常用的3种典型桥梁结构的桥面铺装整体力学分析

郭新高

（中海建路桥建设有限公司，山西 太原 030012）

桥面铺装作为桥面系的重要保护功能层，主要起到桥梁承重结构层的保护、桥面安全性、行车舒适性等作用。因此，桥面铺装层的性能好坏与否，直接影响到桥梁结构的使用年限和车辆的行车安全舒适性。目前，桥面铺装层常见的病害有裂缝、坑槽、破碎等现象，且发生频率颇高、范围极大，从而导致桥梁结构寿命大大缩减和行车安全隐患加大[1]。

近年来，随着经济的快速增长，各等级公路的交通量增长速度极快，交通特点也不尽相同，铺装层的破坏已成为桥梁的主要病害之一[2]。为此，从力学和结构角度出发，采用有限元分析方法，对常用的几种典型桥梁结构的桥面铺装进行分析研究，以掌握铺装层的受力特点。根据荷载作用形式的不同，分别采用整体分析的模式对桥面铺装进行力学计算分析。

1 力学分析模型的建立

a）理论体系 弹性层状体系理论；

b）分析模型 有限元力学分析模型；

c）分析软件 迈达斯2015。

运用三维有限元分析方法分析荷载作用对“常用的3种典型桥梁结构”内部及铺装体系的层间应力响应。

1.1 桥梁结构主要尺寸及参数（见表1）

1.2 力学分析参数

1.2.1 40 m T梁和30 m箱梁

a）荷载等级 公路-I级；

b）车道荷载系数 2（车道荷载）×1（横向折减系数）×1.25（偏载增大系数）；

表1 常见的3种桥型结构主要尺寸及参数

c）冲击系数 40 m T梁 u=0.153；30 m箱梁u=0.211。

1.2.2 115 m连续刚构

a）荷载等级 公路-I级；

b）车道荷载系数 2（车道荷载）×1（横向折减系数）×1.15（偏载增大系数）；

c）冲击系数 u取0.05。

2 桥面铺装整体力学分析

整体力学分析中，对简支变连续预应力混凝土T梁桥、简支变连续预应力混凝土箱梁桥及连续刚构桥分别按照《规范》施加公路-I级车道荷载，得到关键截面的最大弯矩和最大剪力。在此基础上，应用材料力学方法分析截面不同高度即铺装层处的正应力或剪应力。简支变连续体系桥选用两跨连续体系为分析对象（分析表明，两跨连续体系的内力大于三跨体系，属于最不利体系）。

2.1 结构有限元单元划分

有限元结构单元为空间梁单元，以主梁轴线为基准线划分结构离散图。40 m T梁共划分30个单元，30 m箱梁共划分32个单元，连续刚构桥全桥主梁共划分74个单元，桥墩46个单元，结构有限元模型如图1～图3所示。

图1 40 m T梁结构离散图

图2 30 m箱梁结构离散图

图3 115 m连续刚构结构离散图

2.2 结构内力计算

通过影响线加载，最不利荷载位置（跨中截面和墩顶截面）的梁体结构内力见表2（弯矩使梁底下缘受拉为正，剪力使梁体顺时针旋转为正，内力正负号规定见图4）。

表2 跨中和墩顶截面内力

图4 空间梁单元局部坐标系下内力方向

2.3 正应力和层间剪应力

图5 换算截面铺装示意图

如图5换算截面铺装示意图所示，按照合力大小不变以及形心距中性轴距离不变的原则，将沥青铺装材料转换成与主梁等同的材料，铺装厚度不变[3]，宽度 b1为：

按照材料力学方法计算换算截面的面积、计算位置距中性轴距离y、截面抗弯惯性矩Iyy、铺装层面积对中性轴的净矩S，根据式（2）、（3）计算沥青铺装层的正应力和层间剪应力（式中，My为弯矩，Fz为剪力）。计算结果见表3～表8。

表3 40 m连续T梁环氧沥青铺装层正应力（拉为正，压为负）

表5 30 m连续箱梁环氧沥青铺装层正应力（拉为正，压为负）

表6 30 m连续箱梁环氧沥青铺装层间剪应力

表7 连续刚构桥环氧沥青铺装层正应力（拉为正，压为负）

表8 连续刚构桥环氧沥青铺装层剪应力

2.4 正应力和层间剪应力变化规律

a）连续梁及连续刚构跨中截面的环氧沥青铺装层承受压应力，而连续梁负弯矩区及连续刚构墩顶截面的环氧沥青层承受拉应力[4]。随着环氧沥青弹性模量的减小，环氧沥青铺装承受的正应力或剪应力逐渐减小，其减小幅度与弹性模量成正比。

b）环氧沥青铺装层上缘承受的拉应力（墩顶部位）大于下缘，当模量为4 200 MPa时，对应于铺装厚度7 cm和5 cm铺装上缘的拉应力：40 m T梁为0.276 MPa和0.273 MPa，30 m箱梁为0.203 MPa和0.199 MPa，115 m连 续 刚 构 为 0.137 MPa和0.136 MPa。

当铺装材料的抗拉强度小于铺装层中的计算拉应力时，桥面铺装表面就会产生荷载型裂缝。本计算模型中铺装层拉应力最大值为0.276 MPa。

c）环氧沥青铺装层的剪应力很小，其最大值为0.003 65 MPa（30 m箱梁墩顶部位）。7 cm环氧沥青铺装层的剪应力比5 cm环氧沥青铺装层的剪应力要相对大一些，变化幅度基本与厚度成正比。

3 结语

通过桥梁结构整体力学分析，可以得出桥面铺装层在连续梁负弯矩区产生拉应力、在跨中位置产生压应力的结论。在3种代表性桥型结构中，铺装层中最大拉应力为0.276 MPa，最大压应力为0.367 MPa，均产生于40 m T梁，4 200 MPa模量情况下。

由此说明，当铺装层沥青混合料的抗拉强度小于0.276 MPa时，桥面铺装表面就会产生荷载型裂缝，当铺装层沥青混合料的抗压强度小于0.367 MPa时，桥面铺装层就会产生挤压破坏。大量的试验数据表明，密级配沥青混凝土常温下的抗拉、抗压强度均大于1.0 MPa，因此不会在铺装层中产生荷载型裂缝和挤压破坏。