合六叶公路桥不等厚铺装结构的动力响应研究

罗伟平，杜江波，李 东

(1.中铁五局集团华南工程有限责任公司 东莞市 523160； 2.河南明珠工程管理有限公司 三门峡市 472000)

与普通桥面铺装结构相比，合六叶公路桥桥面铺装的形式特殊，受力情况复杂，为铺装结构的设计与服役期维养方案的制定提供指导意见，需对行车荷载作用下铺装的力学响应进行充分分析[1-2]。拟先在MIDAS CIVIL中建立整桥分析模型，对各不等厚过渡区的受力进行力学分析，并计算受力不利箱梁的边界条件；再在ABAQUS中建立局部箱梁的等比例模型，对行车荷载作用下的细部力学响应进行分析。

1 工程概况

钢箱梁桥具备施工便捷、抗扭刚度大且自重较小的特点，常被应用在中、大跨径桥梁的设计中。G312合六叶公路桥是连接合肥与六安的重要交通干线，由四座分桥组成，沿上游至下游依次为1#～4#桥，整桥以双向八车道一级公路标准建设，其主桥设计全长380m，采用100m+180m+100m的变截面连续钢箱梁方案，桥梁纵向布置如图1所示。

图1 合六叶公路桥纵桥向布置

为减轻钢箱梁的自重，并降低建造成本，合六叶公路桥钢箱梁结构的顶板创新性地采用了不等厚设计方案，沿纵桥向共设16处不等厚过渡区，厚度变化形式为1∶8线性斜坡，如图2所示。

图2 合六叶公路桥不等厚过渡形式

合六叶公路桥的上层铺装厚度设为2.5cm，下铺装层采用了与顶板对应的厚度变化形式，以保证顶板厚度+铺装结构厚度恒定为9.6cm，以2#桥与3#桥为例，汇总其顶板+桥面铺装的厚度组合，如表1所示。

表1 2#桥与3#桥箱梁顶板+桥面铺装厚度组合

对于常规钢箱梁桥，铺装结构受力不利区域主要有：跨中与支座弯曲应力较大的区域、纵横隔板上方与U型加劲肋上方。在此类区域，铺装结构受到较大的剪应力作用，在行车荷载的影响下，易产生开裂、脱层等铺装病害。合六叶公路桥不等厚结构设计特殊，除常规受力不利区域外，不等厚过渡区上方的铺装层也处于不利的受力状态。

合六叶公路桥由四座独立箱梁桥组成，其中2#与3#桥各设三条同向行车道，1#与4#桥各设一条行车道与非机动车道。本研究选取承受行车荷载最密集的2#与3#桥进行力学分析。

2 整桥力学分析

在桥梁力学分析软件MIDAS CIVIL中建立合六叶公路桥的整桥模型，将全桥离散为空间杆系单元，共131个节点、130个单元。根据设计文件，桥梁模型材料设为Q370qD，弹性模量为2.06×108kN/m2，泊松比取0.3。车道荷载采用公路-I级均布荷载10.5kN/m，共三车道；桥梁一期恒载设为109.1 kN/m，二期恒载设为40.8 kN/m。

对2#与3#整桥同时施加自重、二期恒重和车道荷载，考虑到合六叶公路桥不等厚过渡区关于跨中横断面对称，因此只提取跨中横断面一侧的不等厚过渡区的弯矩计算结果，汇总如表2所示。

表2 2#与3#桥不等厚过渡区的弯矩值

由表2可知，在车道荷载与恒载共同作用下，最大竖向正弯矩出现在距离桥头170m处的厚度变化处，弯矩值为2.12×105kN·m，此处顶层钢板厚度由22mm变化至32mm，下层铺装厚度由49mm变化至39mm；最大竖向负弯矩出现在距离桥头96m处，弯矩值为5.01×105kN·m，此处顶层钢板厚度由28mm变化至36mm，下层铺装厚度由43mm变化至35mm。弯矩值越大代表该厚度变化处的钢板更易发生相对形变，其上方的铺装结构承受更大的集中应力，更易发生开裂、脱层等铺装病害。分别截取此距离桥头96m支座附近、纵桥向长15m的不等厚处箱梁进行细部力学响应研究。

为模拟局部箱梁的实际服役条件，对整桥模型施加一期恒载与二期恒载，得到局部箱梁的边界条件为弯矩值4.06×105kN·m，竖向位移0.002m。

3 受力不利箱梁的细部力学分析

基于第2节的整桥分析结果，在有限元分析软件ABAQUS中建立负弯矩值最大的细部箱梁模型。合六叶公路桥拟采用“双层EA”铺装体系，模型中EA铺装层与顶层钢板设定为实体单元，网格属性设定为六边形-结构网格；T形肋、U形肋等箱梁结构设定为壳单元，网格属性设定为四边形为主-自由，并采用进阶算法。对局部箱梁施加第2节所得边界条件，即弯矩值4.06×105kN·m，竖向位移0.002m。

局部箱梁的主体结构为钢材Q370qD，密度7850kg/m3，在有限元模型中将其设定为各向同性的弹性材料，弹性模量取2.06×108kN/m2，泊松比取0.3；铺装层为双2.06×108kN/m2层EA，密度取2560 kg/m3，有限元模型中将其设定为各向同性的弹性材料，弹性模量取6×106kN/m2，泊松比取0.35。依据设计文件，将材料属性指派到各个构件，部分构件由壳单元建立，因此在截面指派步骤中指定各个壳单元部件的厚度，具体数据如表3所示。

表3 壳单元部件的厚度

为模拟实际行车荷载作用下不等厚过渡区铺装结构的力学响应，本研究基于Fortran语言编写DLOAD子程序来实现移动行车荷载的施加，行车荷载移动速度设为100km/h。荷载大小采用公路I级荷载后轴加载，轮胎接地压强设为1.17MPa，轮胎接地形状简化为矩形，如图3所示。

图3 简化后的车辆荷载

由于桥面直接承受车辆的荷载作用，结合正交异性板的结构特点，桥面铺装在横桥向存在三种作用荷位，即I号荷位：轮载中心施加于一加劲肋正上方；II号荷位：轮载中心施加于两加劲肋间中点的正上方；III号荷位：轮载中心施加于一加劲肋边的正上方，如图4所示。

图4 行车荷载沿横断面方向的不同位置

结合已有研究，III型荷位是正交异性板的最不利加载荷位，因此本研究直接选取III型荷位作为横桥向的加载位置[2-3]。对于合六叶公路桥不等厚特殊结构，其不等厚过渡区上的铺装是整体铺装结构的薄弱点，设从顶层钢板由薄变厚的方向为a，顶板厚度由厚变薄的方向为b，如图5所示。本研究在III号横桥向加载位置和两种纵桥向行车方向，共2种荷载作用条件下，对不等厚过渡区上铺装结构的力学响应进行研究。

图5 加载方向示意图

通过设置沿纵桥向的路径Path，输出行车荷载通过不等厚过渡区的动力响应，如图6所示。

图6 不等厚过渡区的力学响应

由图6可知，不等厚过渡区承受的应力显著大于其他区域，且铺装厚度较厚区域的受力情况明显优于铺装厚度较薄区域。在a向行车与b向行车条件下，不等厚过渡区的铺装结构均出现了应力集中现象，峰值出现在不等厚过渡区最薄的位置，横向拉应力峰值达到了1.242MPa，纵向拉应力峰值达到了1.057MPa。不等厚过渡区的横向拉应力峰值为其他区域的1.66倍，纵向拉应力峰值为其他区域的1.5倍。因此不等厚过渡区的铺装结构是合六叶公路桥整体铺装体系的薄弱环节之一，其较大的横、纵向拉应力易导致铺装结构更早出现开裂病害。

4 结论

基于合六叶公路桥的整桥力学模型与局部箱梁细部力学模型，分析了其不等厚铺装结构在行车荷载作用下的力学响应，得到以下结论：

(1)合六叶公路桥距离桥头96m处的不等厚过渡区，在整桥所有16处不等厚过渡区中受力情况最严峻，在一期、二期恒载与行车荷载共同作用下，其弯矩值达到了5.01×105kN·m。

(2)在行车荷载作用下，合六叶公路桥不等厚过渡区上铺装结构易产生较大的应力集中现象，其横向拉应力峰值达到了1.242MPa，为其他区域的1.66倍；其纵向拉应力达到了1.057MPa，为其他区域的1.5倍。

(3)合六叶公路桥铺装结构形式特殊，纵桥向的不等厚过渡区是桥面铺装结构的受力不利位置，易产生开裂病害，需在通车后对其定期检视，以保证铺装结构长期处于较好的服役状态。