鋼筋混凝土疊合梁橋面鋪裝力學(xué)分析

謝孟華

（邯鄲市交通運輸局公路勘察設(shè)計院，河北 邯鄲 056004）

0 引言

在橋面板上直接鋪裝薄層瀝青鋪裝層是橋梁建筑史上一項高難度的重要技術(shù)。目前，研究的重心一般集中在鋪裝材料以及鋪裝結(jié)構(gòu)上。國外許多國家根據(jù)本國不同的自然環(huán)境與交通負(fù)荷，提出了相應(yīng)的材料設(shè)計控制指標(biāo)、材料配方和材料設(shè)計方法等詳細(xì)的設(shè)計過程。在進行鋪裝層的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對于鋪裝層結(jié)構(gòu)的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如鋪裝層的厚度，一般從橋梁結(jié)構(gòu)特性入手，分析橋梁和瀝青鋪裝層在車輛荷載下的力學(xué)特性，揭示瀝青鋪裝層的受力特性與荷載、溫度、鋪裝層材料性質(zhì)以及橋梁結(jié)構(gòu)的特性（如橫隔板的布置、加勁肋的結(jié)構(gòu)參數(shù)、橋面板的厚度）等因素之間的對應(yīng)關(guān)系[1]，從而為鋪裝層的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。在滿足橋梁設(shè)計的同時，對橋梁結(jié)構(gòu)特別是鋼箱梁結(jié)構(gòu)作一些微調(diào)，使得鋪裝層處于更加有利的受力環(huán)境中，從而減少鋪裝層的破壞，使得大橋建設(shè)更加經(jīng)濟。本文結(jié)合我國某典型大橋鋪裝，采用有限元方法分析不同橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的受力特點。

1 工程概況

某大橋線路全長3km，寬31.5m，雙向6車道。中間三跨為210m提籃式橋面，寬38.5m。據(jù)調(diào)查，該大橋主跨為3孔188m提籃式鋼拱-結(jié)合梁組合體系，下部結(jié)構(gòu)采用近V形薄壁墩。

該大橋結(jié)合梁主梁鋪裝擬采用以下三種結(jié)構(gòu)：

（1）方案1：4.5cm SMA—13改性瀝青混凝土+3.5cm澆注式瀝青混凝土+橋面防水層；

（2）方案2：4cm環(huán)氧瀝青混合料+4cm環(huán)氧瀝青混合料+橋面防水層；

（3）方案3：4.5cm SMA—13改性瀝青混凝土+3cm環(huán)氧瀝青混合料+橋面防水層。

2 有限元模擬

2.1 建模的考慮因素

盡管用有限元方法來分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本原理與方法與一般固體力學(xué)中的有限元分析是相同的，但又有其特殊性，即合理的進行結(jié)構(gòu)離散。因為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由鋼筋與混凝土兩種不同的材料所組成，在建立鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元模型時，必須考慮材料的不均勻性和下列各因素的影響[2]：

（1）一般鋼筋被包圍在混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中，相對體積較小；

（2）混凝土應(yīng)力應(yīng)變的非線性性能及在復(fù)合應(yīng)力作用下的本構(gòu)關(guān)系；

（3）由于混凝土受拉性能很差，開裂荷載較小，而且裂縫會連續(xù)不斷的出現(xiàn)，此時局部位移與應(yīng)力對整個結(jié)構(gòu)的強度與位移會產(chǎn)生影響；

（4）隨著荷載增加，混凝土與鋼筋之間發(fā)生相對滑移，黏結(jié)力可能發(fā)生破壞；

（5）混凝土的收縮與徐變的影響等。

2.2 橋面鋪裝的力學(xué)模型

2.2.1 基本假設(shè)

為對水泥混凝土板、防水黏結(jié)層及瀝青混合料鋪裝層的組合結(jié)構(gòu)建立合理的力學(xué)模型，以分析層間的應(yīng)力與應(yīng)變分布，對直接加鋪瀝青層的鋪裝結(jié)構(gòu)計算采用如下假定[3]：

（1）水泥混凝土板是均勻的、連續(xù)的、各向同性的彈性材料；

（2）在常溫和低溫狀態(tài)下，瀝青混合料同樣是均勻的、連續(xù)的、各向同性的彈性材料；

（3）水泥混凝土板與瀝青鋪裝層之間通過防水黏結(jié)層連接，層間接觸狀態(tài)為連續(xù)接觸；

（4）忽略橋面負(fù)彎矩和橋梁震動對計算的影響。

2.2.2 計算模式

水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)計算模型既區(qū)別于柔性路面彈性層狀體系，也不同于復(fù)合式路面的計算模型。但這種鋪裝結(jié)構(gòu)仍可看作彈性層狀體系。在此基礎(chǔ)上，本項目采用路面力學(xué)分析軟件分析鋪裝層應(yīng)力狀況。

為提高計算精度，在面層深度范圍內(nèi)，從路表開始，以每1cm為單位遞增加密計算點（遇防水黏結(jié)層厚度較薄時靈活調(diào)整計算間距）；在道路橫斷面方向上，考慮到車輛荷載的擴散效應(yīng)，即由路表往下，受力不利點逐漸由單圓荷載中心向輪隙中心偏移，因此，計算時在單圓荷載中心與輪隙中心之間加密4個計算點，如圖1中Ci、Di、Fi、Hi、Ii以及Ji（i=1，2，3，…）。

圖1 剪應(yīng)力計算圖示

具體加密后的點位坐標(biāo)見表1。

表1 橋面橫斷面加密點位坐標(biāo)說明

2.2.3 車輛荷載

車輪荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN，荷載半徑10.65cm，雙輪中心距15.975cm。

為真實反映車輛荷載的作用，特考慮水平荷載的作用，水平荷載系數(shù)取0.5[4]。

2.2.4 層間條件

目前對橋面鋪裝結(jié)構(gòu)體系的常見處理方法主要是將瀝青鋪裝層與水泥混凝土板間的接觸條件假定為連續(xù)體系，防水黏結(jié)層作為獨立的結(jié)構(gòu)單元。因此，本分析中考慮層間完全連續(xù)。

2.3 計算參數(shù)

參考同類相關(guān)文獻及相關(guān)規(guī)范，本分析中涉及的材料參數(shù)如表2所示。

表2 材料參數(shù)表

3 橋面鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

3.1 層間最大剪應(yīng)力

為更清楚地分析薄弱的防水黏結(jié)層對與其接觸的上下結(jié)構(gòu)層受力的影響，當(dāng)不改變防水黏結(jié)層的模量，取值與原設(shè)計方案相同時，各方案的層間最大剪應(yīng)力計算結(jié)果如表3所示。

表3 各方案層間最大剪應(yīng)力對比

由表3可知，方案2與方案3的層間最大剪應(yīng)力均較原有方案1有一定程度的減少。具體而言，方案2的層一與層二剪應(yīng)力分別較方案1減少了5.2%及6.2%，而方案3的層二剪應(yīng)力較方案1減少了0.8%。方案3由于鋪裝層厚度的減少，使層一剪應(yīng)力略有增加，但增加幅度不大。盡管如此，由于疊合梁負(fù)彎矩區(qū)存在裂縫，且澆注式瀝青混凝土的抗裂性能遠(yuǎn)不如環(huán)氧瀝青混合料，因此，就梁體本身受力而言，方案1的結(jié)構(gòu)整體抗裂性遠(yuǎn)不如方案3。

3.2 防水黏結(jié)層模量敏感性分析

為進一步分析鋪裝方案，對比選方案進行了防水黏結(jié)層模量對力學(xué)指標(biāo)的敏感性分析，以求出最佳結(jié)構(gòu)力學(xué)組合。取防水黏結(jié)層模量分別為60MPa、80MPa、100MPa、150MPa、200MPa、250MPa、300MPa、350MPa及400MPa，得出方案2與方案3的最大剪應(yīng)力與防水層模量的關(guān)系曲線，見圖2、圖3。

圖2 方案2最大剪應(yīng)力與防水黏結(jié)層關(guān)系圖

圖3 方案3最大剪應(yīng)力與防水黏結(jié)層模量關(guān)系圖

由圖2、圖3可知：

（1）鋪裝層內(nèi)最大剪應(yīng)力隨防水黏結(jié)層模量的變化而變化，但幅度較小。

（2）在計算區(qū)間內(nèi)，層一與層二剪應(yīng)力均隨防水黏結(jié)層模量增大而增大，增長速度呈先快后慢的速度，即當(dāng)防水層模量從60MPa增長為200MPa時，層間剪應(yīng)力的增長速度較快；當(dāng)防水層模量繼續(xù)增大時，層間剪應(yīng)力的變化曲線相對較為平緩，增長趨勢明顯減弱。

（3）為了保證橋面鋪裝結(jié)構(gòu)具有較優(yōu)的力學(xué)狀態(tài)，推薦采用的防水黏結(jié)層模量為80～200MPa。

3.3 鋪裝層厚度敏感性分析

鋪裝層厚度是影響結(jié)構(gòu)受力特性的重要因素。以方案3為基準(zhǔn)，變換環(huán)氧瀝青層厚度。取其厚度分別為2～9cm，以每1cm為間隔遞增計算，得到方案3的最大剪應(yīng)力與環(huán)氧瀝青層厚度的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 方案3最大剪應(yīng)力與環(huán)氧瀝青層厚度關(guān)系變化圖

由圖4可知，當(dāng)環(huán)氧瀝青層厚度由2cm提高至9cm時，鋪裝層內(nèi)最大剪應(yīng)力略有減小，但變化不大；層一與層二剪應(yīng)力則隨厚度增大而呈較大下降趨勢，這也充分體現(xiàn)了鋪裝層在一定區(qū)間內(nèi)的加厚對荷載的擴散起到不可忽視的作用。由于鋪裝層厚度直接關(guān)系到工程造價的增減，因此，需在力學(xué)分析基礎(chǔ)上，充分考慮材料性能及其經(jīng)濟性，推薦采用的環(huán)氧瀝青層合理厚度為3～5cm。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)采用方案2與方案3時，鋪裝層內(nèi)最大剪應(yīng)力、層間剪應(yīng)力基本呈下降趨勢。

（2）為了保證橋面鋪裝結(jié)構(gòu)具有較優(yōu)的力學(xué)狀態(tài)，推薦采用的防水黏結(jié)層模量為80～200MPa。在同等條件下，優(yōu)選模量較低的材料。

（3）當(dāng)環(huán)氧瀝青層厚度由2cm提高至9cm時，鋪裝層內(nèi)最大剪應(yīng)力略有減小，但變化不大；層一與層二剪應(yīng)力則隨厚度增大而呈明顯的下降趨勢。推薦采用的環(huán)氧瀝青層合理厚度為3～5cm。

[1]Louay N Mohammad,M Abdur Raqib,Baoshan Huang.Influence of Asphalt Tack Coat Materials on Interface Shear Strength[J].Transportation Research Record∶Journal of the Transportation Research Board,2002(1789)∶56-62.

[2]李衛(wèi)衛(wèi)，潘正華，高榮譽.鋼筋混凝土疊合梁短期撓度的數(shù)值模擬分析[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2012（6）：38-40.

[3]劉軍，張哲，李文武.鋼-混疊合梁有限元分析[J].山東交通學(xué)院學(xué)報，2009（3）：36-39.

[4]丁慶軍，王發(fā)洲，黃紹龍，等.橋面鋪裝層材料設(shè)計[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2002，24（4）：35-37.