界面材料參數(shù)和層間狀態(tài)對(duì)鋼橋面鋪裝體系受力的影響

趙朝華，韓 緒，李 亞

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074)

鋼橋面鋪裝是大跨徑鋼箱梁橋建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的高度重視與關(guān)注。但是橋面鋪裝尤其是鋼橋面鋪裝目前仍是世界性的難題，對(duì)于鋼橋面鋪裝，鋪裝層與鋼橋面板間界面黏結(jié)是鋼橋面鋪裝的重點(diǎn)和難點(diǎn)［1-3］。

界面黏結(jié)的意義在于使黏結(jié)的兩個(gè)結(jié)構(gòu)層在界面上保持一致的變形，使得被黏結(jié)的兩個(gè)物體作為一個(gè)整體共同受力，但是由于被黏結(jié)的物體一般為剛度、韌性均不同的材料物質(zhì)，在外力的作用下，在界面處勢(shì)必產(chǎn)生一定的變形，被黏結(jié)物體的剛度不同將導(dǎo)致黏結(jié)結(jié)構(gòu)層的兩個(gè)接觸界面并不是處于完全一致的變形，由此產(chǎn)生一定的剪切和受拉作用，因此界面必須具有足夠的黏結(jié)來抵抗外力對(duì)于界面產(chǎn)生的剪切，受拉作用。

由于界面黏結(jié)的重要性，有必要對(duì)鋼橋面鋪裝的層間界面進(jìn)行分析，找出鋼橋面鋪裝層間界面受力規(guī)律，從而達(dá)到指導(dǎo)層間界面材料選取、設(shè)計(jì)和施工的作用。

1 有限元分析模型的建立

鋼箱梁本身是由鋼板、橫隔板、縱隔板和縱肋組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，具有正交異性的特點(diǎn)，同時(shí)橋面鋪裝又采用與鋼材本質(zhì)不同的鋪裝材料，鋼橋面鋪裝具有復(fù)雜的幾何性與材料勻質(zhì)性，采用傳統(tǒng)的解析法來分析鋼橋面鋪裝非常困難。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和有限元計(jì)算的逐步成熟，借助有限元計(jì)算，來探索和摸清鋼橋面鋪裝的基本受力規(guī)律成為可能。

在有限元計(jì)算分析中，首先需滿足彈性力學(xué)的基本假定，針對(duì)界面層受力狀態(tài)分析時(shí)，將界面層視為“真實(shí)存在”，賦予其材料參數(shù)，并根據(jù)層間接觸狀態(tài)不同對(duì)界面層進(jìn)行真實(shí)模擬。

通過對(duì)我國(guó)大跨徑鋼橋鋼箱梁橋面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)歸納［1，4-8］，總結(jié)了常用鋼箱梁橋面板結(jié)構(gòu)參數(shù)，筆者采用的鋼箱梁結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

表1 鋼橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)取值Table 1 Calculation value selection of steel box girders of steel bridge

橋面沿橫橋向取10個(gè)梯形加勁肋，沿縱橋向包括4塊橫隔板。選取的正交異性橋面板幾何模型如圖1。

圖1 鋼箱梁幾何模型Fig.1 Geometric model of stiffening rib

鋪裝層材料計(jì)算參數(shù)取值:鋪裝層總厚度取60 mm，材料彈性模量取15 000 MPa，泊松比取0.25。

計(jì)算選取標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN對(duì)應(yīng)的輪壓和車輪接觸面積，即車輪與鋪裝層的接觸面積為200 mm×180 mm，施加的輪胎壓力為 0.7 MPa［1，9-10］，溫度荷載按鋪裝層均勻降溫考慮，鋪裝層初始溫度設(shè)定為20℃，鋪裝層降溫30℃，即溫度設(shè)定為-10℃。

位移邊界條件:鋪裝層和鋼板無水平位移而允許豎向位移，橫隔板在底部固結(jié)。

網(wǎng)格劃分后的有限元幾何模型如圖2。筆者對(duì)于鋪裝的界面分析內(nèi)容包括兩個(gè)方面:一是對(duì)界面黏結(jié)層材料性能對(duì)于鋪裝結(jié)構(gòu)的影響;二是不同界面黏結(jié)層間狀態(tài)鋪裝受力狀態(tài)。界面黏結(jié)通常表現(xiàn)為剪切破壞，而溫度的變化又是引起界面層產(chǎn)生剪切破壞的主要原因，因此分析計(jì)算需考慮溫度荷載作用，計(jì)算荷載取溫度荷載和車輛荷載同時(shí)作用下的復(fù)合荷載。

圖2 有限元計(jì)算幾何模型Fig.2 Finite element computational geometry model

2 界面層材料參數(shù)對(duì)鋪裝體系受力的影響

理論上講，界面黏結(jié)目的在于使要接觸的兩個(gè)結(jié)構(gòu)層在接觸界面處保持一致的變形，即界面處需滿足變形協(xié)調(diào)條件。界面黏結(jié)層的彈性模量是反應(yīng)材料變形性能的一個(gè)重要指標(biāo)，彈模大說明材料較剛，彈模小說明材料較柔，界面的黏結(jié)作用發(fā)揮與界面厚度、界面層的材料性能均有密不可分的關(guān)系。為了更為準(zhǔn)確的對(duì)界面層進(jìn)行研究分析，需將界面黏結(jié)層作為存在的一個(gè)結(jié)構(gòu)層進(jìn)行有限元模擬分析。

2.1 界面黏結(jié)層材料彈性模量的變化

鋼橋面鋪裝中常用界面劑材料有高黏度瀝青、改性瀝青、環(huán)氧瀝青、橡膠瀝青等。隨著膠黏材料的發(fā)展，目前界面劑材料逐步趨于多樣化，多種高分子聚合物材料也逐步應(yīng)用于鋼橋面鋪裝的界面黏結(jié)層材料。界面劑材料的研究和選擇也就趨于多樣化，但不同材料具有不同的彈性模量，因此分析界面黏結(jié)材料不同彈性模量對(duì)鋪裝體系受力的影響對(duì)于界面劑材料的選擇和鋪裝體系的受力狀況分析具有重要意義。

分析界面黏結(jié)層彈性模量變化對(duì)鋪裝體系受力影響時(shí)，鋪裝層和界面層均假定處于完好無損狀態(tài)，界面黏結(jié)層厚度不變，參照實(shí)際調(diào)查和測(cè)量，界面黏結(jié)層計(jì)算厚度取為1 mm。隨著界面黏結(jié)層材料彈性模量變化，在車輛荷載和降溫荷載的復(fù)合作用下，鋪裝體系受力情況見表2。由表2可知，隨著界面黏結(jié)層材料彈性模量的增加，鋪裝層的拉應(yīng)力沒有受到顯著影響;界面層的最大應(yīng)力(拉應(yīng)力和剪應(yīng)力)隨著鋪裝層材料彈性模量的增加而增加，但其最大應(yīng)變(拉應(yīng)變和剪應(yīng)變)隨著鋪裝層材料的彈性模量的增加而減小，且當(dāng)界面材料彈性模量較低時(shí)(1 000～5 000 MPa)，界面層的最大應(yīng)變隨材料模量增加而減小的幅度較快，當(dāng)界面層材料模量超高6 000 MPa后，應(yīng)變減小幅度趨緩。

表2 不同界面彈性模量下鋪裝層和界面層應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 2 Stress calculation results of the pavement and the interface layer under different elastic modulus of interface materials

在實(shí)際界面材料研發(fā)中，界面黏結(jié)層彈性模量的提高既具有一定的難度又可能由于模量過高帶來材料成本的增加，因此6 000 MPa對(duì)于鋼橋面界面黏結(jié)材料是一個(gè)重要的控制關(guān)鍵點(diǎn)。筆者所在課題組研發(fā)的改性聚合物界面黏結(jié)材料，其彈性模量控制在6 000 MPa左右，實(shí)現(xiàn)了較好的界面黏結(jié)效果。

2.2 界面黏結(jié)層厚度的變化

鋼橋面鋪裝中，界面黏結(jié)層的涂刷量的控制是界面層施工中的重要控制指標(biāo)，而界面黏結(jié)涂刷量與界面黏結(jié)層厚度密切相關(guān)，因此本節(jié)關(guān)于界面黏結(jié)層厚度變化對(duì)于鋪裝體系受力影響的計(jì)算分析主要用來指導(dǎo)界面黏結(jié)層的施工。

界面黏結(jié)層厚度變化時(shí)，仍假定鋪裝層和界面層處于完好無損狀態(tài)，界面黏結(jié)層材料參數(shù)固定不變，其彈性模量統(tǒng)一為6 000 MPa，泊松比為0.3。隨著界面黏結(jié)層厚度的變化，在車輛荷載和降溫荷載的復(fù)合作用下，鋪裝體系受力情況計(jì)算見表3。

表3 界面黏結(jié)層厚度不同時(shí)鋪裝層和界面層應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 3 Stress calculation results of the pavement and the interface layer under different thickness of interface materials

由表3可見，隨著界面層厚度的增加，鋪裝層最大拉應(yīng)力基本不變，說明界面黏結(jié)層厚度的變化對(duì)鋪裝層最大拉應(yīng)力并無顯著影響。隨著界面黏結(jié)層厚度的增加，界面層最大拉應(yīng)力和界面最大剪應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，這說明界面黏結(jié)層厚度的適當(dāng)增加有利于界面層的受力狀態(tài)的改善。

在工程實(shí)際中，可以根據(jù)工程造價(jià)和受力分析，對(duì)界面黏結(jié)厚度進(jìn)行選擇，從而確定界面黏結(jié)層的單位面積涂刷量。

3 層間狀態(tài)對(duì)鋪裝層及界面層受力影響

鋪裝層與鋼橋面板之間的層間界面有層間黏結(jié)和層間分離兩種層間狀態(tài)，層間分離又稱為層間脫空，層間的分離(脫空)根據(jù)分離程度的不同分為兩種情況，即間隔性脫空和大面積連續(xù)脫空，層間的分離通過對(duì)界面層單元的殺死進(jìn)行模擬。不同界面層間狀況下，鋪裝體系的受力情況見表4。

由表4可見，界面脫空對(duì)于鋪裝體系受力具有顯著影響。在全界面脫空條件下，鋪裝層拉應(yīng)力是界面完好狀態(tài)的3倍以上，但由于界面處于脫空狀態(tài)，界面層內(nèi)就不存在界面剪應(yīng)力和界面拉應(yīng)力。當(dāng)界面處于部分脫空時(shí)，若脫空區(qū)域連續(xù)，鋪裝層的拉應(yīng)力以及界面層的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力均顯著增大，而當(dāng)界面處于間隔性的部分脫空時(shí)，鋪裝體系受力并沒有過大的改變，這說明界面部分脫空時(shí)需根據(jù)界面脫空的狀況來判斷界面脫空的影響，也即界面處于連續(xù)性脫空時(shí)，界面的脫空才對(duì)鋪裝體系受力具有顯著影響。當(dāng)界面屬于連續(xù)性脫空，甚至全面脫空時(shí)，鋪裝體系的最大拉應(yīng)力發(fā)生在鋪裝層底面，而界面完好黏結(jié)時(shí)，或者界面屬于間隔性部分脫空時(shí)，鋪裝層最大拉應(yīng)力發(fā)生在荷載位置附近的鋪裝層頂面。

表4 鋪裝層與鋼橋面板的界面層間狀況對(duì)鋪裝體系受力影響計(jì)算結(jié)果Table 4 Stress calculation results of the pavement system influenced by inter-layer condition between the pavement and steel bridge deck

4 結(jié)論

通過對(duì)鋼橋面界面黏結(jié)的計(jì)算分析，可以得到如下結(jié)論:

1)界面黏結(jié)材料彈性模量和厚度的變化對(duì)于鋪裝層材料受力沒有顯著影響，對(duì)于界面層本身所受的應(yīng)力、應(yīng)變具有一定的影響。

2)界面層間接觸狀態(tài)的改變顯著影響鋪裝體系的受力，尤其在界面出現(xiàn)大面積連續(xù)脫空時(shí)，鋪裝體系受力更為不利，但界面出現(xiàn)間隔性脫空，單塊脫空面積較小(脫空區(qū)域?qū)挾鹊陀?0 cm)時(shí)，對(duì)鋪裝體系受力影響并不顯著。

3)界面實(shí)現(xiàn)黏結(jié)時(shí)，鋪裝層最大拉應(yīng)力發(fā)生在鋼箱梁腹板、縱肋或橫隔板處的鋪裝層頂面，而層間界面脫空后，鋪裝層的最大拉應(yīng)力發(fā)生在鋪裝層底面。

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