莫桑比克馬普托大橋鋼橋面鋪裝力學響應狀態分析

王 民 周永濤 尚 飛 鄭 勝

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司 重慶 400074； 2.中國路橋工程有限責任公司 北京 100011；3.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司 重慶 401336; 4.重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

隨著我國鋼結構橋梁的不斷發展，各式各樣的鋼結構橋梁不斷涌現。正交異性橋面板因其自重小、受力合理等優點而被用于大多大跨徑橋梁的建設[1]。大型鋼結構橋梁跨徑在500～1 000 m時，幾乎均采用正交異性鋼橋面板結構，如上海盧浦大橋、廣東珠江黃埔大橋、泰州長江大橋等[2]。但是，鋼橋面鋪裝結構的特殊使用環境導致的病害仍是國內外尚未完全解決的難題[3]。

馬普托大橋為單跨雙鉸懸索橋，主纜跨度布置為260 m+680 m+284 m。鋼箱梁標準梁段長12 m，內設4道實體式橫隔板，橫隔板間距為3.0 m，橋面板結構物繁多，鋪裝層受力復雜，所以亟需對鋼橋面鋪裝力學響應進行分析研究[4-8]，從而為鋪裝材料的設計研究提供理論支撐。

1 建立橋面鋪裝分析模型

結合馬普托大橋的橋面結構特點，建立鋼橋面+鋪裝層(以3.5 cm GA(澆筑式瀝青混凝土)+3.5 cm SMA(瀝青瑪蹄脂混凝土)為例)的簡化分析模型，尋找鋪裝層橫向拉應變、縱向拉應變、層間剪應力的最不利荷載位置。簡化模型見圖1，模型長度為9.0 m(3.0 m×3)、寬度為3.6 m(0.3 m×12)。

圖1 橋面鋪裝分析模型

模型材料參數的取值：鋼板彈性模量為210 GPa，GA彈性模量為500 MPa，SMA彈性模量為400 MPa，鋼板泊松比為0.3，瀝青混凝土泊松比均為0.25。模型尺寸見表1。

表1 模型幾何尺寸 mm

同時做如下假設：①各部分為均勻、連續、各向同性的純彈性材料;②不計自重和阻尼。

根據JTG B01-2014 《公路工程技術標準》，標準軸重為100 kN。將軸一側的雙輪簡化為2個圓形均布荷載，圓形荷載直徑d=21.30 cm，胎壓0.7 MPa，2輪中心距1.5d，即31.95 cm。

在基本模型上施加等效雙輪荷載，以荷載中心(即2個圓形荷載圓心連線中點)為參考點。為分析中敘述方便，對橫向荷位和縱向荷位作如下規定：在中間一跨的縱向取9個不同位置荷位，荷位示意及定位參數見圖2，表2。

圖2 縱向不同荷位示意圖(單位：m)

表2 縱向荷位布置

其中縱向荷位1代表“荷載中心”作用在跨中，縱向荷位3代表1/4跨處，縱向荷位7代表1/8跨處，縱向荷位9代表“荷載中心”正好位于橫隔板2上方。

橫向取3個不同位置，橫向荷位1表示荷載中心位于橫截面的對稱點A點，橫向荷位2、橫向荷位3分別由荷位1左移0.15 m和0.30 m，即橫向荷位2的中心位于B點，橫向荷位3的中心位于C點，見圖3。

圖3 橫向不同荷位示意圖

綜上，全橋有9×3共27個不同的荷載位置，將這些荷載位置以M-N格式編號定位，M代表

縱向的9個不同位置，N代表橫向的3個不同位置，如3-1表示荷載中心位于縱向荷位3(即1/4跨)、橫向荷位1(即橫截面對稱軸)處。

2 最不利荷位分析

尋找最不利荷載作用位置的主要目的是發現控制性的荷載作用點，研究這些關鍵位置的力學性能參數指標，指導鋼橋面鋪裝的設計與施工。分別在荷位1-1，1-2，1-3，9-1，9-2，9-3加載，通過對比找出橫向最不利荷位，計算結果見表3。

表3 橫向不同荷位計算結果

由表3可見，荷載位置橫向變化時，各力學指標均出現較大變化，對于最大豎向位移、最大橫向拉應變以及層間剪應力均有：荷位2>荷位3>荷位1，故荷載的橫向最不利荷位為荷位2，即當荷載中心在跨中截面的B點時出現最大豎向位移、最大橫向拉應變、最大縱向拉應變和最大剪應力。且跨中3點(A，B，C)的縱向應變與橫向應變均為正，表明此位置均為拉應變。

根據上述結論，保持荷載的橫向位置(橫向荷位2)不變，縱向變化荷位，計算結果見表4。

表4 縱向不同荷位計算結果

由表4可見，當荷載在縱向上變化時，荷載位于位置1時，即為跨中時引起的豎向位移、橫向拉應變和縱向拉應變最大；層間剪應力在7-2荷位出現最大值。因此在下文的分析中，應變最不利位置在跨中的橫向荷位2(即荷位1-2)，由于層間剪應力最大值出現在7-2處，所以層間剪應力最不利位置是7-2荷位。

3 不同鋪裝體系靜力分析

3.1 不同鋪裝結構確定

前文以3.5 cm GA+3.5 SMA鋪裝為基礎模型通過計算找出了最不利荷位，下面再針對現在常用的雙層EA(環氧瀝青混凝土)(3.5 cm+3.5 cm)、雙層SMA(3.5 cm+3.5 cm)鋪裝體系做出對比分析。

目前，常見的鋪裝層材料結構有3種：SMA、GA和EA。因此，通過變化鋪裝層的厚度和模量，來模擬不同的鋪裝材料和結構。由于粘結層常常發生剪切破壞，因而重點考察了鋪裝層底剪應力這一力學指標。模型材料參數的取值：鋼板彈性模量210 GPa，GA彈性模量500 MPa，EA彈性模量600 MPa，SMA彈性模量400 MPa，鋼板泊松比0.3，瀝青混凝土泊松比均為0.25。

3.2 荷載確定

依據馬普托大橋模型結構，在已確定荷載作用位置的條件下，針對以下3種荷載工況開展研究。

1) 標準荷載。根據JTG B01-2014 《公路工程技術標準》，標準軸軸重為100 kN。將軸一側的雙輪簡化為2個圓形均布荷載，圓形荷載直徑d=21.30 cm，胎壓0.7 MPa，2輪中心距1.5d，即31.95 cm。

2) 水平荷載。車輛在橋面行使過程中必然產生水平分項荷載；而且車輛制動時，在輪胎與路面的接觸面會產生很大的水平力，水平分項荷載

T=φP

式中：T為水平荷載；φ為滑動摩擦系數；P為車輛豎向荷載。

根據路面材料和干濕狀態的不同，滑動摩擦系數φ的變化范圍在0.3～1.0之間，水平荷載對橋面鋪裝力學性能的影響，可以通過滑動摩擦系數的取值反映，當考慮緊急制動時，滑動摩擦系數取值0.5，同樣考慮豎向標準胎壓0.7 MPa。

3) 超重荷載。由于馬普托大橋存在重載交通車輛，必須在分析中考慮實際的超載現象。考慮荷載集度在標準胎壓情況下提高100%，通過計算結果分析超載的力學效應。在超載情況下取滑動摩擦系數φ為0.3，以此考慮一定的水平荷載影響，形成一種比較極端的荷載工況。

3.3 最大彎拉應變分析

根據所確定的最不利荷位，對3種鋪裝方案在不同工況條件下的最大彎拉應變進行計算分析，計算結果見表5。

表5 不同工況鋪裝層拉應變計算結果

由表5可見，不同工況條件對橫縱向拉應變影響程度不一致，隨著工況的變化，特別是超重荷載，橫向和縱向應變急劇增加，橫向增幅達到100%，縱向增幅達到800%左右，而對不同的鋪裝結構，雙層SMA和GA+SMA差別并不大，雙層EA應變最小。在存在水平荷載或超載的情況下，荷載對縱向拉應變的影響高于橫向拉應變；水平荷載對模型結構局部的縱向拉應變有顯著影響，特別是在車輛制動和啟動時所產生的水平力主要是縱向的，過大的縱向拉應變會造成鋪裝體的橫向裂縫，這也是橋面鋪裝中常見的一種破壞形式。

3.4 最大剪應力分析

在最不利荷位條件下，分析不同鋪裝方案在不同工況條件下的最大剪應力，計算結果見表6。

表6 不同工況剪切應力計算結果 MPa

不同荷載情況下鋪裝層與鋼橋面板之間的剪切應力計算基于線彈性材料的基本假定。從計算結果可見，荷載條件對層間剪應力影響非常大，特別是超載條件下，剪應力增加了90%；不同鋪裝材料的影響與模量相關，模量越大，剪應力越大，雙層SMA模量最小，因此相應剪應力最小。通過相應數據綜合分析,層間剪切應力在0.327～0.769 MPa之間。

4 結論

1) 在鋼橋面鋪裝力學指標分析中,由于指標不同,相應指標的最不利荷位有所不同，最大彎拉應變的最不利荷位處于橫隔板跨中區域，最大剪應力的最不利荷位處于橫隔板附近。

2) 荷載水平對鋼橋面鋪裝的力學響應狀態影響非常大，特別是重載條件下，最大橫向彎拉應變達到834×10-6，層間最大剪應力達到0.769 MPa。

3) 對于不同鋪裝結構，由于材料彈性模量不同，相應力學響應場也存在較大差別，對于彈性模量較高的雙層環氧瀝青混凝土，最大彎拉應變明顯小于其他結構，而層間剪應力最大。

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