寒區(qū)大跨徑斜拉橋鋼橋面雙層鋪裝力學(xué)分析

彭順顯 郭 昆 梁俊偉

(1.貴州省公路局項(xiàng)目管理處 貴陽 550003；2.青海省公路與市政鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心 西寧 810001)

引言

近年來，鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用逐步興起，以其性能好、跨度大、適用性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)成為特定環(huán)境條件下的首選，同時(shí)鋼橋中鋼材的使用解決了我國(guó)鋼材生產(chǎn)過剩的問題[1,2]。橋梁鋪裝形式以澆筑式瀝青+改性SMA、雙層環(huán)氧瀝青、雙層SMA為主[3]。無論哪種形式，實(shí)際受力層分為“上面層+下面層”[4,5]。本文采用簡(jiǎn)化模型針對(duì)這三種鋪裝進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分析，得到合理的參數(shù)。

1 工程概況及假定

海東市某主橋采用獨(dú)塔雙索面組合梁斜拉橋，跨徑布置為158.0+45.0+40.0=243.0m，寬44m。采用鋼箱梁，橋面鋪裝采用雙層體系，上下層均為35mm高彈改性瀝青SMA10，見圖1、圖2所示。

圖1 鋼梁斷面圖

圖2 橋面鋪裝結(jié)構(gòu)

研究對(duì)象考慮為局部箱梁段(包括加勁肋、鋪裝層、鋼板、橫隔板)，而非對(duì)整個(gè)箱梁進(jìn)行分析。采用以下假定[6]：(1)瀝青層和鋼面板為均勻各向同性；(2)瀝青層之間、與鋼板為完全接觸，不存在脫離或者分層；(3)不計(jì)結(jié)構(gòu)體系自重的影響；(4)邊界條件為：橫隔板底部固結(jié)瀝青層、鋼板、縱向加勁肋水平固結(jié)[7,8]。

2 結(jié)構(gòu)模型

選取一個(gè)隔斷室，隔斷箱室尺寸為：5m×10m，分別在下層鋪裝頂面和上層鋪裝頂面設(shè)置測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)對(duì)稱布置，只用測(cè)量1/4斷面，共計(jì)9個(gè)加載位置和18個(gè)測(cè)點(diǎn)，加載點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 加載以及測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位布置圖

圖4 幾何模型局部圖

縱向取四橫隔板長(zhǎng)10m，橫向取8個(gè)U肋寬5m，荷載位置取后輪軸重14t，作用在輪載區(qū)域。橋面板采用shell 63單元，鋪裝采用solid 65單元，用面荷載模擬輪載[9]，有限元模型共單元7734個(gè)，節(jié)點(diǎn)11018個(gè)，如圖4所示。模型參數(shù)及工況設(shè)定見表1～表4。

表1 模型各尺寸

表2 彈性模量變化工況

表3 厚度變化工況

表4 溫度變化工況

3 計(jì)算結(jié)果

分別計(jì)算各工況下，斷面的橫、縱向最大應(yīng)力以及鋪裝的彎沉，提取測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)見下表5所示。

表5 計(jì)算結(jié)果整理

由計(jì)算結(jié)果可知：

(1)工況1、2、3可以看出，在下面層彈性模量不變，上面層逐步提高的情況下：上面層橫向應(yīng)力幅度在14.1%、4.8%之間變化，縱向應(yīng)力幅度在28%、9.4%之間變化；而下面層的橫向應(yīng)力在97%、-7.5%之間變化，縱向應(yīng)力在-60.3%、3.3%之間變化。

(2)工況4、5、6可以看出，在瀝青整體模量逐步提高的情況下，以上面層為例：橫向最大應(yīng)力的增幅分別為14.1%、4.8%，縱向最大應(yīng)力的增幅分別為27.6%、10.3%，彎沉值的降幅達(dá)到了6.3%、2.5%；而各工況的彈性模量增幅為33.3%、12.5%；

(3)工況6、7、8，上面層厚度逐漸由3mm過渡到4mm，而其受力以及變形均未有過多變化；下面層由4mm到3mm，橫向增量幅度為16.7%、14.3%，縱向增量幅度為8.6%、7.9%。可見下面層的厚度會(huì)影響其本身的受力，厚度的變化帶來的應(yīng)力變化不容小覷。

(4)溫度的改變對(duì)彎沉的影響是線性的，變形隨著溫差的增大在逐步增大；對(duì)于鋪裝層縱、橫向應(yīng)力來說，其并非線性變化，這一點(diǎn)與彈性模量、厚度因素發(fā)生了本質(zhì)區(qū)別。

(5)從工況9、10、11的應(yīng)力變化可以看出，其每個(gè)鋪裝層均呈現(xiàn)“反彎”形態(tài)，同一工況的改變甚至出現(xiàn)了一部分凹曲線、一部分凸曲線變化。

4 結(jié)論

(1)加大材料彈模，可以間接提高面板剛度，減少頂面的橫向應(yīng)力，建議上層彈模為1450～1850MPa，下層為1550～2050MPa。

(2)下面層受力情況隨上面層變化，鋼橋面板自身剛度很大，如果上面層剛度過大，下面層將由“傳力層”變成了“軟弱層”，導(dǎo)致受力方式的突變，不利于承受由上部傳遞的剪力。因此，在設(shè)計(jì)及施工中要避免這種“上大下小”的情況，須保證下面層有足夠的厚度以及剛度。

(3)上面層受厚度影響小，下面層受厚度影響相對(duì)較大?？紤]到上面層承受路面磨耗，應(yīng)保證一定的厚度；而下面層厚度以及剛度的增加會(huì)導(dǎo)致其與鋼板聯(lián)系不夠緊密，同時(shí)過大的厚度施工難以保證其質(zhì)量，需要嚴(yán)格控制鋪裝層厚度。推薦上面層鋪裝厚度在28～36mm之間；下面層厚度在36～46mm之間；鋪裝層總厚度宜為72～86mm。

(4)考慮到寒冷地區(qū)本身的大溫差效應(yīng)，下面層始終保持低溫，而上面層受日照循環(huán)作用，上下面層之間持續(xù)處于大溫差效應(yīng)。由于溫度效應(yīng)和厚度對(duì)間應(yīng)力的協(xié)同作用，厚度增大帶來層間力減少，溫差效應(yīng)導(dǎo)致溫度應(yīng)力增大，應(yīng)力的增減效應(yīng)直接影響鋪裝的使用壽命。