異形鋼橋面鋪裝受力特征研究

葉 奮 宋卿卿 王曉軍

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 200092； 2.烏魯木齊市政建設(shè)處 烏魯木齊 830000)

鋼橋面鋪裝由于需追隨橋面板變形，因此，受力復(fù)雜，容易發(fā)生病害[1-2]。城市鋼橋在使用過程中，有時受限于路線線形要求，經(jīng)常會采用曲線、非對稱橫斷面等異形鋼橋形式，如主干道與匝道連接處的匝道鋼橋[3]。異形鋼橋鋪裝相對于常規(guī)鋼橋鋪裝，受曲率、橫縱坡的影響，受力則更復(fù)雜。

正因為如此，異形鋼橋鋪裝問題受到了部分學(xué)者的關(guān)注，并進(jìn)行了相關(guān)研究。潘友強(qiáng)等[4]通過對大轉(zhuǎn)彎小半徑異形鋼橋的施工特點與使用要求進(jìn)行分析，采用ERS鋪裝體系解決了異形鋼橋鋪裝問題，但未對異形鋼橋鋪裝的受力特性進(jìn)行計算分析。趙峰軍等[5]采用疊層梁模型對匝道鋼橋進(jìn)行建模計算，分析了鋪裝的受力情況，其所采用的模型將曲橋簡化為直橋，同時通過增加4%荷載強(qiáng)度考慮縱坡影響產(chǎn)生的剪應(yīng)力，這些簡化計算方式與實橋存在一定的差異。潘良勝等[6]采用ABAQUS有限元軟件對異形匝道鋼橋進(jìn)行建模分析，但計算中仍是采用直橋模型近似計算。

綜合來看，目前對異形鋼橋鋪裝的受力特性研究還存在以下問題：①對異形鋼橋鋪裝的建模采用直橋模型近似模擬；②分析時，鋪裝類型多選用瀝青等柔性鋪裝，對剛性鋪裝，如水泥混凝土鋪裝的研究較少；③計算后的結(jié)果并未與實橋?qū)嶋H受力情況進(jìn)行對比，因此，計算結(jié)果的準(zhǔn)確性不能保證。針對這些問題，本文通過采用與實橋現(xiàn)場加載試驗結(jié)果比對的方法提出更加精確的有限元建模方法，用該模型對不同鋪裝類型的異形鋼橋面鋪裝的受力特征進(jìn)行分析。

1 研究方法與現(xiàn)場試驗方法

1.1 研究方法

為了對異形鋼橋面鋪裝受力特征進(jìn)行分析，采用以下方法進(jìn)行研究。

1) 首先選取具有代表性的異形鋼橋進(jìn)行實橋參數(shù)調(diào)研，之后采用軟件ANSYS 16.0對異形鋼橋面鋪裝分別進(jìn)行直橋模型與1∶1實橋模型建模，并進(jìn)行力學(xué)分析。

2) 進(jìn)行實橋現(xiàn)場加載試驗，并將加載試驗結(jié)果與2個模型的計算結(jié)果進(jìn)行對比，選出精確性更高的模型。

3) 采用選出模型對不同類型的異形鋼橋面鋪裝受力特征、包括最不利加載位置、最大拉應(yīng)變、最大剪應(yīng)力以及豎向位移等力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析。

1.2 建模分析與現(xiàn)場加載試驗方法

為了對異形鋼橋面鋪裝有限元模型進(jìn)行修正，依托實橋工程做現(xiàn)場加載試驗，試驗方法如下。

1) 實橋選取。上海市同濟(jì)路立交EN段鋼橋具有較大的橫縱坡及曲率，且該段橋面鋪裝經(jīng)常發(fā)生損壞[7]，因此，以該橋為實體工程進(jìn)行分析。該橋為連續(xù)鋼箱梁橋，寬為9.05 m，單跨長25 m，雙向4車道。橋梁為曲線橋，半徑為65 m，橫坡為2%，縱坡為6%，鋼箱梁橫斷面為非對稱截面，見圖1。

圖1 同濟(jì)立交鋼橋橫斷面圖(單位：mm)

2) 建模方法?；谑ゾS南原理，采用有限元軟件ANSYS16.0分別建立實橋的直橋簡化模型及1∶1局部模型(稱作曲橋模型)。建模時假設(shè)鋪裝層為連續(xù)均勻各向同性的彈性體，層間接觸為完全連續(xù)接觸。根據(jù)課題組研究成果[8]，采用以下建模方法即可滿足計算精度：縱向取3個橫隔板長度，加載位置網(wǎng)格尺寸取為0.01 m，邊界條件為腹板底部、橫隔板底部全約束，端部簡支約束。采用4節(jié)點殼單元(shell 63)模擬鋼橋面板，8節(jié)點實體單元(solid 45)模擬鋪裝層。不考慮鋪裝層與鋼橋面板之間的相對滑動，通過耦合2個單元界面處的位移模擬層間連接。建模時模型基本參數(shù)見表1，直橋模型見圖2a)，曲橋模型見圖2b)。

表1 實橋有限元模型參數(shù)

圖2 同濟(jì)立交橋

3) 荷載模擬方法。車輛軸載采用等效雙輪矩形荷載，見圖3，大小為0.7 MPa，根據(jù)橫坡2%、縱坡6%，車速40 km/h計算荷載在橫向、縱向、豎向的分應(yīng)力。橫向的分應(yīng)力等于車輛離心應(yīng)力與橫坡分應(yīng)力的合應(yīng)力，計算結(jié)果為17 kN；縱向分力為6 kN；豎向分力為0.7 MPa。荷載采用等效雙輪矩形荷載。

圖3 等效雙輪矩形荷載示意圖(單位：m)

4) 鋪裝模擬方法。目前鋼橋常見的鋪裝層以瀝青類的柔性鋪裝與水泥類的剛性鋪裝為主，對這些鋪裝材料通過變換材料的彈性模量與泊松比進(jìn)行模擬。柔性鋪裝的彈性模量取值為500～15 000 MPa，泊松比為0.35，剛性鋪裝彈性模量取值為40 000～50 000 MPa，泊松比為0.25。

5) 荷載最不利加載位置的確定。試驗采用曲橋模型，鋪裝層選為瀝青鋪裝，彈性模量取值為2 000 MPa，通過變化荷載在橫縱斷面的加載位置，并對結(jié)果進(jìn)行對比分析后確定荷載最不利加載位置。首先變化橫向加載位置，保持縱向為橫隔板正上方加載，加載方法見圖4a)。對比不同位置下的力學(xué)計算結(jié)果，得到橫向最不利加載位置。隨后以橫向最不利位置為橫向加載位置，變化縱向加載位置。具體為從距第二橫隔板800 mm處開始，間隔350 mm向前遞增，直至距第三橫隔板1 150 mm處結(jié)束(見圖4b))，對比計算結(jié)果后得到縱向最不利加載位置。

經(jīng)計算，橫向荷載在位置5(雙輪矩形荷載騎跨U型肋邊緣)處產(chǎn)生最大橫向拉應(yīng)變，出現(xiàn)在鋪裝層頂，大小為202×10-6?？v向在位置4處，出現(xiàn)最大橫向拉應(yīng)變，位于鋪裝層頂，大小為202×10-6，因此，以橫向位置5、縱向位置4作為最不利加載位置進(jìn)行加載。

圖4 加載位置示意圖(單位：mm)

6) 實橋加載方法。采用最不利加載位置進(jìn)行有限元模型加載計算，對比2個模型中最大拉應(yīng)變發(fā)生的位置特征，選取實橋控制截面，并在該截面上進(jìn)行實橋光纖應(yīng)變傳感器埋設(shè)。之后通過現(xiàn)場加載試驗獲取實橋數(shù)據(jù)。實橋鋪裝采用超高性能水泥混凝土鋪裝，彈性模量為48 GPa，泊松比為0.25。實橋加載車選用標(biāo)準(zhǔn)軸載車，加載車加載位置為有限元計算所確定的最不利加載位置。

7) 不同鋪裝的力學(xué)特性研究方法：對曲橋模型、直橋模型及實橋的結(jié)果進(jìn)行對比，分析不同模型的可靠性，選取最精確的有限元模型。最后采用與實橋加載結(jié)果最接近的模型，對不同鋪裝的受力特征進(jìn)行計算分析。

2 結(jié)果分析

2.1 最不利加載位置下的有限元結(jié)果對比

為比較直橋模型與曲橋模型的精確性，首先對最不利加載位置下的2個模型的最大拉應(yīng)變發(fā)生位置進(jìn)行分析，并根據(jù)最大拉應(yīng)變發(fā)生位置確定實橋傳感器埋設(shè)位置。經(jīng)有限元計算后發(fā)現(xiàn)最大拉應(yīng)變的方向為橫向，發(fā)生在距橫隔板0.25 m的橫斷面上，取2個模型最大拉應(yīng)變位置處的橫截面應(yīng)力云圖對比，見圖5。

圖5 橫截面應(yīng)力云圖

對比圖5a)、b)的應(yīng)力云圖可知，在雙輪矩形荷載的作用下，雖然2個模型的應(yīng)力云圖的結(jié)果值大小并不相同(曲橋模型結(jié)果較大)，但是二者的受力特征表現(xiàn)卻很一致，將橫截面簡化為圖6進(jìn)行分析。二者在圖6的4個控制截面上的應(yīng)變屬性一致(拉或壓)，且最大拉應(yīng)變均出現(xiàn)在控制截面②上，最大壓應(yīng)變均出現(xiàn)控制截面①上，且所有控制截面上的極值均出現(xiàn)在表層。

根據(jù)上述結(jié)果，依據(jù)有限元模型與加載位置數(shù)據(jù)，在實橋相同位置的4個控制截面的表層鋪設(shè)光纖應(yīng)變傳感器，埋設(shè)位置見圖6，之后進(jìn)行實橋加載試驗。

圖6 控制截面與傳感器埋設(shè)位置示意圖(單位：mm)

2.2 有限元計算與實橋加載試驗結(jié)果對比

實橋鋪裝采用的是超高性能混凝土鋪裝，因此，建模計算時按照該結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，其他模型參數(shù)見表1，應(yīng)變計算結(jié)果見表2，表中應(yīng)變值正值代表拉應(yīng)變，負(fù)值代表壓應(yīng)變。

表2 2種模型的計算結(jié)果與實測值的結(jié)果對比

由表2可知，直橋模型在4個控制截面上的誤差均大于曲橋模型的相對誤差。同時直橋模型在控制截面①、②、③上的誤差結(jié)果均為負(fù)值，而曲橋模型均為正值，這說明直橋模型的計算結(jié)果均較實測值偏小，而曲橋模型的結(jié)果稍偏大?？紤]到計算結(jié)果在偏大時對于鋪裝的性能控制是偏于安全的，因此，認(rèn)為曲橋模型在精確度與可靠性兩方向均優(yōu)于直橋模型，故選用曲橋模型對異形鋼橋面鋪裝的受力特征進(jìn)行分析。

2.3 異形鋼橋面鋪裝受力特征結(jié)果分析

采用曲橋模型對不同類型的鋪裝進(jìn)行最不利加載位置下的受力特征分析，主要分析鋪裝橫向最大拉應(yīng)變、縱向最大拉應(yīng)變、層底剪應(yīng)力及豎向位移的變化規(guī)律。鋪裝層橫向最大拉應(yīng)變處的層頂拉應(yīng)變與層底拉應(yīng)變結(jié)果見圖7a)，縱向最大拉應(yīng)變處的結(jié)果見圖7b)，鋪裝層底最大剪應(yīng)力及最大豎向位移的變化結(jié)果見圖8。

圖7 拉應(yīng)變位移結(jié)果

圖8 最大層底剪應(yīng)力與豎向位移結(jié)果

1) 橫向拉應(yīng)變最大位置。由圖7a)可知，最大橫向拉應(yīng)變出現(xiàn)在鋪裝層層頂，且鋪裝層頂橫向拉應(yīng)變隨鋪裝層彈性模量的增大而逐漸減小。這說明隨著鋪裝層彈性模量增大，鋪裝層最大橫向拉應(yīng)變的值不斷減小。但層底橫向拉應(yīng)變卻隨著鋪裝層彈性模量的增大，由壓應(yīng)變逐步變化為拉應(yīng)變，且隨著鋪裝層彈性模量超過10 GPa時值趨于穩(wěn)定。這說明隨著鋪裝層的彈性模量增大，橫向拉應(yīng)變的影響范圍在逐步增大，即影響的層厚越深。

2) 縱向拉應(yīng)變最大位置。由圖7b)可知，縱向拉應(yīng)變的變化規(guī)律與橫向拉應(yīng)變類似，但相較于橫向拉應(yīng)變，縱向拉應(yīng)變的最大值相對較小。

3) 層底剪應(yīng)力結(jié)果。由圖8可知，層底剪應(yīng)力則隨彈性模量的增大先增大后減小，之后再增大，且所有類型的鋪裝的層底剪應(yīng)力結(jié)果均大于1.4 MPa。對比已有文獻(xiàn)[9]對常規(guī)直鋼橋的鋪裝計算結(jié)果，常規(guī)直鋼橋的鋪裝剪應(yīng)力值從1 MPa左右(彈性模量2 000 MPa)增長至1.58 MPa(彈性模量15 000 MPa)。異形鋼橋面鋪裝的層底剪應(yīng)力值大于常規(guī)直鋼橋的鋪裝計算結(jié)果。

4) 最大豎向位移結(jié)果。由圖8可知，最大豎向位移隨著鋪裝層模量的增大而逐漸減小，且剛性鋪裝層的豎向位移值在0.35 mm左右，僅為柔性鋪裝層豎向位移的30%～50%。

依據(jù)實橋加載結(jié)果對常規(guī)直鋼橋的鋪裝受力特征進(jìn)行分析，得到常規(guī)直鋼橋的受力特征為：最大拉應(yīng)變處的層頂拉應(yīng)變值與層底拉應(yīng)變值隨鋪裝層彈性模量的增大而呈現(xiàn)減小趨勢，而層底最大剪應(yīng)力則隨著模量的增大先減小后增大。而本文得到的異形鋼橋鋪裝的受力特征為：最大拉應(yīng)變處的層頂拉應(yīng)變值隨鋪裝層彈性模量的增大而減小，層底拉應(yīng)變則隨著鋪裝層彈性模量的增大而增大，說明拉應(yīng)變隨著鋪裝層彈性模量的增加，其影響的層厚范圍越來越大。異形鋼橋面鋪裝的層底最大剪應(yīng)力隨著模量的增大先增大后減小，之后再增大，這說明異形鋼橋面鋪裝的受力特征與常規(guī)直鋼橋的受力特征存在很多差異。

3 結(jié)語

本文采用有限元軟件，分別建立異形鋼橋面鋪裝的直橋簡化模型與1∶1曲橋模型。通過實橋加載試驗，對2個模型的可靠性進(jìn)行了驗證，之后采用可靠性更高的曲橋模型對異形鋼橋面鋪裝的受力特征進(jìn)行了計算分析，主要得到以下結(jié)論。

1) 經(jīng)過與實橋加載結(jié)果的對比，曲橋模型相比于直橋簡化模型，其誤差更小，精確度與可靠性更高，曲橋模型更適合于對異型鋼橋面鋪裝進(jìn)行力學(xué)分析。

2) 異形鋼橋面鋪裝的受力特征為：最大拉應(yīng)變處的層頂拉應(yīng)變值隨鋪裝層彈性模量的增大而減小，層底拉應(yīng)變則隨著鋪裝層彈性模量的增大而增大；最大拉應(yīng)變隨著鋪裝層彈性模量的增加，其影響的層厚范圍越來越大。異形鋼橋面鋪裝的層底最大剪應(yīng)力隨彈性模量的增大先增大后減小，之后再增大。

3) 異形鋼橋面鋪裝的受力特征與常規(guī)鋼橋面鋪裝的受力特征并不相同，在進(jìn)行鋪裝設(shè)計時應(yīng)該單獨(dú)考慮。