正交異性板橋面鋪裝受力影響因素分析

崔 晨，孫立軍，劉黎萍

(同濟大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，上海201804)

大跨徑鋼橋面鋪裝一直是世界工程技術(shù)難題，其力學(xué)機理包含道路設(shè)計和橋梁設(shè)計兩個方面。許多國內(nèi)鋼橋面鋪裝在使用年限內(nèi)發(fā)生縱向裂縫、網(wǎng)裂、脫層、車轍等破壞［1－2］，原因除了橋面鋪裝的使用環(huán)境較普通路面鋪裝更為惡劣以外，更主要在于由正交異性板作為支撐的鋼橋面鋪裝在受力上的特殊性，及國內(nèi)大跨度鋼橋作為交通干道所經(jīng)受的大量超載作用。目前國內(nèi)外在橋面鋪裝的設(shè)計中，仍舊偏重于材料設(shè)計，尚未能較好地考慮正交異性板力學(xué)因素對鋪裝的影響。因此深入研究各種結(jié)構(gòu)及荷載因素對橋面鋪裝受力狀態(tài)的影響，可以更好地理解正交異性板橋面鋪裝體系的受力特點，從而指導(dǎo)橋面鋪裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料設(shè)計。

筆者對國內(nèi)常見的正交異性板鋪裝體系建立有限元模型，首先對正交異性板結(jié)構(gòu)因素進行敏感性分析，通過分析了解這些因素的變化對鋪裝層受力所起的作用，以供鋼橋面結(jié)構(gòu)設(shè)計作參考。然后，分析荷載因素對橋面鋪裝受力的影響，為設(shè)定允許通行的車輛荷載作參考。

1 正交異性鋼橋面鋪裝的有限元模型

根據(jù)橋面鋪裝體系局部受力的特點［3－5］，計算中取局部正交異性板體系為研究對象。模型參數(shù)設(shè)置如下:寬度取6m，包括6個加勁肋;長度取11.25m，包括3跨橋面板;面層為國內(nèi)較常見的雙層鋪裝，上層取4.0 cm厚，彈性模量1 400 MPa，下層為2.0 cm 厚，彈性模量 1 920 MPa，泊松比皆為 0.35。鋼材料的彈性模量為210 GPa;加勁肋開口寬度0.3m，閉口寬度0.17m ，肋高0.3m，鋼板厚度為8 mm，加勁肋相鄰腹板的間距為0.3m;橋面鋼板厚度取16 mm。2.1節(jié)計算中的縱隔板，在橋面板體系中的位置見圖1。計算中假設(shè)所有材料為線彈性各向同性，在模型端部設(shè)立簡支約束。計算表明，若僅考慮荷載工況位于中間跨內(nèi)時，橋面模型縱向取3跨及3跨以上長度，橫向取6個及6個以上加勁肋寬度時，邊界約束設(shè)置的不同對計算結(jié)果影響已經(jīng)很小。

模型荷載假設(shè)為雙輪矩形荷載［5］，每個矩形尺寸為22 cm ×20 cm，矩形中心相距30 cm，軸重對應(yīng)公路－Ⅰ級荷載后軸重力標準值14 t。本節(jié)模型為后文中用于比較計算的基礎(chǔ)模型。

模型計算工況設(shè)置如下:橫向設(shè)置3個荷位(圖1);縱向上從橫隔板至跨中等間距設(shè)置10個荷位(圖2)，這樣設(shè)置的3×10組荷載工況基本可以包括該橋面鋪裝體系可能出現(xiàn)的受力狀態(tài)。

圖1 橫向荷位布置Fig.1 Transverse load positions

圖2 縱向荷位布置Fig.2 Longitudinal load positions

2 正交異性板結(jié)構(gòu)因素的影響

正交異性板結(jié)構(gòu)本身較為復(fù)雜，其各個組成部件對于正交異性板體系的受力所起的作用不盡相同。采用改變某個結(jié)構(gòu)參數(shù)的同時保留其余參數(shù)不變的計算方法，研究每個結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時，鋪裝層對應(yīng)的受力變化規(guī)律。

2.1 縱隔板的影響

大跨徑鋼橋的橋面板構(gòu)造中，縱隔板通常被用于加強鋼橋面的支撐剛度?？v隔板豎向上與橫隔板相交，橫向上位于加勁肋之間，縱向上連續(xù)設(shè)置，一般正交異性板橋面僅設(shè)置少數(shù)幾道。當(dāng)車輪荷載位于縱隔板附近時，正交異性板的受力規(guī)律與沒有設(shè)置縱隔板的情況下的規(guī)律有很大的不同。以本文中模型為基礎(chǔ)，比較模型在板底中心位置有縱隔板、無縱隔板2種情況的計算結(jié)果，分析縱隔板因素對橋面受力狀態(tài)的影響?？v隔板位置的橋面板通常較厚，本計算中模型橋面鋼板厚度設(shè)為20 mm(表1)。

表1 有、無縱隔板時橋面鋪裝計算最值的比較Tab.1 Comparison of maximum results in conditions with main girder and without main girder

由表1可知，縱隔板對橋面鋪裝受力狀態(tài)影響較大，其中豎向撓度和橫向應(yīng)力的最值變化尤其明顯。2種模型下，豎向撓度的最值都發(fā)生在荷載工況(橫向荷位，縱向荷位)為(3，10)時。對比2種模型在橫向荷位3時的撓度最值(圖3)，可以發(fā)現(xiàn):在荷載位于橫隔板位置附近時，有無縱隔板對豎向撓度最值影響不大;荷載越靠近跨中位置，縱隔板對橋面板的支撐作用越明顯。無縱隔板時，橫向拉應(yīng)力最值發(fā)生在荷載中心位于加勁肋腹板頂位置時(即橫向荷位2)，有縱隔板時則發(fā)生在荷載位于縱隔板頂時(即橫向荷位1)，后者拉應(yīng)力最值大于前者;對比橫向荷位1時的橫向拉應(yīng)力最值(圖4)，說明有、無縱隔板時正交異性板體系的受力規(guī)律不同。

圖3 有、無縱隔板時豎向撓度最值的比較Fig.3 Comparison of maximum vertical deflection with main girder and without main girder

圖4 有、無縱隔板時橫向拉應(yīng)力最值的比較Fig.4 Comparison of maximum transverse tensile stress with main girder and without main girder

2.2 橋面板厚度的影響

實際上僅從橋面強度方面考慮，鋼橋面板5～6 mm厚度就能滿足需要了［6］，但考慮到鋼板過薄會導(dǎo)致橋面鋪裝受力的不利，故而現(xiàn)在正交異形板設(shè)計通常鋼板厚度在10 mm以上，以本文模型為基礎(chǔ)，分別計算模型在橋面鋼板厚度為12，16，20 mm時的受力情況，分析鋼板厚度變化對鋪裝層受力的影響(表2)。

表2 不同橋面板厚度時的橋面鋪裝最值比較Tab.2 Comparison of maximum results in different deck plate thickness

圖5、圖6是在荷載中心位于橫向荷位2(對于應(yīng)力的最不利橫向荷位)時，3個模型的橫向拉應(yīng)力最值、最大剪應(yīng)力最值(位于鋪裝層與鋼板間)的對比圖。

圖5 不同面板厚度時橫向拉應(yīng)力最值的比較Fig.5 Comparison of maximum transverse tensile stress in different deck plate thickness

圖6 不同面板厚度時剪應(yīng)力最值的比較Fig.6 Comparison of maximum shear stress in different deck plate thickness

由表2可知:橋面鋼板12 mm厚時的各項計算結(jié)果明顯大于16 mm和20 mm時。隨著橋面鋼板厚度的增大，各項最值差逐漸減小，例如12 mm與16 mm模型的橫向拉應(yīng)力最值相差0.617 MPa，16 mm與20 mm僅相差0.32 MPa，觀察圖5、圖6可以更清楚地看到上述規(guī)律?？梢?，鋼板厚度在較薄時的變化對橋面鋪裝的影響較為顯著。另外從圖中也可以看出，鋼板厚度因素僅影響各項力學(xué)指標的大小，不同厚度下正交異性板體系受力規(guī)律是相似的。

2.3 加勁肋板厚度的影響

保持本文模型不變，分別計算模型在肋板厚度為8，10，12 mm時的受力情況，分析加勁肋鋼板厚度的變化對鋪裝層受力狀態(tài)的影響(表3)。

表3 不同加勁肋板厚度時的橋面鋪裝最值比較Tab.3 Comparison of maximum results in different stiffener plate thickness

計算結(jié)果表明，鋪裝的豎向撓度最值，縱向拉應(yīng)力最值，鋪裝層底剪應(yīng)力最值都隨著加勁肋板厚的增大而減小;相比橋面板厚度，肋板厚度變化對應(yīng)力最值的影響較小。值得注意的是，橫向拉應(yīng)力最值隨著肋板厚度的增大而增大(圖7)。其原因在于:橫向拉應(yīng)力最值發(fā)生在荷載中心位于加勁肋腹板頂部位置時，此時2個輪載分別位于加勁肋腹板頂部的兩側(cè)，造成該位置鋼面板內(nèi)局部彎矩很大。當(dāng)肋板厚度增加時，加勁肋腹板對頂部的支撐剛度也增大，從而鋼板的局部彎矩更大，鋪裝層頂?shù)臋M向拉應(yīng)力也就更大。由于橫向拉應(yīng)力最值通常大于縱向拉應(yīng)力最值而被作為鋼橋面鋪裝的控制應(yīng)力，因此在設(shè)計正交異性板時要注意，加厚加勁肋在提高正交異性板承荷能力的同時也會對鋪裝受力產(chǎn)生不利影響。

圖7 不同加勁肋板厚度時橫向拉應(yīng)力最值的比較Fig.7 Comparison of maximum transverse tensile stress in different stiffener plate thickness

3 荷載因素的影響

正交異性板的結(jié)構(gòu)因素是鋼橋面鋪裝體系容易發(fā)生破壞的內(nèi)因，荷載因素則是破壞的外因。筆者既分析不同軸重作用對鋪裝層受力的影響，也分析水平荷載作用下鋪裝層的受力規(guī)律。

3.1 豎向荷載大小的影響

許多大跨徑鋼橋位于交通主干道，常常重載車數(shù)量多，超載現(xiàn)象嚴重，給鋼橋面鋪裝帶來不利影響。采用10，14，18 t三種軸重分別計算，比較在不同車輪荷載作用下，鋪裝層響應(yīng)變化的規(guī)律(表4)。

表4 不同豎向荷載下橋面鋪裝計算最值的比較Tab.4 Comparison of maximum results under different vertical loads

由計算結(jié)果可知，豎向荷載變化時，豎向撓度、拉應(yīng)力、剪應(yīng)力的最值隨荷載大致呈線性變化;在18 t軸載作用下，橋面鋪裝的橫向拉應(yīng)力最值和鋪裝層底剪應(yīng)力最值很大，而大跨徑鋼橋在實際使用中車輛軸載接近甚至大于18 t的情況并不少見，橋面鋪裝在反復(fù)處于如此高級位的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下很容易產(chǎn)生疲勞破壞。實際中，瀝青混合料的力學(xué)特性還涉及非線性，非均勻性，尚需進一步結(jié)合試驗研究才能確定超載作用下，鋪裝層的響應(yīng)規(guī)律。

3.2 水平力作用的影響

在車輛制動或啟動加速時，輪胎與地面的接觸范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的水平力。另外，在路面有較大坡度時，輪載作用也將產(chǎn)生沿路表面的水平分量。因此，對于橋面鋪裝體系，應(yīng)該考慮水平力的影響。

一般認為汽車剎車系數(shù)為0.2～0.5，考慮到水平荷載的最不利情況，取0.5作為本次計算的制動系數(shù)，即水平荷載大小為0.5倍的雙輪荷載作用力。通常的大跨徑鋼橋面縱橫最大坡度小于3%，由坡度產(chǎn)生的水平力相比啟動或制動時的力很小，可以不作計算?；诒疚哪Ｐ?，計算施加行車方向水平荷載、豎向荷載和僅施加豎向荷載2個工況，分析水平力作用對鋪裝層受力狀態(tài)的影響。由計算結(jié)果可知，水平力的作用對縱向拉應(yīng)力最值的影響十分明顯，對撓度和橫向拉應(yīng)力最值幾乎沒有影響。在受到水平力的作用時，車輪荷載后方的鋪裝層承受很大的拉力，橋面鋪裝層本身又比較薄，使得鋪裝層內(nèi)拉應(yīng)力及鋪裝層與鋼板連接處的剪應(yīng)力很大?？梢?，緊急制動雖然只是瞬間的荷載作用，所產(chǎn)生的拉應(yīng)力值卻非常大，對橋面鋪裝極為不利(表5)。

表5 有、無水平力時橋面鋪裝計算最值的比較Tab.5 Comparison of maximum results with tangential force and without tangential force

4 結(jié)論

綜上關(guān)于正交異性板結(jié)構(gòu)參數(shù)以及荷載作用與鋪裝層受力狀態(tài)的關(guān)系，有如下的結(jié)論:

1)縱隔板對正交異性板起支撐作用，能顯著減小橋面變形;增加橋面板厚、加勁肋板厚，可以減小板面撓度和大部分應(yīng)力的最值。就對撓度最值的影響而言，縱隔板 ＞面板厚 ＞加勁肋厚;就對應(yīng)力最值的影響而言，面板厚 ＞加勁肋厚 ＞縱隔板。值得注意的是，增加縱隔板會使得鋪裝層橫向應(yīng)力最值增大;加勁肋厚度的增大會對橫向荷位在加勁肋腹板頂部時的橫向應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生不利影響。

2)橋面鋪裝在全橋面的最大拉應(yīng)力位于有縱隔板的位置，比沒有縱隔板時的最大拉應(yīng)力大了20%左右，因而必須在設(shè)計時考慮將該應(yīng)力值作為設(shè)計應(yīng)力控制指標。依據(jù)對各結(jié)構(gòu)因素的分析可知，增加縱隔板、加厚加勁肋板等加強結(jié)構(gòu)的措施可能對鋪裝層受力起反作用。在設(shè)計正交異性板時，可以采用加厚鋼面板，適當(dāng)減小加勁肋厚度的措施，保證橋面板剛度變化相對較小，以減小因剛度突變引發(fā)的鋪裝層應(yīng)力集中。

3)在線彈性假設(shè)下，應(yīng)力應(yīng)變隨豎向荷載的增大的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，因而在實際中嚴格控制超載是保證鋪裝層不發(fā)生過早破壞的必要條件。剎車力會導(dǎo)致鋪裝層內(nèi)在剎車作用的瞬間產(chǎn)生極大縱向拉應(yīng)力，這就要求在材料設(shè)計時保證橋面鋪裝材料具有足夠的抗拉強度。

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