復(fù)合澆筑式瀝青鋼橋面鋪裝層力學(xué)計算

朱華平，李國芬，曹 牧，2，王宏暢

（1.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210037；2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，南京 210005）

1 前言

近年來，各種大跨徑鋼橋在我國的公路建設(shè)中得到廣泛運(yùn)用，大跨徑橋梁大都采用正交異性鋼橋面板以及瀝青混凝土作為橋面鋪裝體系[1]。在一般的橋梁設(shè)計中只把橋面鋪裝作為恒載考慮，極少對其本身的受力做特殊的設(shè)計，這就從設(shè)計角度上給橋面鋪裝早期病害埋下了隱患[2]。計算鋪裝層在行車荷載作用下的力學(xué)特性，提出力學(xué)控制指標(biāo)，可以為接下來的混合料設(shè)計提供參考依據(jù)[3]。本文利用通用有限元軟件ANSYS，對復(fù)合澆筑式瀝青鋪裝層進(jìn)行力學(xué)分析，首先分析其在車輪荷載的靜力作用下的受力特性，然后計算在移動荷載的作用下橋面鋪裝層力學(xué)響應(yīng)的變化。

2 橋面鋪裝分析模型

瀝青混凝土鋪裝層開裂破壞主要與鋼橋面的局部變形有關(guān)[4]。取瀝青混凝土鋪裝層與正交異性鋼橋面作為計算模型，計算采用正交異性鋼橋面鋪裝體系模型，建立鋼箱梁段的局部模型（見圖1）。分析模型中鋼箱梁的橋面板、橫隔板、縱向U形加勁肋采用板單元進(jìn)行模擬。對于75 mm厚的復(fù)合澆筑式鋪裝層用三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬。橋面頂板、加勁肋、腹板以及橫隔板彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3。鋪裝上層的改性瀝青厚度為35 mm，彈性模量為1200 MPa，鋪裝下層的澆筑式瀝青混凝土厚度為40 mm，彈性模量為5000 MPa，鋪裝兩層的泊松比均為0.25。

圖1 局部鋼箱梁有限元模型Fig.1 Local steel box girder finite element model

3 鋪裝層內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變分析

鋪裝層表面的彎拉應(yīng)力、應(yīng)變將會導(dǎo)致疲勞裂縫[5]。因此，鋪裝層的最大拉應(yīng)力與拉應(yīng)變是控制鋪裝層開裂破壞的重要設(shè)計指標(biāo)，分析其在正交異性板上的分布規(guī)律可以了解鋪裝層開裂破壞的特性，在接下來的混合料設(shè)計中可以采取有效的防范措施。根據(jù)鋼橋面的幾何特征，取縱橫向的不同荷位加載單輪荷載，尋找最不利的荷位以及最不利荷位上的應(yīng)力、應(yīng)變控制指標(biāo)。計算汽車輪載相對頂板U肋以及橫隔板的不同橫向位置對鋪裝層受力的影響，輪載分為3種情況，即H1：輪載對稱施加于一加勁肋的一側(cè)正上方；H2：輪載施加于兩加勁肋中間的正上方；H3：輪載施加于加勁肋中心的正上方。同時輪載從橫隔板上方向跨中等間距移動，分為Z1至Z5這5個縱橫向荷位（見圖2）。表1給出了鋪裝層的受力統(tǒng)計情況。

圖2 縱橫向荷位Fig.2 Vertical and horizontal load position

表1 鋪裝層受力統(tǒng)計Table 1 Pavement stress statistics

由以上的計算結(jié)果可知：

1）鋪裝層的橫向拉應(yīng)力和拉應(yīng)力應(yīng)變均要大于同位置處的縱向拉應(yīng)力和拉應(yīng)力應(yīng)變；當(dāng)荷載作用在橫隔板正上方的時候，橫向拉應(yīng)變與縱向拉應(yīng)變差值不大，縱向拉應(yīng)變要略大于橫向拉應(yīng)變，而作用在兩橫隔板之間時，最大橫向拉應(yīng)變要遠(yuǎn)大于縱向拉應(yīng)變，故鋪裝層的橫向拉應(yīng)力（應(yīng)變）是造成鋪裝層開裂特別是縱向開裂的一個主要因素。

2）在同一橫向荷位上，兩橫隔板之間的跨中處縱向拉應(yīng)力達(dá)到最大值；在同一縱向荷位上，橫向荷位3引起的橫向拉應(yīng)變數(shù)值為最大（見圖3），接下來依次是橫向荷位2和橫向荷位1，其中兩橫隔板跨中的橫向荷位3為計算最大值，其橫向拉應(yīng)力值為0.224 MPa，橫向拉應(yīng)變的值為194 με。

圖3 縱橫向最大應(yīng)力、應(yīng)變Fig.3 Vertical and horizontal maximum stress and strain

由圖3可知，正交異性鋼橋面受力具有很強(qiáng)的載荷局部效應(yīng)，隨著離荷載作用中心的距離增大，局部效應(yīng)衰減迅速。鋪裝層的最大橫向拉應(yīng)力出現(xiàn)在U肋兩側(cè)上方的鋪裝層表面，而鋪裝層的最大縱向拉應(yīng)力出現(xiàn)在橫隔板上方的鋪裝層表面，故橫向裂縫容易出現(xiàn)在橫隔板的上方。

4 鋪裝層在移動荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)

在前述鋪裝層的靜荷載分析中，鋪裝層的橫向拉應(yīng)力較大，并且出現(xiàn)在兩橫隔板的跨中處，本節(jié)在局部模型的鋪裝層表面施加車輛荷載，橫向加載位置選擇上節(jié)分析結(jié)果中拉應(yīng)力最大的荷位3，通過設(shè)置時間函數(shù)以及荷載步，模擬車輛恒載在鋪裝層表面勻速移動。分析得出鋪裝層的動力響應(yīng)隨荷載移動的變化規(guī)律。表2列出了荷載在鋪裝層移動時，鋪裝層的橫向拉應(yīng)力變化。

表2 移動荷載下鋪裝層最大橫向拉應(yīng)力Table 2 The maximum transverse tensile stress on moving load

從表2可以看出，當(dāng)荷載運(yùn)動到兩塊橫隔板跨中位置附近時，并不是橫向最大拉應(yīng)力，最大橫向拉應(yīng)力出現(xiàn)峰值處位于荷載移動到兩橫隔板2/3處。動荷載沿縱向移動時，鋪裝層的最大橫向拉應(yīng)力的變化規(guī)律是一條波動性較強(qiáng)的曲線。由于荷載的大小沒有規(guī)律地不斷變化，荷載作用的位置也在不斷變化，最大橫向拉應(yīng)力的變化也沒有明顯的規(guī)律性，峰值大小為0.276 MPa。根據(jù)《公路橋梁建筑設(shè)計規(guī)范》計算在縱向上考慮雙排輪的作用即作用后軸雙輪荷載，前后軸距取1.4 m，并與單輪荷載以及只考慮單軸作用進(jìn)行比較（見圖4）。

由圖4可知，前后雙軸動荷載沿縱向移動時，鋪裝層的最大橫向拉應(yīng)力的變化規(guī)律是一條波動性較強(qiáng)的曲線，并且產(chǎn)生的拉應(yīng)力要大于只計算單軸的最大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.424 MPa。

5 結(jié)語

圖4 單輪荷載與雙輪荷載應(yīng)力比較Fig.4 Comparison of single wheel load and wheel load stress

在車輪荷載作用下，鋪裝層產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力（應(yīng)變）均要大于縱向拉應(yīng)力（應(yīng)變）；當(dāng)荷載作用在橫隔板正上方的時候，橫向拉應(yīng)變與縱向拉應(yīng)變差值不大，縱向拉應(yīng)變要略大于橫向拉應(yīng)變，而作用在兩橫隔板之間時，最大橫向拉應(yīng)變要遠(yuǎn)大于縱向拉應(yīng)變，故鋪裝層的橫向拉應(yīng)力（應(yīng)變）是造成鋪裝層的開裂，特別是縱向開裂的一個主要因素。正交異性鋼橋面受力具有很強(qiáng)的荷載局部效應(yīng)，產(chǎn)生的應(yīng)力向兩側(cè)迅速衰減。鋪裝層的最大橫向拉應(yīng)力出現(xiàn)在靠近荷載邊緣U肋上方的鋪裝層頂面，而鋪裝層的最大縱向拉應(yīng)力出現(xiàn)在橫隔板頂板的鋪裝層表面，故橫隔板的上方容易出現(xiàn)橫向裂縫。當(dāng)模擬移動車輪荷載時，鋪裝層的最大橫向拉應(yīng)力出現(xiàn)峰值處位于荷載移動到兩橫隔板2/3處，并且大于靜力荷載作用下的分析結(jié)果近20%。同時，在動力荷載作用下，荷載效應(yīng)的組合對鋪裝層的應(yīng)力產(chǎn)生較大影響，最大應(yīng)力提高60%。

[1] 胡光偉，黃 衛(wèi)，張曉春.潤揚(yáng)大橋鋼橋面鋪裝層力學(xué)分析[J] .公路交通科技，2002（4）：20-25.

[2] 李 昶，顧興宇.大跨徑鋼橋橋面鋪裝力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計[M] .南京：東南大學(xué)出版社，2007.

[3] 余叔藩，陳仕周，陳獻(xiàn)南.大跨徑懸索橋鋼橋面瀝青鋪裝技術(shù)[J] .中國公路學(xué)報，1998，11（3）：32-40.

[4] 成 峰，徐 敏，劉 見.潤揚(yáng)大橋試驗(yàn)橋鋼橋面鋪裝力學(xué)分析[J] .江蘇交通，2003（9）：28-31.

[5] 黃成造.鋼箱梁橋面鋪裝力學(xué)行為與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D] .西安：長安大學(xué)，2010.