剛性橋面鋪裝的受力特性分析

趙 云 鵬

(1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱 150040; 2.遼寧省交通規劃設計院，遼寧沈陽 110166)

21世紀的今天，我國公路普遍存在的重要問題則是橋面鋪裝的病害，相關人士對橋面鋪裝病害的原因進行了多方面的研究分析，總結發現其剛性橋面病害的主要原因源于橋面鋪裝施工、鋪裝結構受力特性相對復雜以及鋪裝材料性能三個方面。而對鋪裝結構的受力特性進行詳細的了解，是對橋面鋪裝材料和結構設計加以選擇的必要條件，因此本文對剛性橋面鋪裝的受力特性進行分析有一定的經濟價值和現實意義。

1 裝配式空心剛性橋面的結構概況

以陜西某一公路工程為例，該橋主要是一種裝配式預應力混凝土空心式板橋，主要有三跨，其單跨之間的跨徑主要為13 m，該橋的全長為39 m。該橋的上部主要是對裝配式預應力混凝土空心板加以使用，而其下部主要是對肋板柱式臺加以采用，柱式墩為其主要的橋墩。該橋的橫向主要有12塊預應力混凝土空心板，在其連接的過程中主要借助于鉸縫，在空心板鉸縫內對鋼筋進行預留，同時通過對和相鄰空心板的鋼筋實現交叉綁扎，并在墩臺上將橫向抗震擋塊加以設置。荷載等級設計的過程中，汽車設置為超20級，掛車為120級，空心板上現澆C40混凝土鋪裝層的厚度為10 cm。最上層瀝青混凝土面層的厚度為10 cm。

2 剛性橋面鋪裝受力的計算方案

1)三維有限元計算模型的構建。

三維有限元計算模型在實際的構建過程中，在對人力因素進行忽略的前提下，同時對橋面的截面幾何尺寸不沿著縱向發生變化進行假設，并將橋墩和承臺的變形這一現象加以忽略，將其橋面視為剛體，對空心板和鋪裝層之間的完全連續進行假定，在實際的計算分析過程中，通過對坐標系加以采用，橋的橫向用X表示，豎直向上用Y表示，橋的縱向用Z表示，并對企口縫處的應力狀態進行計算，同時計算鋪裝層和空心板之間的粘結性能，模擬計算分析截取橋梁單跨，對空心板間鉸接和鉸完全破壞兩種情況進行考慮和計算。

近年來，有限元方法的發展逐漸加快，同時有限元方法主要是一種相對成熟的數值分析方法，在當前各個領域都有著一定的應用范圍，主要是對各種復雜的實際問題進行解決，其單元類型相對來說是多種多樣的，一般而言，單元的不同將會有著不同的位移模式。本工程在對三維有限元計算模型進行構建的過程中，主要是對空間塊體單元Soild45加以采用，并對橋梁進行某種程度上的有限元網絡部分劃分，鉸在完全破壞的過程中，其劃分的單元總數主要為105 560，而其節點的總數主要為137 800，鉸接過程中劃分的單元總數主要為127 400，而其節點的總數主要為150 733。

2)荷載的計算。

在對橋涵進行設計的過程中，其車輛荷載主要有計算和驗算兩種，在對荷載進行計算的過程中，主要通過汽車車隊加以表示，而對荷載進行驗算的過程中，主要通過借助于平板掛車和履帶車進行表示。依據于相關的設計要求，該工程剛性橋主要是對計算荷載汽車—超20級以及驗算荷載掛車—120加以采用，汽車—超20在實際的橫向布載過程中，主要為并排兩輛，而其掛車—120在橋梁全長的過程中主要采用一輛布載。荷載在計算的過程中，通過對汽車荷載沖擊系數進行計算過程匯總，其平板掛車盡可能的不將沖擊力計入，并將車載各個車輪對其橋面的作用力盡可能的簡化為相關的均布力，在對輪載作用面積進行確定的過程中嚴格的按照相關的規范進行。

3)工況的計算。

工況在實際的計算過程中，主要是對空心板簡單鉸接模型加以借用，通過對重車車輪荷載的不同作用位置進行比較，對鋪裝層和空心板交界面的應力狀況以及鋪裝層局部應力狀況進行分析的，主要有以下幾種工況計算方式。

第一種:鉸縫破壞的時候，汽車—超20輪載作用主要存在于中間的鉸縫處。第二種:鉸縫破壞的時候，汽車—超20輪載的作用存在于邊緣的0.5 m處。第三種:鉸縫破壞的時候，掛車—120輪載的作用主要存在于中間的鉸縫處。第四種:鉸縫破壞的時候，掛車—120輪載的作用存在于邊緣的1.25 m處。第五種:對鉸接加以考慮，汽車—超20輪載作用主要存在于中間的鉸縫處。第六種:對鉸接加以考慮，汽車—超20輪載的作用存在于邊緣的0.5 m處。第七種:對鉸接加以考慮，掛車—120輪載的作用主要存在于中間的鉸縫處。第八種:對鉸接加以考慮，掛車—120輪載的作用存在于邊緣的1.25 m處。

就其實質性而言，汽車—超20的橫向布置如圖1所示，掛車—120的橫向布置如圖2所示。

3 剛性橋面鋪裝受力的計算結果

在對橋面鋪裝結構的受力特點進行分析的過程中，計算分析了其對鋪裝層的最大撓度、剪應力、正應力以及主應力。

就橋面鋪裝層的撓度而言，該工程橋面板借助于車輛荷載作用，其最大的豎向撓度主要發生在第四種工況中，橋面在偏載的作用下其最外側的空心板豎向撓度最大為9.82 mm，但是仍然在容許撓度范圍之內，符合相關的要求。

就橋面鋪裝層的拉應力而言，目前橋面鋪裝層的開裂是橋面常見的一種破壞，裂縫出現的過程中，逐漸將其延伸到面層，進而逐漸形成貫穿裂縫，不僅僅對橋面鋪裝的使用性能有著直接性的影響，同時對空心板的強度和使用壽命也有著極大的威脅。因此更應該對鋪裝層開裂破壞的鋪裝層最大拉應力進行控制，對其分布變化規律進行科學性的分析和掌握，將鋪裝層開裂破壞的特性進行了解，進而對有效的防范措施加以采用。

圖1 汽車—超20的橫向布置

圖2 掛車—120的橫向布置

最后就橋面鋪裝層的剪應力而言，橋面鋪裝病變的一個重要原因則是橋面鋪裝粘結層的破壞，由于橋面板間的接觸粘結和鋪裝層有著相對復雜的粘結狀態，其層間不僅僅有著一定的粘結層材料的粘結力，同時在某種程度上同樣也存在相關的橋面板間的摩擦阻力。一旦鉸接完成之后，隨著縱向剪應力的逐漸增大，其鋪裝層內的第一主應力以及其縱向的正應力同樣也在不斷增大著。一旦其鉸接破壞，尤其是在輪載的作用下，其橋面鋪裝層在某種程度上將會存在相對較大的豎向剪應力，在第三種工況的過程中，剪應力最大為2.360 MPa。

4 結語

通過本文對剛性橋面鋪裝的受力特性進行分析可知，橋面鋪裝層通過荷載的作用，不僅僅有著相對復雜的局部受力情況，同時本工程橋的最大豎向撓度主要為9.82 mm，符合相關的規范要求，同時該橋的橋面鋪裝層的最大主拉應力有著相對較小的作用范圍，但是完全符合混凝土的抗拉要求，在對其受力情況進行分析的過程中，更應該提高對應力集中區域的重視度。

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