RPC-正交異性組合橋面荷載橫向分布系數(shù)研究

柯紅軍，馬偉

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

RPC-正交異性組合橋面荷載橫向分布系數(shù)研究

柯紅軍，馬偉

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

為研究活性粉末砼（RPC）-正交異性組合橋面在車(chē)輛荷載作用下的橫向分布系數(shù)，以某自錨式懸索橋?yàn)楣こ瘫尘?，取兩相鄰吊桿間部分鋼箱梁建立節(jié)段局部模型，采用車(chē)輛后軸重加載，通過(guò)對(duì)橫橋向單車(chē)加載、雙車(chē)加載和三車(chē)加載及不同橫向加載位置所對(duì)應(yīng)的不同工況進(jìn)行分析，得到5cmRPC組合橋面和純鋼橋面、不同RPC厚度兩種情況下的荷載橫向分布系數(shù)。研究結(jié)果表明，RPC組合橋面可明顯改善荷載橫向分布，分布系數(shù)比純鋼橋面更均勻，受力更合理；橋面荷載橫向分布系數(shù)的變化規(guī)律與其結(jié)構(gòu)剛度有著緊密關(guān)系，隨著RPC厚度的增加，組合橋面荷載橫向分布系數(shù)的變化幅度逐漸減小，RPC厚度建議取50mm。

橋梁；活性粉末砼（RPC）；正交異性板；組合橋面；車(chē)輛荷載；橫向分布系數(shù)

在車(chē)輛荷載作用下，橋面直接承受荷載，并將其傳遞給主梁、支座、橋墩，結(jié)構(gòu)本身受力特性是一個(gè)復(fù)雜的空間力學(xué)問(wèn)題，從結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形上對(duì)其進(jìn)行精確分析是困難的，為既簡(jiǎn)化分析又保證精度，引入荷載橫向分布系數(shù)的概念，將復(fù)雜的空間問(wèn)題轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的平面問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橋面荷載橫向分布系數(shù)進(jìn)行了大量研究，采用杠桿原理法、偏心壓力法、鉸接板（梁）法、鋼接梁法、比擬正交異性板法、G-M法和彈性支承連續(xù)梁法對(duì)裝配式T梁橋、寬箱梁橋、空心板橋、小箱梁橋、剛架拱橋、板橋和組合梁橋等橋面的荷載橫向分布進(jìn)行分析，取得了相應(yīng)研究成果。但現(xiàn)有研究基本針對(duì)傳統(tǒng)的橋梁，很少針對(duì)采用新型鋪裝材料的組合梁橋。倪章軍通過(guò)考慮工字形鋼縱梁與GFRP橋面板共同受力，分析了不同參數(shù)對(duì)橫向分布系數(shù)的影響；張銦考慮支撐梁和FRP橋面板的兩種組合情況，對(duì)比分析了FRP橋面板預(yù)應(yīng)力砼梁橋與砼橋面板預(yù)應(yīng)力砼梁橋、FRP橋面板鋼梁橋與砼橋面板鋼梁橋的荷載橫向分布系數(shù)；楊永清采用聚合物改性砼（MPC）加固空心板橋，為得到加固后的橫向分布計(jì)算方法，對(duì)荷載的橫向分布系數(shù)進(jìn)行了研究。

當(dāng)今交通事業(yè)飛速發(fā)展，鋼箱梁結(jié)構(gòu)被越來(lái)越多地應(yīng)用到大跨徑橋梁中，不同材料與正交異性板組合結(jié)構(gòu)在車(chē)輛荷載下的橫向分布系數(shù)也是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。目前，活性粉末砼（RPC）-正交異性組合橋面的荷載橫向分布系數(shù)尚未有人研究，該文將對(duì)此展開(kāi)分析。

1　荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算原理

在荷載作用下，橫橋向各主梁會(huì)不同程度地參與受力，并隨著荷載作用位置的不同，各主梁承擔(dān)的荷載也不一樣。為得到某根主梁最不利荷載位置下的最大內(nèi)力，通常的方法是先在橫橋向確定荷載最不利位置，然后將荷載在橋縱向移動(dòng)，找到縱向的最不利位置，計(jì)算出最大內(nèi)力值。該方法的中心思想就是將空間力學(xué)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面力學(xué)問(wèn)題，即假設(shè)一荷載P作用于（x，y）處，某主梁截面處的內(nèi)力值S按下式計(jì)算：

式中：η（x，y）為空間計(jì)算中某梁的內(nèi)力影響面；η1（x）為單位荷載沿橫橋向作用不同位置時(shí)，某梁的荷載橫向分布影響線；η2（y）為單梁在縱橋向某一截面的內(nèi)力影響線。

2　荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算

2.1理論計(jì)算模型

鋼箱梁不同于普通砼箱梁，其橫隔板間距較小，整體構(gòu)造及力學(xué)性能復(fù)雜，在車(chē)輛荷載作用下，局部受力特征明顯。截取具有代表性的兩相鄰吊桿間距12m的鋼箱梁節(jié)段，并按對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)取一半建立有限元模型，其橫斷面如圖1所示，組成構(gòu)件的幾何參數(shù)如表1所示。采用有限元軟件MIDASFEA進(jìn)行分析，鋼結(jié)構(gòu)部分采用板單元模擬，RPC鋪裝層采用體單元模擬，頂板與RPC鋪裝層的接觸面完全耦合，全橋共劃分為616535個(gè)單元、610903個(gè)節(jié)點(diǎn)。邊界條件除底板、底板U肋為固結(jié)約束外，其他組成構(gòu)件切開(kāi)部位按正對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束。有限元模型如圖2所示。

圖1　1/2鋼箱梁橫斷面圖

表1　鋼箱梁構(gòu)件幾何參數(shù)　mm

圖2　鋼箱梁有限元模型

2.2荷載工況

根據(jù)JTGD64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》，橋面加載車(chē)輛的主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示?？紤]到橫隔板間距只有3m，而車(chē)輛的軸距最小為1.4 m、最大為7m，當(dāng)某軸輪載作用于跨中位置時(shí)，最近的車(chē)軸位于橋面板的剛性支承橫隔板處，由于車(chē)輛荷載作用下剛性支承的局部效應(yīng)十分顯著，橫隔板處產(chǎn)生的荷載效應(yīng)對(duì)跨中的影響可忽略不計(jì)；當(dāng)中或后軸兩軸對(duì)稱(chēng)作用于跨中位置時(shí)，荷載效應(yīng)比單軸作用跨中的結(jié)果更不利。因此，在建模加載計(jì)算時(shí)，考慮最不利荷載的最不利加載位置，采用車(chē)輛后軸重力標(biāo)準(zhǔn)值2×140kN在跨中對(duì)稱(chēng)加載。車(chē)輪著地尺寸為0.6m（寬）×0.2m（長(zhǎng)），荷載按均布荷載形式施加。

表2　車(chē)輛荷載的主要技術(shù)指標(biāo)

橋面單向三車(chē)道，從內(nèi)往外分別為超車(chē)道、重車(chē)道和慢車(chē)道，車(chē)道布置為2×3.75m+3.5m。由圖1可知頂板U肋共20根，取從左到右第1-20號(hào)U肋，分別計(jì)算其在單車(chē)加載、雙車(chē)加載和三車(chē)加載下的荷載橫向分布系數(shù)。單車(chē)、雙車(chē)、三車(chē)加載下共計(jì)8種工況（如圖3所示）：

（1）單車(chē)加載。單車(chē)加載分3種工況，分別為車(chē)輛左后輪中心距超車(chē)道外邊線0.5m、車(chē)輛后軸位于重車(chē)道正中間、車(chē)輛右后輪中心距慢車(chē)道外邊線0.5m。記為工況1～3。

（2）雙車(chē)加載。雙車(chē)加載分3種工況，第一輛車(chē)加載位置同單車(chē)加載，第二輛車(chē)加載位置分別在第一輛車(chē)的右邊、左邊，車(chē)輛距離均為1.3m。記為工況4～6。

（3）三車(chē)加載。三車(chē)加載分2種工況，第一、二輛車(chē)加載位置同雙車(chē)加載的一、三工況，第三輛車(chē)加載位置分別在第二輛車(chē)的右邊、左邊，兩相鄰車(chē)輛間距均為1.3m。記為工況7～8。

圖3　荷載工況示意圖（單位：m）

2.3分析結(jié)果

組合橋面結(jié)構(gòu)在車(chē)輛荷載的直接作用下，U肋縱向發(fā)生撓曲變形，將車(chē)輛沿橫橋向不同位置加載，可得到各U肋跨中的撓度影響線，并由式（2）計(jì)算跨中的荷載橫向分布系數(shù)。為揭示RPC-正交異性組合橋面的荷載橫向分布規(guī)律，通過(guò)以下2個(gè)參量變化作對(duì)比分析：1）純鋼橋面與組合橋面；2）不同RPC厚度的組合橋面。

式中：mk為第k號(hào)U肋的荷載橫向分布系數(shù)；fi為第k號(hào)U肋的撓度值；N為橫向分布車(chē)輛數(shù)。

2.3.1純鋼橋面與組合橋面對(duì)比分析

無(wú)論是正交異性板純鋼橋面，還是RPC-正交異性組合橋面，在車(chē)輛輪載作用下都有較明顯的局部效應(yīng)，單個(gè)箱室內(nèi)，U肋在荷載下的撓度隨著U肋距車(chē)輪的距離增大而減小。由于鋼箱梁設(shè)有縱隔板，當(dāng)車(chē)輪只作用于縱隔板一側(cè)時(shí)，另一側(cè)板和U肋會(huì)發(fā)生向上的翹曲變形，在計(jì)算荷載橫向分布系數(shù)時(shí)不考慮向上變形的U肋參與荷載分布作用，這種情況下計(jì)算的U肋內(nèi)力比實(shí)際內(nèi)力大，在用于指導(dǎo)實(shí)踐時(shí)結(jié)果也偏于安全（如圖4～11所示）。

圖4　工況1下純鋼橋面與組合橋面橫向分布系數(shù)對(duì)比

圖5　工況2下純鋼橋面與組合橋面橫向分布系數(shù)對(duì)比

圖6　工況3下純鋼橋面與組合橋面橫向分布系數(shù)對(duì)比

圖7　工況4下純鋼橋面與組合橋面橫向分布系數(shù)對(duì)比

圖8　工況5下純鋼橋面與組合橋面橫向分布系數(shù)對(duì)比

由圖4～11可知：純鋼橋面單車(chē)加載的工況1 ～3分別出現(xiàn)2個(gè)峰值，雙車(chē)加載的工況4～6分別出現(xiàn)4個(gè)峰值，三車(chē)加載的工況7～8分別出現(xiàn)6個(gè)峰值，各峰值位置即為車(chē)輪的加載位置，說(shuō)明其受力具有明顯的局部效應(yīng)；而增加鋪裝RPC層后的組合橋面，其分布系數(shù)峰值明顯消減，車(chē)輪作用位置的U肋橫向分布系數(shù)減小，兩相鄰車(chē)輪之間的U肋橫向分布系數(shù)增大，尤其在雙車(chē)加載、三車(chē)加載的相鄰車(chē)輛之間的位置，各U肋橫向分布系數(shù)非常接近，近似均勻受力，說(shuō)明橋面結(jié)構(gòu)局部效應(yīng)減弱，整體受力性能得到加強(qiáng)。

圖9　工況6下純鋼橋面與組合橋面橫向分布系數(shù)對(duì)比

圖10　工況7下純鋼橋面與組合橋面橫向分布系數(shù)對(duì)比

圖11　工況8下純鋼橋面與組合橋面橫向分布系數(shù)對(duì)比

2.3.2不同RPC厚度的組合橋面對(duì)比分析

由于鋼箱梁頂板厚度小，其在荷載作用下局部變形大，當(dāng)與彈性模量大、強(qiáng)度高的RPC材料組成組合橋面時(shí)，其等效剛度大幅度提高，在輪載作用下的局部效應(yīng)減弱，局部變形也得到改善（如圖12～ 19所示）。

圖12　工況1下不同RPC厚度組合橋面橫向分布系數(shù)

圖13　工況2下不同RPC厚度組合橋面橫向分布系數(shù)

圖14　工況3下不同RPC厚度組合橋面橫向分布系數(shù)

由圖12～19可知：隨著RPC厚度的增加，組合橋面荷載橫向分布系數(shù)的變化幅度逐漸減小，橋面協(xié)調(diào)受力性能增強(qiáng)。從圖中波峰、波谷的峰值轉(zhuǎn)換處可以看出，當(dāng)RPC厚度取40～60mm時(shí)，橋面橫向分布系數(shù)更均勻，結(jié)構(gòu)整體性能更佳。在考慮結(jié)構(gòu)自重及工程經(jīng)濟(jì)性因素的前提下，RPC厚度建議取50mm。

圖15　工況4下不同RPC厚度組合橋面橫向分布系數(shù)

圖16　工況5下不同RPC厚度組合橋面橫向分布系數(shù)

圖17　工況6下不同RPC厚度組合橋面橫向分布系數(shù)

圖18　工況7下不同RPC厚度組合橋面橫向分布系數(shù)

圖19　工況8下不同RPC厚度組合橋面橫向分布系數(shù)

3　結(jié)論

（1）純鋼橋面的荷載橫向分布系數(shù)變化幅度大，局部效應(yīng)明顯，相比之下，RPC-正交異性組合橋面的荷載橫向分布系數(shù)變化相對(duì)趨于平緩，說(shuō)明RPC組合橋面剛度大，能顯著改善局部受力，提高整體協(xié)調(diào)受力性能。

（2）橋面荷載橫向分布系數(shù)的變化規(guī)律與其結(jié)構(gòu)剛度有著緊密關(guān)系，隨著RPC厚度的增加，結(jié)構(gòu)剛度增大，組合橋面荷載橫向分布系數(shù)的變化幅度逐漸減小，橋面協(xié)調(diào)受力性能增強(qiáng)；當(dāng)RPC厚度取40～60mm時(shí)，橫向分布系數(shù)更均勻，結(jié)構(gòu)整體性能更佳。在考慮結(jié)構(gòu)自重及工程經(jīng)濟(jì)性因素的前提下，RPC厚度建議取50mm。

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1671-2668（2016）04-0155-05

2016-02-29