低溫-重載耦合作用下鋼橋面鋪裝力學(xué)特性

彭廣銀，景晶晶

（1.中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京210043；2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇南京211100）

低溫-重載耦合作用下鋼橋面鋪裝力學(xué)特性

彭廣銀1，景晶晶2

（1.中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京210043；2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇南京211100）

針對鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)，建立正交異性鋼橋面鋪裝三維力學(xué)模型，研究低溫-重載耦合作用下鋼橋面鋪裝的力學(xué)特性，并與不考慮溫度作用的結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，低溫-重載耦合作用下鋼橋面鋪裝拉應(yīng)力顯著增大，最大拉應(yīng)力可達(dá)荷載單獨作用的四倍。

鋼橋面鋪裝；環(huán)氧瀝青混凝土；低溫-重載；力學(xué)特性

0 引言

在行車荷載、風(fēng)載和溫度變化等因素影響下，鋼橋面鋪裝受力和變形復(fù)雜，要求鋪裝材料具有高黏結(jié)性及不透水性。環(huán)氧瀝青混凝土以其優(yōu)異的性能廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外鋼橋面鋪裝，然而在實際工程中發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧瀝青混凝土應(yīng)用于鋼橋面鋪裝仍舊存在開裂等病害。環(huán)氧瀝青混凝土是非均質(zhì)、溫度敏感性材料，其內(nèi)部包含很多天然微孔隙和微裂縫，在荷載條件和環(huán)境溫度影響下，其原始缺陷不斷發(fā)展形成宏觀裂縫，從而影響鋼橋面鋪裝的使用性能。

國內(nèi)對鋼橋面鋪裝熱-力耦合方面的研究尚處于起步階段。張起森等[1,2]采用動態(tài)數(shù)據(jù)采集方法分析了車速和溫度對鋪裝應(yīng)變的影響，并對幾種典型鋪裝方案的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測。王匯[3]利用有限元軟件對正交異性鋼橋面瀝青混凝土鋪裝在連續(xù)變溫和移動荷載條件下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析。徐勛倩等[4]基于損傷力學(xué)分析了環(huán)境溫度和循環(huán)車輛荷載作用下鋼橋面瀝青混凝土鋪裝的疲勞損傷特性，發(fā)現(xiàn)考慮環(huán)境溫度和車輛荷載作用的鋼橋面鋪裝疲勞壽命小于單一車輛荷載作用，差值最大可達(dá)44%。李彥春[5]等針對高溫、低溫，以及不同超載率，研究了鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層厚度、模量對鋪裝層表面最大拉應(yīng)變的影響，發(fā)現(xiàn)溫度-荷載作用下鋼橋面鋪裝最大拉應(yīng)變較荷載單獨作用顯著增大。綜合國內(nèi)鋼橋面鋪裝熱-力耦合的研究現(xiàn)狀，目前針對鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝在低溫-重載耦合作用下力學(xué)響應(yīng)的研究尚少。本文考慮環(huán)境溫度和車輛荷載條件，研究在低溫-重載耦合作用下鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝的力學(xué)特性。該研究對鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝設(shè)計與裂縫病害防治具有參考價值。

1 鋼橋面鋪裝受力分析模型

1.1 鋼橋面鋪裝有限元模型

選取一塊正交異性鋼橋面板作為計算模型，如圖1所示。鋼橋面沿橫向取7個梯形加勁肋，沿縱向取3跨，包括4塊橫隔板[6]，尺寸如表1所列。模型假設(shè)鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝連續(xù)、均勻、完全彈性、各向同性；正交異性板位移和變形微小；鋪裝與鋼板完全連續(xù)，僅存在豎向位移；不計鋼板和鋪裝的自重。

圖1 正交異性鋼橋面鋪裝有限元模型

1.2 輪胎模型

以11.00R20-18PR全鋼載重子午線輪胎為對象，簡化輪轂處尖角及輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)細(xì)長夾角位置，合并材料特性相同和相近部分。使用A u to C A D創(chuàng)建輪胎斷面幾何模型，導(dǎo)入A ba q u s有限元軟件建立輪胎模型。輪胎模型中胎側(cè)、胎冠采用純橡膠材料。胎體、帶束層和胎圈采用橡膠-簾線復(fù)合材料。在輪胎氣密層內(nèi)側(cè)以均布荷載的方式施加0.85 MPa壓力，模擬輪胎的充氣過程。

表1 鋼橋面鋪裝模型幾何及材料參數(shù)表

對比輪胎模型充氣過程模擬結(jié)果與實測結(jié)果[7,8]發(fā)現(xiàn)，輪胎充氣后，輪胎外直徑計算值為1 060 mm，與實測值相差0.71%；斷面寬度計算值為279 mm，與實測值相差3.72%；斷面高度計算值為273 mm，與實測值相差1.11%。模擬結(jié)果與實測結(jié)果中輪胎輪廓尺寸變化不大，偏差在允許誤差范圍內(nèi)。因此，本文建立的輪胎模型能真實地反映輪胎實際狀態(tài)，滿足研究需要。

1.3 最不利荷載位置

研究[9,10]表明，雙輪荷載中一輪位于U型加勁肋中心位置時，鋼橋面鋪裝拉應(yīng)力及鋼橋面板與鋪裝界面縱、橫向剪應(yīng)力最大。因此，后續(xù)計算均按照此荷位進(jìn)行加載，如圖2所示。

2 鋼橋面鋪裝溫度場模擬

2.1 鋼橋面鋪裝溫度場

圖2 最不利荷載位置圖

以長江中下游地區(qū)的南京作為代表，利用南京信息工程大學(xué)天氣在線查詢系統(tǒng)調(diào)查其典型冬季低溫氣候。采用A ba q u s有限元軟件計算冬季低溫條件下鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝溫度場，結(jié)果見圖3所示。鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝熱物性參數(shù)[11,12]見表2所列。相對鋼橋面鋪裝表層，鋪裝底層溫度變化較小，變化相位滯后。冬季低溫條件下，鋪裝表層最高溫度出現(xiàn)在14:00左右，鋪裝底層最高溫度約滯后1 h出現(xiàn)。鋪裝底層最低溫度大約出現(xiàn)在6:00。此外，鋪裝溫度變化速率隨著鋪裝深度的增大而減小，上午鋪裝溫度上升速率大于下午鋪裝降溫速率，最大升溫速率出現(xiàn)在9:00～10:00，最大降溫速率出現(xiàn)在15:00～16:00，由于瀝青材料的溫縮性能，在該時間段鋼橋面鋪裝容易發(fā)生開裂。

圖3 鋼橋面鋪裝溫度應(yīng)力隨時間變化曲線圖

2.2 鋼橋面鋪裝溫度應(yīng)力

本節(jié)考慮降溫條件下鋼橋面鋪裝的溫度應(yīng)力，如圖3所示。隨著溫度的降低，鋼橋面鋪裝的溫度應(yīng)力不斷增大，表現(xiàn)為受拉狀態(tài)，且同一時刻降溫產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力與縱向拉應(yīng)力相差不大。

表2 鋼橋面鋪裝熱物性參數(shù)表

3 低溫-重載耦合作用下鋼橋面鋪裝力學(xué)響應(yīng)

考慮低溫-重載耦合作用下鋼橋面鋪裝的力學(xué)響應(yīng)時，應(yīng)選取鋼橋面鋪裝受力的最不利情況。荷載施加方式如圖4所示，荷載從兩橫隔板中心處（位置1）開始勻速移動，跨過一個橫隔板（位置2）至另兩個橫隔板中心（位置3）結(jié)束。由前文可知，在24:00時鋼橋面鋪裝溫度應(yīng)力達(dá)到最大。故而將24:00溫度場與重載作用耦合，計算150 k N、200 k N、250 k N、300 k N、350 k N五種重軸載作用下的鋼橋面鋪裝力學(xué)響應(yīng)，結(jié)果見圖5、圖6所示。

圖4 荷載加載方式圖示

圖5 鋼橋面鋪裝最大橫向拉應(yīng)力曲線圖

圖6 鋼橋面鋪裝最大縱向拉應(yīng)力曲線圖

由圖5可知，鋼橋面鋪裝橫向拉應(yīng)力隨著軸載的增大而增大。軸載從位置1運動到位置2的過程中，鋼橋面鋪裝橫向拉應(yīng)力先減小再增大，最大橫向拉應(yīng)力出現(xiàn)在位置1和位置2，說明兩橫隔板中間和橫隔板上方的鋼橋面鋪裝在低溫-重載作用下承受較大的橫向拉應(yīng)力，容易產(chǎn)生縱向裂縫。由圖6可知，鋼橋面鋪裝縱向拉應(yīng)力隨著軸載的增大而增大。軸載從位置1運動到位置2的過程中，鋼橋面鋪裝縱向拉應(yīng)力先緩慢增加再迅速降低，這是由于橫隔板限制其附近鋼橋面鋪裝的變形，從而減小了橫隔板附近的縱向拉應(yīng)力。最大縱向拉應(yīng)力出現(xiàn)在位置2附近，說明該位置更容易產(chǎn)生橫向裂縫。對比圖5、圖6可知，低溫-重載耦合作用下鋼橋面鋪裝縱向拉應(yīng)力總是大于橫向拉應(yīng)力，因此低溫-重載耦合作用下鋼橋面鋪裝拉應(yīng)力控制指標(biāo)應(yīng)為縱向拉應(yīng)力。圖7表示低溫-重載耦合作用下與重載單獨作用下的鋼橋面鋪裝拉應(yīng)力與軸載的關(guān)系。由圖7可知，低溫-重載耦合作用下鋼橋面鋪裝縱向拉應(yīng)力約為重載單獨作用的140%～200%，橫向拉應(yīng)力約為重載單獨作用的250%～400%。結(jié)果表明在鋼橋面鋪裝設(shè)計中考慮低溫-重載耦合作用更為安全。

圖7 鋼橋面鋪裝表面最大拉應(yīng)力曲線圖（1：荷載；2：溫度-荷載）

4 結(jié)論

本文針對鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)，建立正交異性鋼橋面鋪裝受力分析模型，模擬鋼橋面鋪裝溫度場，考慮低溫條件與重載條件耦合作用，研究鋼橋面鋪裝的力學(xué)響應(yīng)，主要結(jié)論如下：

（1）相對于鋼橋面鋪裝表層，鋪裝底層溫差變化較小，變化相位滯后，鋪裝層溫度變化速率隨著鋪裝深度的增大而減小。

（2）鋼橋面鋪裝在降溫條件下表現(xiàn)為受拉狀態(tài)，同一時刻產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力與縱向拉應(yīng)力相差不大。

（3）鋼橋面鋪裝拉應(yīng)力隨著軸載的增大而增大。低溫-重載耦合作用下鋼橋面鋪裝縱向拉應(yīng)力總是大于橫向拉應(yīng)力，因此鋼橋面鋪裝拉應(yīng)力控制指標(biāo)應(yīng)為縱向拉應(yīng)力。

（4）低溫-重載耦合作用下鋼橋面鋪裝縱向拉應(yīng)力約為重載單獨作用的140%～200%，橫向拉應(yīng)力約為重載單獨作用的250%～400%，因此，在鋼橋面鋪裝設(shè)計中考慮溫度和重載的耦合作用更為安全。

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U441+.5

A

1009-7716（2017）06-0258-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.076

2017-02-28

彭廣銀（1985-），男，江蘇淮安人，碩士研究生，工程師，副主任工程師，從事道路工程總體、路線及立交設(shè)計工作。