鋼箱梁橋面輕質混凝土剪力釘鋪裝方案有限元分析及參數確定*

萬堯方　付　軍　向　念　楊炎卿　劉衛東　葉夢君

(1. 宜昌市中路建設開發有限公司　宜都　443000　2.武漢理工大學交通學院　武漢　430063;

3.宜都市公路管理局　宜都　443000；　4 .宜昌市虹源公路工程咨詢監理有限責任公司　宜昌　443000)

鋼箱梁橋面輕質混凝土剪力釘鋪裝方案有限元分析及參數確定*

萬堯方1，2付軍2向念3楊炎卿1劉衛東4葉夢君4

(1. 宜昌市中路建設開發有限公司宜都4430002.武漢理工大學交通學院武漢430063;

3.宜都市公路管理局宜都443000；4 .宜昌市虹源公路工程咨詢監理有限責任公司宜昌443000)

摘要針對鋼箱梁橋面的輕質混凝土剪力釘鋪裝方案，采用三維有限元模型分析車輪荷載下橋面鋪裝層的力學響應，研究剪力釘間距、直徑、高度和輕質混凝土厚度對鋪裝層控制力學指標的影響，并在此基礎上提出了輕質混凝土剪力釘鋪裝方案的建議設計參數。

關鍵詞鋼箱梁橋面鋪裝輕質混凝土剪力釘有限元分析

當前國內外鋼箱梁橋面鋪裝主要分為單層環氧瀝青混凝土、單層澆注式瀝青混合料、下層澆注式上層環氧瀝青、雙層SMA等[1]，由于鋼箱梁橋本身結構的特殊性及其所處環境的惡劣性，其橋面鋪裝問題一直是個世界性難題。我國幅員遼闊、氣候條件和交通狀況復雜，已經應用的鋼箱梁鋪裝工程中成功和失敗的例子都有，迫切需要深入研究適合我國國情的新型鋼箱梁橋面鋪裝方案。

文獻[2]提出了一種新型的防推移的鋼箱梁橋面鋪裝方案“鋼橋面+鋼筋網+剪力鍵+高韌性輕質混凝土+SMA-13”，見圖1。

圖1　鋼箱梁橋面輕質混凝土+剪力釘鋪裝結構示意圖

通過在鋼板上焊接剪力鍵、綁扎鋼筋網，提高韌性輕質混凝土與鋼板之間的抗滑移能力及協同變形能力可提高上面層的疲勞壽命及高低溫穩定性能。同時高韌性輕集料混凝土干表觀密度可控制在1 950 kg/m3以內(加上剪力件和鋼筋網總重量小于2 150 kg/m3)，相對于SMA瀝青混凝土容重(25 000～26 000 kN/m3)降低了15%～20%，相比減小了橋面鋪裝的自重荷載，對于大跨度的鋼箱梁橋面鋪裝有利。本文針對圖1所示方案，假定各層鋪裝材料彈模不變，利用有限元靜力分析方法研究剪力釘高度、間距、直徑及輕質混凝土鋪裝層厚度的影響，并在此基礎上給出剪力釘及鋪裝層厚度的建議設計參數。

1有限元分析模型

橋面鋪裝有限元分析選取柔性鋪裝層與正交異性鋼橋面板局部梁段為計算對象，包含4塊橫隔板和8條縱向加筋肋，模型尺寸8 640 mm×9 000 mm(橫向×縱向)。SMA和輕質混凝土均用SOLID65單元模擬，鋼筋網簡化為彌散模型，剪力釘和縱向加筋肋采用BEAM188單元模擬，鋼橋面板、橫隔板均采用SHELL63單元模擬。邊界條件采用鋼橋面板和鋪裝層無水平位移而允許有豎向位移，橫隔板底部固結。車輛荷載圖式簡化成矩形圖式，荷載分部近似采用均布荷載，即采用BZZ100標準車后軸的一側輪胎加載，考慮一定的沖擊和超載作用，并將其換算為單輪壓力，接觸面積200 mm×200 mm，施加的輪胎壓力為 0.91 MPa(考慮 30%沖擊系數)，在分析鋼橋面與鋪裝層下面層間剪應力時，考慮緊急剎車影響，施加的輪胎切向壓力0.45 MPa。汽車加載荷位根據現有參考資料，考慮最不利荷位，即沿橋面橫向荷載中心位于加筋肋中心的正上方，沿橋面縱向在跨中處，并可等間距移至2橫隔板跨中的不同位置進行加載計算。模型相關結構和材料參數見表1，有限元幾何模型及剪力釘單元透視圖見圖2,圖3。現有研究表明，鋪裝層表面的裂縫、車轍、粘結層的剪切破壞是正交異性鋼橋面鋪裝層3種典型的破壞型式,因此,鋪裝層表面最大拉應力、鋪裝層表面最大剪應力、鋪裝層與鋼板間的最大剪切應力以及加勁肋的局部撓跨比成為鋼箱梁橋面鋪裝層受力的控制指標[3]。

表1　有限元模型的幾何物理參數和材料參數

圖2　橋面鋪裝有限元幾何模型

圖3　剪力釘單元透視圖

2輕集料混凝土(剪力釘)鋪裝方案影響因素分析

集料混凝土(剪力釘)鋪裝方案影響因素較多，根據實際情況本文重點就剪力釘間距、直徑、高度、輕質混凝土鋪裝層厚度等影響因素進行了比較分析。

2.1　剪力釘間距對鋪裝方案影響分析

參考現有國內外規范和研究資料，結合剪力釘的施工成本、工藝和經濟性，計算時剪力連接件的布置間距分別取為300，400，500 mm，對橋面鋪裝層各項設計指標進行計算分析，結果見圖4，圖5。

圖4　剪力釘間距對應力的影響

圖5　剪力釘間距對加勁肋局部撓跨比的影響

由圖4，圖5可見，在車輪荷載作用下，隨著剪力連接件間距的增加，鋪裝層的表面最大橫向拉應力、最大縱向拉應力、鋪裝層表面的最大剪應力以及輕質混凝土與鋼板間的最大剪應力基本呈線性增長，剪力釘間距增大對橋面鋪裝不利，且當剪力釘間距達到500 mm時候，粘結層與鋼板間最大橫向剪應力達到0.92 MPa，接近輕質混凝土抗剪強度的下限；加筋肋局部撓跨比則隨剪力釘間距增大而減小，即剪力釘間距增大對降低加勁肋局部撓跨比有利。綜合考慮以上因素，建議采用400 mm的剪力件間距。

2.2　剪力釘高度對鋪裝方案影響分析

本鋪裝方案中剪力釘的高度對設計指標的影響也是值得關注的問題。分析時考慮剪力連接件的布置間距400 mm，混凝土鋪裝層厚度為500 mm。根據現有國內外資料和面層振搗施工的要求，計算中剪力連接件高度分別取為剪力釘高度分別為35，40，45 mm,結果見圖6，圖7。

圖6　剪力釘高度對應力的影響

圖7　剪力釘高度對加勁肋局部撓跨比的影響

由圖6，圖7可見,隨著剪力釘高度的增加，在輪載作用下鋼橋面鋪裝層表面的拉應力、剪應力也隨之線性增長；輕質混凝土與鋼板間的剪應力與加筋肋局部撓跨比則隨著剪力釘的高度加大而降低。當剪力釘高度達到45 mm時，輕質混凝土與鋼板間的剪應力為0.83 MPa，鋪裝層表面橫向最大拉應力為0.249 MPa,加勁肋局部撓跨比為1/261,均在允許范圍之內，但輕質混凝土鋪裝厚度一般在60 mm左右，因此考慮施工振搗因素后建議剪力件高度不超過45 mm。

2.3　剪力釘直徑對鋪裝方案影響分析

鋪裝方案中剪力釘的直徑也是需要認真探討的因素，結合現有規范資料和工程實際，初步擬定剪力釘直徑為8，10和12 mm。計算結果見圖8，圖9。數據表明剪力釘的直徑變化與鋪裝層表面最大橫向拉應力、表面最大橫向剪應力、表面最大縱向拉應力、輕質混凝土與鋼板層間剪應力、加勁肋局部撓跨比基本都呈線性關系，但影響較小；剪力釘直徑從8 mm增大到12 mm時，鋪裝層表面最大應力從0.244 MPa減少到0.195 MPa，輕質混凝土與鋼板層間最大剪應力也僅僅增加了0.01 MPa，其影響幾乎可以忽略不計。剪力釘高度增加對降低筋肋局部撓跨比有利，綜合考慮現有規范、鋼箱梁焊接要求以及經濟性要求，選取直徑為10 mm較為適當。

圖8　剪力釘直徑對應力的影響

圖9　剪力釘直徑對加勁肋局部撓跨比的影響

2.4　輕質混凝土厚度對鋪裝方案影響分析

鋪裝方案中輕質混凝土和SMA13的厚度顯然對性能有一定的影響，其中SMA13主要作為上面層提供行車平穩、抗滑、降噪等功能性指標，根據現有規范一般取為40 mm；而橋面鋪裝的普通混凝土下面層一般厚50～80 mm，本方案中輕質混凝土的鋪裝厚度則需要綜合考慮現有規范資料和經濟性能，初步擬定其厚度為50，60和80 mm。計算結果見圖10,圖11。數據表明，隨著輕質混凝土鋪裝層厚度的增加，鋪裝層表面最大橫向拉應力、表面最大縱向拉應力有所降低，但變化很小。輕質混凝土與鋼板之間的最大橫向剪應力則隨輕質混凝土鋪裝層厚度變大而呈線性增長，當輕質混凝土達到80 mm時，該層與鋼板間的最大橫向剪應力達到1.135 MPa，接近輕質混凝土抗剪強度的下限。輕質混凝土厚度增加則對降低加筋肋局部撓跨比有利，因此綜合考慮現有規范以及經濟性要求，選取輕質混凝土厚度為60 mm完全可以滿足要求。

圖10　輕質混凝土厚度對應力的影響

圖11　輕質混凝土厚度對加勁肋局部撓跨比的影響

2.5　輕質混凝土剪力釘鋼箱梁橋面鋪裝方案

綜合以上分析并考慮施工工藝、經濟性等因素，提出輕質混凝土剪力釘鋼箱梁橋面鋪裝方案的建議設計參數，見表2。表3為計算最不利值與允許值對比，本鋪裝方案達到鋼箱梁橋面鋪裝承載力要求。

表2　鋼箱梁橋面輕質混凝土剪力釘橋面鋪裝

表3　鋼箱梁橋面輕質混凝土剪力釘

3結論與展望

(1) 輕質混凝土剪力釘鋼箱梁橋面鋪裝方案中，剪力釘的間距、直徑、高度對橋面鋪裝表層的拉應力、剪應力、輕質混凝土與鋼板間剪應力以及加勁肋局部撓跨比呈線性影響。剪力釘間距增大時，橋面鋪裝層各項應力指標均隨之增大；剪力釘高度增加時，表層的最大橫向拉應力也增加，但表層最大縱向拉應力、表層最大剪應力、輕質混凝土與鋼板間剪應力呈下降趨勢；剪力釘直徑的增加可以增大表層最大縱向拉應力、輕質混凝土與鋼板間剪應力，與此同時表層最大橫向拉應力和表層最大剪應力得以減小。加勁肋局部撓跨比則隨剪力釘直徑、間距和高度的增加而呈現減小趨勢。

(2) 輕質混凝土厚度的增加有利于降低表層的各項應力，對降低加勁肋局部撓跨比有利，但是會增大輕質混凝土與鋼板間的最大剪應力[4]。

本文僅就車輛荷載作用下的鋼箱梁輕質混凝土剪力釘方案進行了有限元靜力分析，提出了初步結論與建議參數，對橋型、橋梁跨徑、橋梁動力特性的影響還需深入探索，對結構和材料非線性、車輛溫度耦合荷載效應等影響尚需進一步研究。

參考文獻

[1]黃衛,劉振清.大跨徑鋼橋面鋪裝設計理論與方法研究[J].土木工程學報, 2005,38(1):51-59.

[2]丁慶軍,張鋒,林青,等.輕質混凝土鋼橋面鋪裝研究與應用[J].中外公路，2006，26(4):188-190.

[3]錢振東,羅劍,敬淼淼.瀝青混凝土鋼橋面鋪裝方案受力分析[J].中國公路學報,2005,18(2):61-64.

[4]牟廷敏,丁慶軍,周孝.鋼纖維混凝土橋面鋪裝疲勞性能試驗研究[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2012(5):988-991.

FEM Analysis and Parameters Determination of Lightweight Concrete

Multiple Shear Rivet Paving Project on Steel Box Girder Bridge deck

WanYaofang1,FuJun2,XiangNian3,YangYanqing2,LiuWeidong4,YeMengjun4

(1.Yidu Road Construction And Development Co., Ltd., Yidu 443300, China;

(2.School Of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;

(3.Yidu Highway Administration Bureau, Yidu 443300, China;

(4.Yichang Construction Inspection&Management Corporation, Yichang 443300, China)

Abstract：The mechanical response of lightweight concrete multiple shear rivet pavement on the steel box girder bridge deck under wheel loading are analyzed by finite element method. Besides, the effects of various distance，diameter，height of shear rivet to pavement, are researched as well as the effects of thickness of lightweight concrete. Then some recommended parameters are put forward for the paving project.

Key words:steel box girder deck pavement; lightweight concrete; multiple shear rivets; FEM

收稿日期：2015-02-19

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.001

*國家“十一五”攻關項目(2006BAF02A00)資助