合六葉公路橋不等厚鋪裝結構的動力響應研究

羅偉平，杜江波，李 東

(1.中鐵五局集團華南工程有限責任公司 東莞市 523160； 2.河南明珠工程管理有限公司 三門峽市 472000)

與普通橋面鋪裝結構相比，合六葉公路橋橋面鋪裝的形式特殊，受力情況復雜，為鋪裝結構的設計與服役期維養方案的制定提供指導意見，需對行車荷載作用下鋪裝的力學響應進行充分分析[1-2]。擬先在MIDAS CIVIL中建立整橋分析模型，對各不等厚過渡區的受力進行力學分析，并計算受力不利箱梁的邊界條件；再在ABAQUS中建立局部箱梁的等比例模型，對行車荷載作用下的細部力學響應進行分析。

1 工程概況

鋼箱梁橋具備施工便捷、抗扭剛度大且自重較小的特點，常被應用在中、大跨徑橋梁的設計中。G312合六葉公路橋是連接合肥與六安的重要交通干線，由四座分橋組成，沿上游至下游依次為1#～4#橋，整橋以雙向八車道一級公路標準建設，其主橋設計全長380m，采用100m+180m+100m的變截面連續鋼箱梁方案，橋梁縱向布置如圖1所示。

圖1 合六葉公路橋縱橋向布置

為減輕鋼箱梁的自重，并降低建造成本，合六葉公路橋鋼箱梁結構的頂板創新性地采用了不等厚設計方案，沿縱橋向共設16處不等厚過渡區，厚度變化形式為1∶8線性斜坡，如圖2所示。

圖2 合六葉公路橋不等厚過渡形式

合六葉公路橋的上層鋪裝厚度設為2.5cm，下鋪裝層采用了與頂板對應的厚度變化形式，以保證頂板厚度+鋪裝結構厚度恒定為9.6cm，以2#橋與3#橋為例，匯總其頂板+橋面鋪裝的厚度組合，如表1所示。

表1 2#橋與3#橋箱梁頂板+橋面鋪裝厚度組合

對于常規鋼箱梁橋，鋪裝結構受力不利區域主要有：跨中與支座彎曲應力較大的區域、縱橫隔板上方與U型加勁肋上方。在此類區域，鋪裝結構受到較大的剪應力作用，在行車荷載的影響下，易產生開裂、脫層等鋪裝病害。合六葉公路橋不等厚結構設計特殊，除常規受力不利區域外，不等厚過渡區上方的鋪裝層也處于不利的受力狀態。

合六葉公路橋由四座獨立箱梁橋組成，其中2#與3#橋各設三條同向行車道，1#與4#橋各設一條行車道與非機動車道。本研究選取承受行車荷載最密集的2#與3#橋進行力學分析。

2 整橋力學分析

在橋梁力學分析軟件MIDAS CIVIL中建立合六葉公路橋的整橋模型，將全橋離散為空間桿系單元，共131個節點、130個單元。根據設計文件，橋梁模型材料設為Q370qD，彈性模量為2.06×108kN/m2，泊松比取0.3。車道荷載采用公路-I級均布荷載10.5kN/m，共三車道；橋梁一期恒載設為109.1 kN/m，二期恒載設為40.8 kN/m。

對2#與3#整橋同時施加自重、二期恒重和車道荷載，考慮到合六葉公路橋不等厚過渡區關于跨中橫斷面對稱，因此只提取跨中橫斷面一側的不等厚過渡區的彎矩計算結果，匯總如表2所示。

表2 2#與3#橋不等厚過渡區的彎矩值

由表2可知，在車道荷載與恒載共同作用下，最大豎向正彎矩出現在距離橋頭170m處的厚度變化處，彎矩值為2.12×105kN·m，此處頂層鋼板厚度由22mm變化至32mm，下層鋪裝厚度由49mm變化至39mm；最大豎向負彎矩出現在距離橋頭96m處，彎矩值為5.01×105kN·m，此處頂層鋼板厚度由28mm變化至36mm，下層鋪裝厚度由43mm變化至35mm。彎矩值越大代表該厚度變化處的鋼板更易發生相對形變，其上方的鋪裝結構承受更大的集中應力，更易發生開裂、脫層等鋪裝病害。分別截取此距離橋頭96m支座附近、縱橋向長15m的不等厚處箱梁進行細部力學響應研究。

為模擬局部箱梁的實際服役條件，對整橋模型施加一期恒載與二期恒載，得到局部箱梁的邊界條件為彎矩值4.06×105kN·m，豎向位移0.002m。

3 受力不利箱梁的細部力學分析

基于第2節的整橋分析結果，在有限元分析軟件ABAQUS中建立負彎矩值最大的細部箱梁模型。合六葉公路橋擬采用“雙層EA”鋪裝體系，模型中EA鋪裝層與頂層鋼板設定為實體單元，網格屬性設定為六邊形-結構網格；T形肋、U形肋等箱梁結構設定為殼單元，網格屬性設定為四邊形為主-自由，并采用進階算法。對局部箱梁施加第2節所得邊界條件，即彎矩值4.06×105kN·m，豎向位移0.002m。

局部箱梁的主體結構為鋼材Q370qD，密度7850kg/m3，在有限元模型中將其設定為各向同性的彈性材料，彈性模量取2.06×108kN/m2，泊松比取0.3；鋪裝層為雙2.06×108kN/m2層EA，密度取2560 kg/m3，有限元模型中將其設定為各向同性的彈性材料，彈性模量取6×106kN/m2，泊松比取0.35。依據設計文件，將材料屬性指派到各個構件，部分構件由殼單元建立，因此在截面指派步驟中指定各個殼單元部件的厚度，具體數據如表3所示。

表3 殼單元部件的厚度

為模擬實際行車荷載作用下不等厚過渡區鋪裝結構的力學響應，本研究基于Fortran語言編寫DLOAD子程序來實現移動行車荷載的施加，行車荷載移動速度設為100km/h。荷載大小采用公路I級荷載后軸加載，輪胎接地壓強設為1.17MPa，輪胎接地形狀簡化為矩形，如圖3所示。

圖3 簡化后的車輛荷載

由于橋面直接承受車輛的荷載作用，結合正交異性板的結構特點，橋面鋪裝在橫橋向存在三種作用荷位，即I號荷位：輪載中心施加于一加勁肋正上方；II號荷位：輪載中心施加于兩加勁肋間中點的正上方；III號荷位：輪載中心施加于一加勁肋邊的正上方，如圖4所示。

圖4 行車荷載沿橫斷面方向的不同位置

結合已有研究，III型荷位是正交異性板的最不利加載荷位，因此本研究直接選取III型荷位作為橫橋向的加載位置[2-3]。對于合六葉公路橋不等厚特殊結構，其不等厚過渡區上的鋪裝是整體鋪裝結構的薄弱點，設從頂層鋼板由薄變厚的方向為a，頂板厚度由厚變薄的方向為b，如圖5所示。本研究在III號橫橋向加載位置和兩種縱橋向行車方向，共2種荷載作用條件下，對不等厚過渡區上鋪裝結構的力學響應進行研究。

圖5 加載方向示意圖

通過設置沿縱橋向的路徑Path，輸出行車荷載通過不等厚過渡區的動力響應，如圖6所示。

圖6 不等厚過渡區的力學響應

由圖6可知，不等厚過渡區承受的應力顯著大于其他區域，且鋪裝厚度較厚區域的受力情況明顯優于鋪裝厚度較薄區域。在a向行車與b向行車條件下，不等厚過渡區的鋪裝結構均出現了應力集中現象，峰值出現在不等厚過渡區最薄的位置，橫向拉應力峰值達到了1.242MPa，縱向拉應力峰值達到了1.057MPa。不等厚過渡區的橫向拉應力峰值為其他區域的1.66倍，縱向拉應力峰值為其他區域的1.5倍。因此不等厚過渡區的鋪裝結構是合六葉公路橋整體鋪裝體系的薄弱環節之一，其較大的橫、縱向拉應力易導致鋪裝結構更早出現開裂病害。

4 結論

基于合六葉公路橋的整橋力學模型與局部箱梁細部力學模型，分析了其不等厚鋪裝結構在行車荷載作用下的力學響應，得到以下結論：

(1)合六葉公路橋距離橋頭96m處的不等厚過渡區，在整橋所有16處不等厚過渡區中受力情況最嚴峻，在一期、二期恒載與行車荷載共同作用下，其彎矩值達到了5.01×105kN·m。

(2)在行車荷載作用下，合六葉公路橋不等厚過渡區上鋪裝結構易產生較大的應力集中現象，其橫向拉應力峰值達到了1.242MPa，為其他區域的1.66倍；其縱向拉應力達到了1.057MPa，為其他區域的1.5倍。

(3)合六葉公路橋鋪裝結構形式特殊，縱橋向的不等厚過渡區是橋面鋪裝結構的受力不利位置，易產生開裂病害，需在通車后對其定期檢視，以保證鋪裝結構長期處于較好的服役狀態。