大跨徑鋼橋橋道系協同作用試驗模型研究

夏國星，錢振東，陳 春，劉 龑

(1.江蘇省公路長江大橋建設指揮部，江蘇泰州 225321;2.東南大學智能運輸系統研究中心，南京 210096)

1 前言

橋梁結構模型試驗研究是確定或探索復雜橋梁結構受力狀態的重要手段之一。超大跨連續大柔度橋面板與鋪裝系協同作用的關系復雜，涉及的影響因素眾多［1，2］，因此采用模型試驗研究超大跨大柔度橋面板與鋪裝系協同作用關系具有現實可行性和客觀必要性。

目前，國內外對橋面板與鋪裝系協同作用模型的試驗研究主要集中于復合梁體系［2～4］。該體系與正交異性板鋼橋面鋪裝受力特性較為相似，且試驗較為方便，應用較廣。但由于模型簡易，并不能較為真實地反映鋪裝的實際工作狀況。文章采用應力等效來進行橋面板與鋪裝層協同作用試驗模型研究，設計的思路如下:

1)在整橋力學分析的基礎上，將整橋力學響應作為邊界條件，建立帶橋面鋪裝的局部梁段模型，計算車載作用下局部梁段模型鋪裝層的力學響應。

2)初擬橋面板與鋪裝層協同作用試驗模型方案，并建立初擬方案的有限元仿真模型。計算在車載作用下初擬協同作用試驗模型方案的鋪裝層力學響應。

3)以車載作用下局部梁段模型鋪裝層的應力響應作為參考值，依據應力等效準則，通過改變協同作用模型中結構參數、模型邊界條件、試驗荷載大小等指標，修正協同作用試驗模型初擬方案，使修正后方案模型的鋪裝層應力響應與局部梁段模型計算得出的參考值相近。從而得到合適的橋面板與鋪裝層協同作用試驗模型。

2 考慮整橋變形的局部梁段鋪裝仿真計算

2.1 計算模型

通過整橋模型計算得出泰州大橋最不利梁段(局部精細模型的邊界部位)的位移及內力;建立局部梁段仿真模型，將整橋模型位移響應作為邊界條件，采用線性插值法將其施加到局部模型相應的位置。建立考慮整橋變形的局部梁段鋪裝仿真模型包含4個標準鋼箱梁段，全長64 m，寬39.1 m，局部梁段模型主要構件幾何尺寸根據實際狀況選取，頂板厚14 mm，U肋厚6 mm。根據泰州大橋鋼橋面鋪裝材料和鋪裝結構研究提出的鋪裝方案，局部梁段鋪裝仿真模型采用了如下方案:3.5 m澆注式瀝青混凝土(下層)+2.5 cm環氧瀝青混凝土(上層)。

2.2 荷載參數

參考潤揚大橋和江陰長江大橋的交通調查數據［5］以及泰州大橋的交通預測數據，從安全角度考慮，后文的研究中分析計算時超載比取1.5，采用軸載150 kN、胎壓1.05 MPa作為鋪裝層荷載，計算時考慮30%的沖擊系數，單側輪總重為97.5 kN。大量的計算結果表明［6，7］，當鋼板的模量和瀝青混凝土鋪裝層模量的比值n≥50時，荷載的橫向最不利荷位為荷載中心落在加勁肋側肋的正上方，因此以該位置作為鋪裝層復合結構力學響應的橫向計算荷位。為分析計算考慮，取輪胎著地的形式為矩形，計算模型采用雙輪矩形均布荷載。有限元模型及車載示意圖見圖1。

圖1 局部梁段及車載示意圖Fig.1 Local box girder FEM model and wheel load diagram

2.3 車輛荷載作用下鋪裝層力學響應結果

在車載作用下，計算考慮整橋變形的局部梁段鋪裝仿真模型鋪裝層力學響應，模型中鋪裝應力分布，如圖2所示。表1列出了考慮整橋結構力學響應的局部梁段鋪裝仿真模型分析結果。結果表明，比只考慮局部梁段模型計算結果大17%，可以認為泰州大橋的整橋變形對鋪裝層局部受力的影響系數為1.17。

圖2 局部梁段鋪裝仿真模型應力分布圖Fig.2 Stress distribution of pavement on local box girder FEM model

表1 局部梁段鋪裝仿真模型力學響應結果Table 1 The mechanical response results of pavement on local box girder FEM model

為保證設計的協同作用試驗模型與原型的一致性，在雙輪荷載作用位置附近另選取5個具有代表性的點位(如圖3所示):點位1為荷載輪跡中點，點位2為雙輪荷載輪隙中點，點位3、4、5為輪跡各方向外延。由于雙輪荷載的對稱性，故而參考點位只取了單側。局部梁段鋪裝仿真模型在相應點位鋪裝層的應力、應變值如表2所示。要求設計的協同作用試驗模型在代表性點位鋪裝層的應力、應變值與局部梁段鋪裝仿真模型在相應點位的值相近。

圖3 模型力學響應代表性點位分布圖Fig.3 The map of representative points of the mechanical response

表2 局部梁段鋪裝仿真模型在相應點位鋪裝層的力學響應值Table 2 The mechanical response of the representative points of pavement on local box girder FEM model

3 橋面板與鋪裝層協同作用模型設計

以表1所列出的荷載作用下局部梁段鋪裝仿真模型的鋪裝層最大應力和最大應變作為主要參考值，對設計的協同作用試驗模型進行修正，要求設計的協同作用試驗模型鋪裝層的最大應力和最大應變響應值與參考值相近。同時為檢驗協同作用實體單位模型的整體相似性，將協同作用模型的鋪裝層在代表性點位應力值與表2所列參考值進行比較。

3.1 初擬模型方案

綜合考慮模型制作的力學邊界條件、尺寸效應、加載條件以及試驗條件等各種因素的影響，決定從泰州大橋鋼箱梁整體結構中取出典型受力節段縱向長3.2 m、橫向寬 2.4 m，包括橋面頂板、U 型肋、橫隔板和鋪裝層的結構作為橋面板與鋪裝層協同作用試驗初始模型。初始模型主要構件幾何尺寸、材料參數與局部梁段鋪裝仿真模型一致，按照實際尺寸選取。根據橫隔板布置和邊界條件的不同，橋面板與鋪裝層協同作用初始模型包括兩種方案。模型方案一:橫隔板位于模型中部，且與地面不接觸，模型沿縱向兩端簡支，如圖4所示;模型方案二:橫隔板位于模型兩端，并且由于模型沿縱向兩端固結，所以橫隔板不可移動，如圖5所示。

3.2 模型方案試算

建立橋面板與鋪裝層協同作用試驗模型方案的三維有限元模型，模型主要構件的初始幾何尺寸、材料參數與實際一致。建立的橋面板與鋪裝層協同作用試驗模型方案的三維有限元模型如圖6所示。

圖4 模型方案一示意圖(單位:cm)Fig.4 Diagram of the first model program(unit:cm)

圖5 模型方案二示意圖(單位:cm)Fig.5 Diagram of the second model program(unit:cm)

圖6 模型方案的三維有限元模型圖Fig.6 3 －D FEM model of the model program

經過反復修改模型主要構件幾何尺寸、加載荷位、荷載大小等參數，試算不同模型參數對應的鋪裝層應力、應變響應值，使得模型的鋪裝層最大應力、應變值與采用局部梁段鋪裝仿真模型計算得到的參考值相近，計算所得應力、應變見表3。

表3 修正后協同作用模型方案的鋪裝層最大應力、應變值Table 3 The maximum value of the stress-strain on the synergistic FEM model after correction

修正后，模型方案一頂板鋼板厚度為6 mm、橫隔板厚度為6 mm、加勁肋厚度為4 mm，試驗荷載為0.775 MPa，荷載位于距橫隔板 0.213 m，其他模型參數按初始值不變;模型方案二頂板鋼板厚度為7 mm、橫隔板厚度為10 mm、加勁肋厚度為6 mm，試驗荷載為0.707 MPa，荷載位于距橫隔板0.107 m，其他模型參數按初始值不變。

為檢驗協同作用實體單位模型的整體相似性，同時計算模型鋪裝層在代表性點位的應力、應變響應值，結果如表4所示，并將其與表3所列參考值進行對比。

表4 修正后協同作用模型方案的鋪裝層在代表性點位的應力、應變值Table 4 The stress-strain on the representative points of the synergistic FEM model

對比表中的數據與采用局部梁段鋪裝仿真模型計算得到的參考值，可以發現修正后的協同作用試驗模型鋪裝層的最大拉應力、拉應變與局部梁段鋪裝仿真模型計算得到的參考值相差不大。其中，模型方案一中各點位橫向應力值與參考值相差均在2%以內，模型方案二中各點位橫向應力值與參考值相差均在3%以內;而模型方案二中各點位縱向應力值與參考值更為相似。

4 模型方案確定

通過前面部分的計算分析，推薦采用以下兩種試驗模型方案進行超大跨連續大柔度橋面板與鋪裝系協同作用關系研究。最終結構尺寸值見表5，其結構設計方案見圖7。

表5 協同作用模型主要構件幾何尺寸Table 5 Geometric dimensions of the main components of the synergistic experimental model

圖7 模型方案正交異性橋面板結構圖(單位:mm)Fig.7 Model program’s orthotropic bridge deck structure diagram(unit:mm)

5 結語

利用有限元建立了考慮整橋變形的局部梁段及協同作用試驗模型，并以局部梁段的結果為參考值，對試驗模型結構尺寸進行了修正。修正后，橋道系協同作用試驗模型與局部梁段鋪裝仿真模型中鋪裝的應力響應具有較好的相似性，能夠較準確地反映超大跨連續大柔度橋面板與鋪裝系協同作用關系。但在試驗模型研究中未考慮鋪裝材料的粘彈塑性;且試驗模型較大，鋪裝成型及試件加載較為困難。

［1］Chen Xianhua，Huang Wei，Qian Zhendong.Interfacial behaviors of epoxy asphalt surfacing on steel decks［J］.Journal of Southeast University(English Edition)，2007，23(4):594－598.

［2］陳先華.基于復合梁的鋼橋面鋪裝層疲勞特性研究［D］.南京:東南大學，2006.

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［6］錢振東，黃衛，等.車載作用下大跨徑纜索支承橋橋型對鋪裝層受力的影響研究［J］.中國工程科學，2006，8(8):35－41.

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