鐵路橋梁超高性能混凝土橋面鋪裝力學(xué)性能分析

郝聰龍 周尚猛

(1.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430034； 2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司 武漢 430034)

正交異性鋼橋面板具有自重輕、整體受力性能好等特點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中，但是由于其構(gòu)造復(fù)雜、焊縫眾多、應(yīng)力集中顯著，再加上重載、氣候條件惡劣等各種不利因素的綜合影響，實(shí)際工程中經(jīng)常出現(xiàn)鋼橋面疲勞開裂和鋪裝層破壞的現(xiàn)象[1-2]。

現(xiàn)階段，為了綜合研究解決鋼橋面疲勞開裂和鋪裝層損壞兩大技術(shù)性難題，改善結(jié)構(gòu)體系的疲勞性能，有關(guān)學(xué)者開展了大量的基礎(chǔ)研究工作，并取得了一定成果[3-4]。傳統(tǒng)橋面鋪裝體系出現(xiàn)疲勞開裂和鋪裝層易損壞的原因是鋼橋面采用瀝青鋪裝體系，剛度不夠，不能從根本上解決鋪裝層本身的性能。因此，基于超高性能混凝土新型材料的研究[5]，提出采用超高性能混凝土作為鋪裝層與正交異性鋼橋面結(jié)合的方法，兩者共同受力，形成組合橋面體系[6]。超高性能混凝土組合結(jié)構(gòu)體系能有效改善結(jié)構(gòu)狀況，提高橋面板的剛度，使正交異性板各構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力大幅下降[7]。

本文以某鐵路特大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，提出在橋面設(shè)置5 cm超高性能混凝土鋪裝層，通過(guò)研究組合體系的力學(xué)性能，得到本橋鋪裝層受力最不利的荷載位置和最不利的荷載組合。

1 工程背景

該鐵路特大橋橋跨布置為上承式連續(xù)鋼桁梁，跨度為108 m+152 m+249 m+152 m+108 m，主桁中心距為16 m，跨中桁高16.0 m，支點(diǎn)處桁高36.0 m。針對(duì)大橋鐵路鋼橋面的實(shí)際情況，擬采用的鋪裝體系為：50 mm厚超高性能混凝土+環(huán)氧富鋅漆，具體鋪裝體系方案見圖1。

圖1 橋梁組合橋面鋪裝體系方案

鋪裝層混凝土采用中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司研發(fā)的超高性能混凝土(UHPC)，該混凝土是一種具有超高的耐久性和力學(xué)性能，同時(shí)具有良好的早期抗裂性能和抗疲勞性能超的新型水泥基復(fù)合材料。

2 橋面UHPC鋪裝體系靜力計(jì)算分析

2.1 有限元模型的建立

采用大型有限元軟件ANSYS建立仿真計(jì)算模型，模型從上往下分別建立鐵軌、混凝土軌枕、道砟和UHPC層及鋼結(jié)構(gòu)部分，ANSYS有限元模型見圖2。

圖2 鋼桁梁有限元模型圖

其中鋼板采用板殼單元Shell63模擬，超高性能混凝土層采用實(shí)體單元Solid45模擬，其余結(jié)構(gòu)如道砟、軌枕、鐵軌等均采用實(shí)體單元Solid45進(jìn)行模擬。

考慮到模型的規(guī)模和計(jì)算能力，建立10.8 m長(zhǎng)節(jié)段，共4個(gè)橫梁區(qū)間，每個(gè)橫梁間距為2.7 m。計(jì)算時(shí)假設(shè)鋪裝層與鋼面板之間無(wú)相對(duì)滑移，鋪裝層與鋼面板單元共用節(jié)點(diǎn)，鋪裝層與上部結(jié)構(gòu)均可視為無(wú)相對(duì)滑移，相接處部位單元共用節(jié)點(diǎn)。劃分網(wǎng)格時(shí)，為縮減單元數(shù)量，提高模型計(jì)算效率，對(duì)研究的主橫梁附近區(qū)域鋼橋面板、橫隔板、UHPC部位進(jìn)行單元細(xì)化，網(wǎng)格尺寸加密至10 mm，非加密區(qū)UHPC層單元尺寸為100 mm。通過(guò)對(duì)鋪裝層沿厚度方向網(wǎng)格尺寸的敏感性分析可知，當(dāng)UHPC層沿厚度方向劃分為2層單元，既能保證計(jì)算精度，又能保證計(jì)算效率，模型共有417 970個(gè)單元。

2.2 靜力計(jì)算加載工況

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)文件，采用《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》中的“中-活載”進(jìn)行加載。為了方便荷載的施加，采用“中-活載”的3個(gè)縱向加載在1個(gè)循環(huán)區(qū)間內(nèi)等距離布置。因此，有限元模型采用3個(gè)大小220 kN、間距1.5 m的“中-活載”進(jìn)行加載，對(duì)UHPC鋪裝層在結(jié)構(gòu)體系下的局部受力進(jìn)行計(jì)算，橫向加載位置位于鐵軌處，縱向加載位置見圖3。加載工況共計(jì)8個(gè)，分別為A1～A8。A1工況為前軸對(duì)稱于橫肋布置，A2～A8工況為前軸縱向移動(dòng)，每次移動(dòng)距離為0.25 m。

圖3 縱向加載位置示意圖(單位：mm)

2.3 UHPC鋪裝層的應(yīng)力結(jié)果

經(jīng)ANSYS計(jì)算得到的A2工況下橫向應(yīng)力和縱向應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 A2工況下UHPC的最大應(yīng)力圖(單位：MPa)

由圖4可見，橫向應(yīng)力最大值為3.93 MPa，縱向應(yīng)力最大值為5.93 MPa。

設(shè)置UHPC鋪裝層時(shí)各工況混凝土表面最大縱、橫向應(yīng)力情況見表1。

表1 UHPC層各工況最大正應(yīng)力 MPa

由表1可知，各工況下鋪裝層最大橫向拉應(yīng)力均出現(xiàn)在橫肋斷面上方的U肋腹板與頂板相交處，最大縱向拉應(yīng)力均出現(xiàn)在橫肋斷面上方的U肋腹板與頂板相交處。其中，最大橫向拉應(yīng)力為 3.94 MPa，出現(xiàn)在A1工況，UHPC層最大橫向拉應(yīng)力發(fā)生在橫肋斷面上方的U肋腹板與頂板相交處；最大縱向拉應(yīng)力為5.93 MPa，出現(xiàn)在A2工況，UHPC層最大縱向拉應(yīng)力發(fā)生在橫肋斷面上方的U肋腹板與頂板相交處，其位置示意云圖見圖4。

3 橋面UHPC鋪裝體系疲勞計(jì)算分析

采用有限元軟件ANSYS建立仿真計(jì)算模型，考慮到模型的規(guī)模和計(jì)算能力，建立4個(gè)橫梁區(qū)間，每個(gè)橫梁間距為2.7 m。劃分網(wǎng)格時(shí)，為縮減單元數(shù)量，提高模型計(jì)算效率，對(duì)研究的主橫梁附近區(qū)域鋼橋面板、橫隔板、UHPC部位進(jìn)行單元細(xì)化，網(wǎng)格尺寸加密至10 mm，非加密區(qū)UHPC層單元尺寸為100 mm，其它設(shè)置可參照靜力模型，模型見圖5。

圖5 鐵路橋梁疲勞計(jì)算有限元模型

3.1 疲勞計(jì)算加載工況

機(jī)車和車輛是構(gòu)成列車的基本單元，我國(guó)機(jī)車和車輛種類繁多，疲勞計(jì)算選用軸重最大的機(jī)車作為節(jié)段模型施加荷載，機(jī)車模型中選用C0-C0六軸式軸重25 t貨運(yùn)機(jī)車。

荷載包括前、后軸兩部分，前、后軸中心距12 m，凈間距8 m，其中前、后軸又各由軸重25 t的三聯(lián)軸構(gòu)成，軸距2 m。機(jī)車荷載前、后軸對(duì)鋪裝層的影響范圍相互干擾較小，計(jì)算時(shí)可僅取前軸進(jìn)行加載。為了方便荷載的施加，采用機(jī)車的縱向加載在一個(gè)循環(huán)區(qū)間內(nèi)等距離布置。因此，有限元模型采用六軸式軸重25 t機(jī)車進(jìn)行加載，對(duì)UHPC在結(jié)構(gòu)體系下的局部受力進(jìn)行計(jì)算。

3.2 疲勞應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

正交異性鋼橋面板容易疲勞開裂部位有橫隔板的弧形切口、U肋與橫隔板焊趾處、U肋與頂板焊接處，主要針對(duì)以上3個(gè)部位的疲勞應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析。

采用UHPC層鋪裝和瀝青鋪裝時(shí)，弧形切口最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

表2 鐵路橋面計(jì)算疲勞應(yīng)力幅 MPa

通過(guò)有限元計(jì)算可得橋梁鐵路橋面采用原瀝青混凝土鋪裝體系時(shí)，橫隔板弧形切口的最大主拉應(yīng)力為85.2 MPa，U肋與橫梁交叉處最大應(yīng)力42.9 MPa，U肋與頂板焊縫最大壓應(yīng)力14.3 MPa；采用UHPC組合鋪裝體系后，橫隔板弧形切口的最大主拉應(yīng)力為76.1 MPa，U肋與橫梁交叉處最大主拉應(yīng)力31.0 MPa，U肋與頂板焊縫最大壓應(yīng)力12.1 MPa。采用UHPC組合鋪裝體系后，橫隔板弧形切口處、U肋與橫肋交叉處、U肋與頂板焊縫處的應(yīng)力有了明顯下降。采用UHPC組合鋪裝體系后，理論上可以實(shí)現(xiàn)鋼橋面板的無(wú)限疲勞壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

在正交異性鐵路鋼橋面設(shè)置5 cm UHPC鋪裝層后，在靜力荷載下，UHPC層的最大縱向應(yīng)力為5.93 MPa，最大橫向應(yīng)力為3.94 MPa，均在UHPC強(qiáng)度范圍之內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)鋪裝層開裂問(wèn)題。

在疲勞荷載作用下，采用UHPC組合鋪裝體系后，正交異性鋼橋面板各關(guān)鍵點(diǎn)的疲勞應(yīng)力幅有了明顯下降，提高橋梁的疲勞使用壽命。采用組合鋪裝體系后，理論上可以實(shí)現(xiàn)鋼橋面板的無(wú)限疲勞壽命。

針對(duì)鐵路橋梁，在設(shè)計(jì)施工階段可考慮采用UHPC鋪裝結(jié)構(gòu)體系，以提高結(jié)構(gòu)抗力，減少后期維護(hù)保養(yǎng)成本。