冬季極端氣候下城市快速路鋼橋面鋪裝力學(xué)響應(yīng)

劉蓮娟，張 勐

(1. 江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司，江西 南昌 330000；2. 交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；3. 道路結(jié)構(gòu)與材料交通運輸行業(yè)重點實驗室，北京 100088)

0 引言

冬季極端氣候的環(huán)境溫度通常最低能達到-45 ℃，極端的氣候條件要求鋼橋面鋪裝的材料和結(jié)構(gòu)具有較高的低溫力學(xué)性能。在行車荷載作用下，鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝易發(fā)生鋪裝疲勞開裂、車轍及黏結(jié)層失效等病害，損害橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與耐久性。

現(xiàn)有研究主要集中于鋼橋面鋪裝體系的靜荷載響應(yīng)、動力響應(yīng)及溫度效應(yīng)分析，多采用單輪荷載進行加載，鋪裝層模量多采用常溫(30 ℃)時的模量。侯貴等[1]通過系列低溫試驗研究了不同瀝青混合料勁度模量、劈裂強度、彎曲蠕變?nèi)崃侩S溫度變化的規(guī)律，結(jié)果表明澆注式瀝青混凝土具備良好的低溫性能。張德佳等[2]對鋼橋面鋪裝數(shù)值分析模型的尺寸大小、約束、邊界條件進行了優(yōu)化研究，并通過實測鋼橋面鋪裝的力學(xué)響應(yīng)驗證了優(yōu)化模型的有效性；錢振東等[3]利用有限元軟件，把正交異性鋼橋面板與鋪裝層視作受力整體，對鋪裝層進行了受力分析，并根據(jù)正交異性鋪裝層體系中局部區(qū)域容易產(chǎn)生破壞的特性，總結(jié)了橋面鋪裝的力學(xué)控制指標以及鋪裝層參數(shù)對于鋪裝層力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律；成峰[4]建立了車輛移動荷載下鋼橋面鋪裝體系模型，研究了在不同車輛移動荷載作用下鋪裝體系的受力特點；逯彥秋等[5]研究了鋼橋面層溫度場的分布特征，并對鋼橋面層的溫度分布規(guī)律進行了分析。在潤揚大橋瀝青鋪裝層攤鋪過程中，劉其偉等[6]對斷面測點的溫度開展動態(tài)測量，采集了鋼-混凝土組合箱梁內(nèi)部的溫度分布并分析了其變化規(guī)律。對冬季極端氣候鋼橋面鋪裝在不同鋪裝厚度、不同鋪裝材料工況下力學(xué)響應(yīng)的研究較少。

因此，以鋼橋面鋪裝的最大拉應(yīng)力、最大拉應(yīng)變、最大豎向位移及層間最大剪應(yīng)力為力學(xué)控制指標[7-9]，采用數(shù)值模擬的方法建立鋼橋面鋪裝體系模型，計算不同服役溫度和不同鋪裝層厚度組合等條件下，“雙層EA”結(jié)構(gòu)和“下層EA+上層SMA”結(jié)構(gòu)的鋪裝層上表面最大拉應(yīng)力、最大拉應(yīng)變、最大豎向位移及層間最大剪應(yīng)力，研究冬季極端氣候下快速路鋼橋面鋪裝的力學(xué)響應(yīng)及適合的鋪裝方案。

1 城市快速路鋼箱梁橋橋面鋪裝模型的建立

1.1 鋼橋面三維鋪裝體系模型

通過ABAQUS軟件建立鋼橋面三維鋪裝體系模型，如圖1所示，采用局部正交異性板結(jié)構(gòu)模型，在鋼橋的縱橋向設(shè)置3跨(4塊橫隔板)，橫橋向設(shè)置7個U型加勁肋。根據(jù)實際橋梁設(shè)計參數(shù)，鋼橋面鋪裝體系模型詳細參數(shù)如表1所示。

表1 鋼橋面鋪裝模型參數(shù)(單位:mm)

圖1 鋼橋面鋪裝體系模型

1.2 荷載作用位置

依據(jù)對橋梁工程的實際調(diào)研情況，橫向拉應(yīng)力導(dǎo)致的橋面鋪裝層縱向裂縫是橋面鋪裝的主要病害[10-12]，因此對橋面鋪裝力學(xué)分析的主要控制指標為位于縱向加勁肋頂部鋪裝層上表面的最大橫向拉應(yīng)力；而位于橫肋頂部鋪裝層上表面的最大縱向拉應(yīng)力是引起橋面鋪裝層橫向裂縫的主要因素，將其作為次要控制指標。采用雙輪荷載，荷載大小為標準軸載下的輪胎接地壓強0.7 MPa。雙輪荷載對稱布置于鋪裝層上表面，同時位于橫肋頂部、縱向加勁肋肋邊頂部，如圖2(a)所示。雙輪荷載的作用范圍為200 mm×180 mm×2，如圖2(b)所示。

圖2 荷載的設(shè)置

1.3 力學(xué)控制指標輸出

鋼橋面鋪裝常見病害有疲勞開裂、車轍及黏結(jié)層失效等，鋼橋面鋪裝的疲勞開裂是由于鋪裝層表面受到拉應(yīng)力和拉應(yīng)變的作用導(dǎo)致，且鋼橋面鋪裝產(chǎn)生最大拉應(yīng)力、最大拉應(yīng)變處更易發(fā)生開裂；車轍病害是由于橋面鋪裝層的抗永久變形能力過低引起；黏結(jié)層失效是鋪裝層與鋼板之間結(jié)合界面的抗水平剪切力不足導(dǎo)致[13-14]。選取最大拉應(yīng)力、最大拉應(yīng)變、最大豎向位移及層間最大剪應(yīng)力等力學(xué)控制指標，評價鋼橋面鋪裝的力學(xué)性能，并通過各力學(xué)控制指標，提出能夠適應(yīng)冬季極端氣候的快速路鋼箱梁橋橋面鋪裝方案。

2 鋪裝層厚度對鋼橋面鋪裝力學(xué)控制指標的影響

選取10 ℃時環(huán)氧瀝青混凝土、SMA和鋼板的模量和泊松比，如表2所示。鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層總厚度一般為50～80 mm[15-17]，本節(jié)討論鋪裝層厚度對鋼橋面鋪裝力學(xué)控制指標的影響。選取“下層3 cm+上層3.5 cm”(厚度方案I)、“下層2.5 cm+上層3.5 cm”(厚度方案II)和“下層3 cm+上層4 cm”(厚度方案III)3種鋪裝厚度組合，計算3種鋪裝厚度組合下“雙層EA”與“下層EA+上層SMA”兩種鋪裝方案的各力學(xué)控制指標，并根據(jù)計算結(jié)果，初步比較冬季極端氣候下快速路鋼箱梁橋的鋪裝厚度方案。計算結(jié)果如圖3所示。

表2 鋼橋面體系各材料參數(shù)

由圖3可以看出，對3種橋面鋪裝層厚度方案的上表面最大拉應(yīng)力、最大拉應(yīng)變、最大豎向位移及層間最大剪應(yīng)力進行比較，均符合“下層2.5 cm+上層3.5 cm”結(jié)構(gòu)>“下層3 cm+上層3.5 cm”結(jié)構(gòu)>“下層3 cm+上層4 cm”結(jié)構(gòu)的規(guī)律，說明“下層3 cm+上層4 cm”結(jié)構(gòu)可抗疲勞開裂、永久變形、層間脫黏性能最優(yōu)，故快速路鋼箱梁橋推薦使用“下層3 cm+上層4 cm”的鋪裝厚度組合。本節(jié)主要計算了10 ℃時“雙層EA”與“下層EA+上層SMA”鋪裝方案的各力學(xué)控制指標，由于不同溫度下瀝青混合料的材料屬性差異較大，提出能夠適應(yīng)冬季極端氣候的快速路鋼箱梁橋鋪裝材料方案需進一步考慮溫度因素的影響。

圖3 鋪裝層厚度對鋼橋面鋪裝力學(xué)控制指標的影響

3 溫度對鋼橋面鋪裝力學(xué)控制指標的影響

瀝青混合料溫度依賴性較高，溫度對瀝青混合料模量的影響較大[18-21]。冬季極端氣候的環(huán)境溫度通常最低能達到-45 ℃，同時考慮鋼箱梁的特性，在夏季易產(chǎn)生箱體不通風(fēng)、散熱速度慢等問題，相比于傳統(tǒng)的桁架梁橋鋼箱梁橋面鋼板溫度會高10 ℃以上[16]。研究冬季極端氣候下快速路鋼箱梁橋橋面鋪裝設(shè)計的工作溫度范圍為-45～50 ℃，計算不同溫度下“雙層EA”與“下層EA+上層SMA”兩種鋪裝方案的各力學(xué)控制指標，并根據(jù)計算結(jié)果，提出能夠適應(yīng)冬季極端氣候的快速路鋼箱梁橋鋪裝材料方案。不同溫度下瀝青混合料的模量如表3所示，計算結(jié)果如圖4所示。

表3 不同溫度下瀝青混合料的模量(單位：MPa)

圖4 溫度對鋼橋面鋪裝力學(xué)控制指標的影響

由圖4可以看出，兩種鋪裝結(jié)構(gòu)鋪裝層上表面的最大縱向、橫向拉應(yīng)力及層間最大剪應(yīng)力均隨溫度降低而變大，而最大拉應(yīng)變與最大豎向位移均隨溫度降低而變小；相同溫度下，“下層EA+上層SMA”結(jié)構(gòu)上表面的最大縱向、橫向拉應(yīng)力均小于“雙層EA”結(jié)構(gòu)，說明“下層EA+上層SMA”結(jié)構(gòu)的抗疲勞開裂性能優(yōu)于“雙層EA”結(jié)構(gòu)；兩種鋪裝結(jié)構(gòu)鋪裝層上表面最大拉應(yīng)變、最大豎向位移及層間最大剪應(yīng)力相差不大。結(jié)合3.1節(jié)快速路鋼箱梁橋的鋪裝厚度推薦組合，“下層3 cmEA+上層4 cm SMA”鋪裝方案能夠適應(yīng)冬季極端氣候的工況。

4 結(jié)論

(1)對3種鋪裝層厚度方案的鋪裝層上表面最大拉應(yīng)力、最大拉應(yīng)變、最大豎向位移及層間最大剪應(yīng)力進行比較，均符合“下層2.5 cm+上層3.5 cm”結(jié)構(gòu)>“下層3 cm+上層3.5 cm”結(jié)構(gòu)>“下層3 cm+上層4 cm”結(jié)構(gòu)的規(guī)律。

(2)“雙層EA”鋪裝結(jié)構(gòu)與“下層EA+上層SMA”鋪裝結(jié)構(gòu)的上表面最大縱向、橫向拉應(yīng)力及層間最大剪應(yīng)力均隨溫度降低而變大，最大拉應(yīng)變與最大豎向位移均隨溫度降低而變小；相同溫度下，“下層EA+上層SMA”鋪裝結(jié)構(gòu)的上表面最大縱向、橫向拉應(yīng)力均小于“雙層EA”結(jié)構(gòu)，兩種鋪裝結(jié)構(gòu)鋪裝層上表面最大拉應(yīng)變、最大豎向位移及層間最大剪應(yīng)力相差不大。

(3)“下層3 cmEA+上層4 cmSMA”鋪裝方案能夠適應(yīng)冬季極端氣候的工況。

主要研究了鋼橋面鋪裝靜荷載響應(yīng)，由于實際鋼橋面鋪裝使用過程中，荷載作用的主要形式為車輛移動荷載的重復(fù)作用，對于移動荷載和重復(fù)荷載作用下鋼橋面鋪裝的力學(xué)響應(yīng)仍需進一步研究。