正交異性鋼橋面鋪裝體系粘結(jié)層剪應(yīng)力有限元分析

寇素霞，簡(jiǎn)家碩，李泊辰

(1.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引 言

正交異性鋼橋面板具有結(jié)構(gòu)質(zhì)輕、材料加工與架設(shè)方法簡(jiǎn)單、施工技術(shù)與周期較短等優(yōu)點(diǎn)，所以，普遍應(yīng)用于受自重影響很大的大跨度橋梁建設(shè)當(dāng)中[1-2]。正交異性鋼板橋面的橋面鋪裝技術(shù)，是大跨度鋼板橋面施工中的一個(gè)復(fù)雜而重要的技術(shù)問(wèn)題[3]。鋼板橋面鋪裝與普通路面的瀝青混凝土鋪裝有很大區(qū)別，其柔性要大與一般的橋面板，因此在重型汽車(chē)負(fù)荷影響下，橋面板的應(yīng)變范圍大，尤其在焊接和連接部位會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，會(huì)導(dǎo)致其使用壽命極大的縮減[4-5]。

鋼橋面鋪裝層是大跨徑鋼橋重要的上部結(jié)構(gòu)組分，影響著汽車(chē)行駛過(guò)程中的舒適性以及橋梁使用期間的安全性和耐久性，在投資者的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益中扮演著主要角色[6]。在初期的鋼橋結(jié)構(gòu)研究方法當(dāng)中，鋼橋面板上的鋪裝層僅僅被學(xué)者視為是均質(zhì)分布的恒載，忽略了其受力分析。然而，鋼橋面板的受力特性分析一直是鋼橋面上部結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，并不能簡(jiǎn)單的把鋪裝層視為均布荷載。近些年來(lái)，由于大跨徑鋼橋的不斷修建，鋼橋的使用功能及特性因橋面鋪裝層的破壞而降低的現(xiàn)象不斷涌現(xiàn)了出來(lái)[7]。國(guó)內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)這一現(xiàn)象開(kāi)始高度重視起來(lái)，各國(guó)道橋工作者開(kāi)始著力用力學(xué)手段嘗試揭示鋪裝體系的力學(xué)特性[8-10]。主要通過(guò)有限元數(shù)值分析方式，研究正交異性鋼橋面鋪裝體系的粘結(jié)層剪應(yīng)力特性。

1 計(jì)算模型

根據(jù)瀝青混合料鋪裝層體系與橋面系統(tǒng)之間連接部位的受力均勻及完整性，瀝青混合料鋪裝層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力開(kāi)裂現(xiàn)象及變形破壞形成機(jī)理等主要特性還分別與瀝青混合料鋼橋面板局部的連續(xù)受力狀態(tài)與抗變形沖擊性能好壞有關(guān)。選取鋼箱梁的局部橋段為研究對(duì)象，計(jì)算模型對(duì)瀝青混合料鋪裝層體系、鋼橋面板體系以及加勁肋體系都認(rèn)為是均勻、連續(xù)和各向同性的材料。圖1為鋪裝體系計(jì)算模型及行車(chē)荷載作用示意圖，計(jì)算模型由鋪裝層、鋼板層、加勁肋和橫隔板組成。

圖1 計(jì)算模型與荷載作用示意圖

2 有限元模型建立

采用國(guó)際通用可靠的有限元軟件ABAQUS，研究分析正交異性鋼橋面鋪裝體系的力學(xué)特性。選取鋼箱梁的局部橋段為研究對(duì)象，有限元計(jì)算模型如圖2所示，模型的計(jì)算主要包含分析了局部鋼箱梁橋面頂板、橫隔板、加勁肋、鋪裝層。鋼橋面板和鋪裝層之間采取不產(chǎn)生水平位移和豎向位移的控制方式作為邊界條件。由于瀝青混合料鋪裝結(jié)構(gòu)的幾何形式較為復(fù)雜，因此選取實(shí)體單元(C3D8R)進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分。

圖2 有限元計(jì)算模型

鋼材和瀝青混合料的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 材料物理力學(xué)指標(biāo)

3 結(jié)果與分析

3.1 鋪裝層厚度變化對(duì)粘結(jié)層剪應(yīng)力的影響

分析鋪裝層厚度變化對(duì)粘結(jié)層最大剪應(yīng)力的影響時(shí)，鋪裝層厚度控制在20～70 mm的范圍內(nèi)，瀝青混合料模量n分別取100、200、400，鋼板層厚度為16 mm，橫隔板間距為3.5m，厚度12 mm，加勁肋尺寸為320 mm×260 mm×8 mm。粘結(jié)層的剪應(yīng)力隨瀝青鋪裝層厚度和模量比變化的情況下其曲線形式如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著瀝青混凝土鋪裝層厚度的增加，層間剪應(yīng)力不斷增大。鋪裝層厚度變化時(shí)，最大橫向剪應(yīng)力變化規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜。鋪裝層厚度在20～70 mm范圍內(nèi)變化時(shí)，瀝青混合料鋪裝層厚度的增加會(huì)使粘結(jié)層的最大剪應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢(shì)，為反拱曲線(上凸曲線)。當(dāng)達(dá)到某一剪應(yīng)力峰值后，粘結(jié)層最大剪應(yīng)力反而出現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)，并且不同瀝青混合料模量比下，粘結(jié)層剪應(yīng)力變化曲線的峰值不同。因此，以粘結(jié)層剪應(yīng)力作為鋼橋面安全性和耐久性控制指標(biāo)時(shí)，鋪裝層厚度不宜過(guò)厚，同時(shí)要根據(jù)具體鋪裝層材料的模量范圍，避開(kāi)曲線峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的厚度值。

3.2 橫隔板間距變化對(duì)粘結(jié)層剪應(yīng)力的影響

通過(guò)改變橫隔板的間距探討鋼板與鋼橋面鋪裝層的層間剪應(yīng)力時(shí)，橫隔板分別每隔2.5 m、3 m、3.25 m、3.5 m、3.75 m、4 m、4.25 m、4.5 m的間距進(jìn)行布置，瀝青鋪裝層厚度取55 mm，瀝青混合料模量比n分別取100、200、400，鋼橋面板厚度取16 mm，橫隔板厚度取12 mm，加勁肋尺寸為320 mm×260 mm×8 mm。不同橫隔板間距和模量比下，粘結(jié)層的剪應(yīng)力如圖4示。

從圖4可以看出，粘結(jié)層剪應(yīng)力與橫隔板間距呈正相關(guān)，橫隔板間距的增大使粘結(jié)層的最大剪應(yīng)力也在不斷增大，在0.05 MPa范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)幅度較小。因此，粘結(jié)層的剪應(yīng)力的改變受橫隔板間距的作用效果不大，通過(guò)改變橫隔板的間距對(duì)控制粘結(jié)層層間的剪切破壞幾乎沒(méi)有作用。

3.3 瀝青混合料模量變化對(duì)粘結(jié)層剪應(yīng)力的影響

在分析瀝青混合料模量變化對(duì)粘結(jié)層剪應(yīng)力的影響時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果，取瀝青混合料模量比分別為700、520、400、340、250、200、100、70和50。瀝青鋪裝層厚度取55 mm，鋼橋面板厚度取16 mm，橫隔板厚度取12 mm并且每隔3.5 m布置一道，加勁肋尺寸為320 mm×260 mm×8 mm。不同瀝青混合料模量比下，粘結(jié)層的剪應(yīng)力如圖5示。

圖5 瀝青混合料模量對(duì)粘結(jié)層剪應(yīng)力的影響

從圖5可以看出，隨著瀝青混合料模量增加，最大剪應(yīng)力不斷減小。瀝青混合料模量在0～400范圍內(nèi)正交異性鋼橋面鋪裝體系的粘結(jié)層最大剪應(yīng)力的下降趨勢(shì)陡峭，下降曲線呈指數(shù)形式。瀝青混合料模量在400～700范圍內(nèi)粘結(jié)層最大剪應(yīng)力的下降趨勢(shì)平緩，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。說(shuō)明瀝青混合料模量在一定范圍內(nèi)嚴(yán)重影響正交異性鋼橋面鋪裝體系的粘結(jié)層剪應(yīng)力，瀝青混合料模量越低粘結(jié)層剪應(yīng)力就越大，瀝青混合料模量的增加會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)層剪應(yīng)力不斷減小的現(xiàn)象，到達(dá)某一值時(shí)剪應(yīng)力趨于不變。因此從剪切破壞角度來(lái)說(shuō)，在鋼橋面鋪裝體系設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮其安全性和耐久性的前提下，為避免經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)而造成不必要的材料損失，應(yīng)合理的配置瀝青混合料的模量。

4 結(jié) 論

以正交異性鋼箱梁為研究背景，選取鋼箱梁的局部橋段為研究對(duì)象，采用通用有限元軟件ABAQUS對(duì)正交異性鋼橋面鋪裝體系的剪應(yīng)力進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論。

(1)在控制橫隔板間距不變的情況下，瀝青混合料鋪裝層厚度的增加會(huì)使粘結(jié)層的最大剪應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢(shì)，為反拱曲線。并且在不同瀝青混合料模量比下，粘結(jié)層剪應(yīng)力變化曲線的峰值對(duì)應(yīng)于不同的鋪裝層厚度。

(2)在控制瀝青混合料鋪裝層厚度不變的情況下，橫隔板間距的增加會(huì)使粘結(jié)層的最大剪應(yīng)力變化曲線近似于一條水平直線，因此粘結(jié)層的剪應(yīng)力基本不受橫隔板間距的影響，通過(guò)改變橫隔板的間距無(wú)法有效的控制鋪裝層與鋼橋面板的層間剪切破壞。

(3)在控制橫隔板間距和瀝青混合料鋪裝層厚度不變的情況下，瀝青混合料模量越低粘結(jié)層剪應(yīng)力就越大，粘結(jié)層的最大剪應(yīng)力會(huì)由于瀝青混合料模量的增加而減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一值時(shí)剪應(yīng)力趨于不變。因此，通過(guò)控制瀝青混合料模量能夠有效的改變粘結(jié)層的最大剪應(yīng)力。