基于剪切性能的鋼橋面STC鋪裝組合結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

李 勇，孫克強(qiáng)，楊 波，常 城

(1.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣州 510623； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067)

超高韌性混凝土STC(Super Toughness Concrete)因其優(yōu)異的力學(xué)性能得到了廣泛應(yīng)用[1]。20世紀(jì)以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，高效快速的交通網(wǎng)絡(luò)對交通基礎(chǔ)設(shè)施提出更高要求，大跨徑鋼橋應(yīng)運而生。為減輕自重，鋼橋多采用正交異性橋面板結(jié)構(gòu)，隨著服役期增長，橋梁頂板與加勁肋交界處焊縫、頂板、橫隔板開孔處、鋪裝層等位置出現(xiàn)不同程度的開裂病害[2]。橋梁結(jié)構(gòu)性開裂可通過改善施工工藝解決，鋪裝層開裂除材料本身因素外，還依附于鋼橋面板剛度。國內(nèi)外學(xué)者對鋼橋面鋪裝層病害進(jìn)行了大量研究，目前公認(rèn)橋面板剛度不均勻?qū)е碌膽?yīng)力集中，開裂部位在高應(yīng)力幅下產(chǎn)生疲勞破壞是鋪裝病害的根本原因[3]。為減少上述病害，近幾年出現(xiàn)一種采用STC+瀝青混凝土的鋪裝結(jié)構(gòu)形式，利用STC的高韌高強(qiáng)性能提高橋面板剛度，減小鋼橋面板疲勞應(yīng)力幅[4]。本文針對現(xiàn)有國內(nèi)鋼橋面STC鋪裝使用過程中出現(xiàn)的病害及成因，采用有限元法對造成病害的力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，提出預(yù)估公式，結(jié)合實例對鋪裝方案進(jìn)行驗證。

1 國內(nèi)STC鋪裝調(diào)研

我國STC鋪裝層與鋼板間設(shè)置密集剪力釘，設(shè)置在縱向加勁肋中間，縱向間距一般為40 cm～50 cm，相鄰2排之間呈梅花狀布置，剪力釘尺寸高度約為3.5 cm～5.5 cm，直徑9 mm～10 mm。STC鋪裝層厚一般為4 cm～6 cm，內(nèi)布置直徑為8 mm～12 mm、間距為2 cm～5 cm的鋼筋，瀝青磨耗層厚度為3 cm～5 cm[5]，如圖1所示。其他結(jié)構(gòu)型式因應(yīng)用較少，可參考文獻(xiàn)[6-7]。

根據(jù)JTG F40—2017《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對國內(nèi)氣候分區(qū)，結(jié)合STC鋪裝實際應(yīng)用情況，對我國夏炎熱冬寒濕潤、夏炎熱冬冷濕潤區(qū)、夏炎熱冬冷潮濕區(qū)、夏炎熱冬溫潮濕區(qū)為代表的北京、天津、廣東、湖南地區(qū)STC鋪裝應(yīng)用情況進(jìn)行了調(diào)研，橋梁參數(shù)及使用情況見表1，調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)的病害如圖2所示。

(a) 組合橋面板結(jié)構(gòu)

(b) 鋪裝結(jié)構(gòu)

表1 調(diào)研橋梁情況

從表1可知，目前多數(shù)STC鋪裝應(yīng)用情況良好，但仍有部分橋梁鋪裝在重交通荷載情況下出現(xiàn)推移病害。序號3橋梁處于夏炎熱冬溫區(qū)，序號4橋梁處于夏炎熱冬冷區(qū)，2座橋區(qū)最熱月平均氣溫均大于30 ℃，除磨耗層本身高溫穩(wěn)定性不足外，磨耗層與STC鋪裝層間粘結(jié)強(qiáng)度不足、鋪裝組合設(shè)計不合理導(dǎo)致層間剪應(yīng)力過大,也是使磨耗層產(chǎn)生推移的原因[8-9]。序號8橋梁病害主要為伸縮縫設(shè)置不當(dāng)引起，與鋪裝關(guān)系不大。經(jīng)現(xiàn)場實測，序號9橋梁產(chǎn)生離析主要是施工質(zhì)量控制不當(dāng)造成。根據(jù)調(diào)研，STC鋪裝目前存在的結(jié)構(gòu)性病害為磨耗層推移，主要因?qū)娱g抗剪強(qiáng)度不足引起，為此，本文通過數(shù)值分析的方法，探討減小層間剪應(yīng)力的方法，優(yōu)化鋪裝結(jié)構(gòu)組合參數(shù)。

2 數(shù)值分析

依托廣東省榕江特大橋，以降低STC鋪裝層間剪應(yīng)力為目標(biāo)，建立有限元模型，對STC鋪裝結(jié)構(gòu)厚度、模量進(jìn)行優(yōu)化分析。

2.1 建模

1) 結(jié)構(gòu)體系

鋼橋由中縱腹板、傾斜底板等組成，不同位置腹板高差大，若采用第Ⅲ結(jié)構(gòu)體系(帶加勁肋的蓋板系統(tǒng))，無法考慮腹板及橫隔板高度對鋪裝層受力影響。為此，采用鋼箱梁節(jié)段局部模型(第Ⅱ結(jié)構(gòu)體系)分析最不利荷位分布規(guī)律。在最大剪應(yīng)力對應(yīng)的荷位處，采用子模型對鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析[10]。最不利荷位分析模型如圖3所示，子模型如圖4所示。為確保模型正確，減小計算量，假設(shè)所用材料均勻連續(xù)、完全彈性且各向同性。

圖3 最不利荷位分析模型

圖4 鋪裝結(jié)構(gòu)子模型

2) 幾何參數(shù)

由于大跨徑橋梁通常位于主干道，車道數(shù)較多，取單側(cè)3車道計算模型，鋼梁節(jié)段尺寸為8.4 m×14.0 m，取節(jié)段的1/2結(jié)構(gòu)為最不利荷位計算模型。鋼材采用16Mnqc鋼，防水粘結(jié)層采用高粘瀝青，通過接觸對單元定義層間粘結(jié)性能。接觸對單元如圖5所示，模型基本參數(shù)見表2、表3。

(a) 接觸單元

(b) 目標(biāo)單元

表2 模型幾何參數(shù)

表3 模型材料參數(shù)

3) 邊界條件

最不利荷位計算時，采用10節(jié)點實體單元模擬鋼箱梁頂板和鋪裝結(jié)構(gòu)層，采用殼單元模擬加勁肋腹板、橫隔板，殼與體單元采用MPC多點約束耦合自由度，模型尺寸見表2。由于結(jié)構(gòu)采用了對稱，對稱面處節(jié)點橫向位移Dx、縱向轉(zhuǎn)動自由度Ry和豎向轉(zhuǎn)動自由度Rz采用對稱約束，節(jié)段處節(jié)點采用約束方程建立剛域，在質(zhì)心位置施加簡支約束[11]。結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，取最不利荷載位置處3倍輪載尺寸為計算模型，如圖4所示。

4) 荷載形式

根據(jù)實際交通條件，設(shè)計荷載采用公路I級車輛標(biāo)準(zhǔn)[12]。單軸雙輪荷載形式，軸重140 kN，單輪重35 kN，輪壓0.81 MPa，考慮沖擊系數(shù)為0.35，汽車制動力取附著系數(shù)為0.6[13]。單輪接地面積432 cm2，寬度0.2 m，長度0.216 m，兩輪間距0.1 m。雙輪矩形均布荷載，如圖6所示。

單位：cm

5) 加載工況

每個車道橫向設(shè)置2個加載位置，在每個位置上布置3種加載工況：(1) 荷位1施加于U形肋正上方；(2) 荷位2施加于U形加勁肋和鋼橋面焊點正上方；(3) 荷位3施加于兩U形加勁肋之間正上方，如圖7所示?？v橋向車輛從橫隔板向跨中移動，共9個荷位，如圖8所示，距離橫隔板距離分別為0 m、0.108 m、0.156 m(1/16跨)、0.200 m、0.313 m(1/8跨)、0.500 m、0.625 m(1/4跨)、1.000 m、1.250 m(1/2跨)。此外，在中縱腹板處增加9個加載點，如圖9所示。分析模型共(3×2+9)×9=135個加載點，3×6×9+9×9=243個工況。

2.2 最不利荷位

最不利荷位數(shù)值模擬分析時忽略防水粘結(jié)層，認(rèn)為STC鋪裝層與磨耗層完全粘結(jié)。根據(jù)界面理論，在不同材料交界面上，材料變形具有不連續(xù)性，為反映這種情況，最不利荷位分析時采用剪切應(yīng)變這一力學(xué)指標(biāo)。取135個加載點處243個工況下最大剪應(yīng)變值繪制成云圖，如圖10所示。圖10中，Zx代表橫向剪應(yīng)變，Zy代表縱向剪應(yīng)變。為反映剪切應(yīng)變變化規(guī)律，在最大剪應(yīng)變位置處沿縱橫截面剖開，繪出最大剪應(yīng)變沿縱橫向變化趨勢，如圖11、圖12所示。

圖7 U肋處橫向荷位示意

圖8 縱向荷位示意

圖9 縱腹板處橫向荷位示意

對比圖10(a)、(b)可以看出：1) STC與磨耗層間縱向剪應(yīng)變與橫向剪應(yīng)變均對中縱腹板較敏感，縱向剪應(yīng)變在距橫隔板1/8跨處有極值；2) 橫向剪應(yīng)變大于縱向剪應(yīng)變；3) 橫向剪應(yīng)變在縱向荷位9、橫向荷位1處有最大值；4) 縱向剪應(yīng)變在縱向荷位5、橫向荷位1處有最大值。

從圖11、圖12可以看出：1) 沿橫橋向，橫向剪應(yīng)變與縱向剪應(yīng)變變化趨勢相反，但均在中縱腹板附近有最大值；2) 沿縱橋向，橫向剪應(yīng)變在跨中處有最大值，縱向剪應(yīng)變在距橫隔板1/8跨處有最大值。據(jù)此，可取跨中處U肋正上方為剪應(yīng)力的最不利荷位，以下子模型分析時，取此荷位為加載位置。

(a) Zx

(b) Zy

(b) Zy

2.3 層間最大剪應(yīng)力分析

以表2、表3中參數(shù)為基準(zhǔn)，2.2節(jié)得到的最不利荷位為加載工況，采用子模型對不同鋪裝層厚度、模量組合及不同粘結(jié)層綜合模量對比分析，計算結(jié)果如圖13～圖15所示。

(a) Zx

(b) Zy

圖13 層間剪應(yīng)力隨上下層模量變化對比

圖14 層間剪應(yīng)力與上下層厚度關(guān)系

從圖13可見，層間剪應(yīng)力與磨耗層模量呈負(fù)相關(guān)，與STC鋪裝層模量呈正相關(guān)，但對二者模量變化的敏感程度接近。在橋梁截面承載能力滿足設(shè)計要求的前提下，為保證層間剪應(yīng)力有較小值，磨耗層彎拉模量不宜小于400 MPa，STC鋪裝層回彈模量不宜大于43 500 MPa。

圖15 層間剪應(yīng)力與粘結(jié)層模量關(guān)系

從圖14可見，當(dāng)下層STC鋪裝層厚度小于30 mm時，層間剪應(yīng)力對下層厚度較敏感；當(dāng)大于30 mm時，層間剪應(yīng)力變化率減小?？紤]內(nèi)部鋼筋網(wǎng)保護(hù)層厚度及施工因素，建議下層厚度不小于45 mm。層間剪應(yīng)力對上層磨耗層厚度較不敏感，計算厚度范圍內(nèi)降幅為15.1%，考慮混合料抗拉強(qiáng)度指標(biāo)，磨耗層厚度不應(yīng)小于35 mm。

從圖15可知，層間剪應(yīng)力與粘結(jié)層模量呈正相關(guān)，采用粘結(jié)層材料時應(yīng)注意自身特性與結(jié)構(gòu)的匹配。

本文根據(jù)函數(shù)擬合原理及量綱分析準(zhǔn)則，提出STC鋪裝層間剪應(yīng)力計算公式：

(1)

式中：τ為剪切應(yīng)力，MPa；G為鋼橋結(jié)構(gòu)參數(shù)，對本文采用的結(jié)構(gòu)，取0.022；E下、h下分別為STC鋪裝模量及厚度；E上、h上分別為磨耗層模量及厚度；E粘為粘結(jié)層綜合模量，MPa。

以最小剪應(yīng)力為目標(biāo)，根據(jù)式(1)可優(yōu)化鋪裝結(jié)構(gòu)。下文將據(jù)式(1)計算榕江橋鋪裝方案層間剪應(yīng)力，并與抗剪強(qiáng)度比較，驗證鋪裝結(jié)構(gòu)適用性。

3 應(yīng)用案例

以榕江特大橋為例，設(shè)計方案為50 mm STC+高粘瀝青砂+40 mm SMA13，如圖16所示，根據(jù)廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)GDJTG/T A01—2015《超高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，各鋪裝層材料參數(shù)取值見表4。

根據(jù)JTG/T 3364—2019《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》[14]附錄C試驗方法測得層間抗剪強(qiáng)度。有限元模擬結(jié)果、計算公式(1)計算結(jié)果、試驗結(jié)果對比如圖17所示。從圖17可知，式(1)計算出的層間剪應(yīng)力為0.498 MPa，有限元計算結(jié)果為0.475 MPa，兩者誤差在10%以內(nèi)，且式(1)計算結(jié)果較有限元計算結(jié)果小，偏于保守；式(1)及有限元計算的層間剪應(yīng)力均小于粘結(jié)層抗剪強(qiáng)度。

圖16 原鋪裝設(shè)計方案

表4 鋪裝結(jié)構(gòu)層參數(shù)取值

圖17 不同方法所得層間剪切應(yīng)力

由于粘結(jié)層施工質(zhì)量的離散性，考慮1.40倍的安全系數(shù)后，層間剪切應(yīng)力為0.695 MPa，即采用的粘結(jié)劑剪切強(qiáng)度應(yīng)大于0.695 MPa。由圖17可知，高粘瀝青+碎石方案抗剪強(qiáng)度為0.78 MPa，大于考慮安全系數(shù)的剪切強(qiáng)度0.695 MPa，說明該鋪裝方案滿足層間剪切性能要求。

4 結(jié)論

1) 通過對我國不同地區(qū)的鋼橋面STC鋪裝使用情況進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前存在的主要病害為磨耗層推移，造成該病害原因為層間抗剪強(qiáng)度不足。

2) 有限元計算結(jié)果顯示，為減小層間剪應(yīng)力，磨耗層抗彎模量不宜小于400 MPa，厚度不宜小于35 mm；STC鋪裝模量不宜大于43 500 MPa，厚度不宜小于45 mm。粘結(jié)層模量與層間剪應(yīng)力呈正相關(guān)，且對層間剪應(yīng)力影響較大。

3) STC鋪裝層間剪應(yīng)力可采用本文提出的公式(1)近似估計。

4) 采用50 mm STC+1.3 kg/m2～1.5 kg/m2高粘瀝青砂+40 mm SMA13的鋪裝結(jié)構(gòu)可滿足榕江橋?qū)娱g剪切性能要求。