力最小。

图4 不同桥面横坡对组合铺装结构应力影响规律

4 结论

通过建立有限元模型，计算分析曲线钢箱梁坡度和曲线半径对组合铺装结构的受力影响，由分析计算结果可知：

(1)在不同桥面纵坡、横坡、曲线半径条件下，AC-13C层纵、横向拉应力值均为最大，AC-16C层较大，钢纤维混凝土(SFRC)层最小；SFRC和钢桥面层间剪应力均为最大，AC-16C和SFRC层间剪应力较大，AC-13C和AC-16C层间剪应力最小。

(2)钢箱梁桥面纵横坡、曲线半径等线形条件对组合铺装各层的最大横向拉应力、最大纵向拉应力以及最大剪应力影响明显，故在设计钢箱梁桥时，应综合考虑钢箱梁桥铺装体系受力情况，合理选择线形参数。

图5 不同桥面曲线半径对组合铺装结构应力影响规律

[1] 崔海军. 铺装层正交异性钢桥面板有限元分析[J]. 应用力学学报,2011(9).

[2] 赵锋军,李宇峙. 匝道钢桥面沥青铺装简化设计方法[J]. 公路交通科技,2009(12).

[3] 李雪连,陈宇亮,周志刚,等.正交异性钢桥面新型复合铺装结构研究[J].公路交通科技,2010(1).

[4] 李昶.大跨径钢箱梁桥面铺装深入研究[D].东南大学，2002.

[5] 胡光伟,黄卫,张晓春.润扬大桥钢桥面铺装层力学分析[J].公路交通科技,2002,19(4).

[6] 潘友强,郭忠印.大纵坡小半径钢桥面沥青铺装设计研究[J].同济大学学报:自然科学版,2012(9).

李阿蒙(1988～)，男，硕士，在职博士，工程师，研究方向为边坡稳定分析理论及新型支护技术的开发应用；韩大勇(1982～)，男，硕士，工程师，研究方向为公路工程施工技术。

U443.33

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[定稿日期]2016-06-13