常用連續橋梁橋面鋪裝局部力學分析

梁世春

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

目前對橋面鋪裝結構設計多數未進行受力分析，設計的結構、材料基本一致，其結構和材料不一定滿足實際受力狀況要求，致使橋面鋪裝耐久性差，容易破壞。對常用連續橋梁橋面鋪裝進行局部力學分析，掌握受力狀況，為橋面鋪裝設計提供參考。

1 分析模型

1.1 橋面鋪裝有限元模型

在行車荷載作用下，鋪裝體系內產生的荷載效應具有很強的局域性特點，分析中主要選取結構整體變形較大的部位來建立橋面鋪裝模型。各模型中包含相應橋型的主要部件，如主梁、橋面板、橫隔梁和橋面鋪裝。采用Midas-FEA對橋面鋪裝層進行力學分析，所用單元為圖1所示的6節點5面體實體單元。鋪裝層中同一類材料取的厚度即為6節點的5面體單元的厚度。

圖1 6節點5面體實體單元

a）對于40 m簡支變連續T梁，分析時取計算模型長度13 m，包括3個橫隔梁，橫隔梁間距為6.5 m，寬為實橋寬12 m（模型如圖2所示）。

b）對于裝配式30 m連續箱梁，分析時取計算模型長度15 m，包括1個跨中橫隔梁、1個中橫梁和1個1/4跨橫梁，橫隔梁間距為7.5 m，寬為實橋寬12 m（模型如圖3所示）。

圖2 40 m T梁計算模型圖

圖3 30 m箱梁計算模型圖

c）對于整體115 m連續箱梁，分析時取跨中長度10 m段作為分析對象（模型如圖4所示）。

圖4 115 m箱梁計算模型圖

對于40 m連續T梁和裝配式30 m連續箱梁的邊界條件為：約束端部支座處的x、y、z方向的變形；對于115 m箱梁的邊界條件為：約束截取箱梁端部截面的x、y、z三方向的變形。其中，x為橫橋向，y為順橋向，z為沿橋高度方向。

1.2 材料參數

a）混凝土 密度 γ=26.0 kN/m3，彈性模量 Ec=3.45×104MPa，泊松比 0.2。

b）環氧瀝青混合料 密度γ=24.0 kN/m3，彈性模量分別按 Ec=4.2×103MPa、Ec=2.1×103MPa、Ec=1.05×103MPa，泊松比 0.25。

1.3 荷載

采用公路-I級荷載，計算時考慮沖擊作用，后軸單側輪與橋面板接地面積0.6 m×0.2 m；因分析表明單車道計算結果均小于相應的雙車道計算結果，因此后面的加載均按照雙車道進行加載。車輛荷載布置如圖5所示[1]，取后軸重力標準值2×140 kN。局部加載沖擊系數按照規范全部取為1.3[2]。根據規范，單車道加載時制動力不小于165 kN，雙車道加載時制動力不小于2×165 kN。

圖5 車輛荷載示意圖（單位：m）

2 橋面鋪裝體系最不利荷載位力學分析

主要通過縱橋向的最不利荷載位鋪裝層受力分析，了解橋面鋪裝層的受力狀態，為橋面鋪裝層的選材提供力學上的理論依據。

2.1 計算要點

a）以5 cm環氧瀝青橋面鋪裝模型為例，環氧瀝青鋪裝層彈性模量Ec取1.05×103MPa。

b）縱向 對于40 m T梁和30 m箱梁取兩個橫隔梁之間的1/4b、1/2b、3/4b及中橫隔梁處進行加載；對于115 m箱梁取計算長度一半（因為結構對稱）（b=5 m）的1/4b、1/2b、3/4b（跨中）處進行加載。

c）橫向 兩個行車道上布置計算荷載，每次布置兩輛行車荷載（雙軸四輪組荷載），如圖6所示。

圖6 車輛荷載布置圖

2.2 計算結果

提取環氧瀝青鋪裝層、水泥混凝土鋪裝層的最大拉應力和拉應變；環氧瀝青與水泥混凝土鋪裝層間、水泥混凝土鋪裝層與主梁層間最大剪應力；各層的最大位移。如表1、表2、表3所示。其中，x為橫橋向，y為縱橋向，z為沿橋高度方向；σx為橫橋向拉應力，σy為順橋向拉應力，σz為豎橋向拉應力、壓應力（負數，下同）；εx為橫向拉應變，εy為順橋向拉應變，εz為豎橋向拉應變、壓應變（負數，下同）；τx為橫橋向層間剪應力，τy為順橋向層間剪應力。表中所列剪應力分別為環氧瀝青層與水泥混凝土鋪裝層間的剪應力，及水泥混凝土鋪裝層與混凝土主梁間的剪應力。不同加載位置應力對比見圖7～圖9。

表1 40 m T梁各加載位置最大應力、應變及層間剪應力

表2 30 m箱梁各加載位置最大應力、應變及層間剪應力

表3 115 m箱梁各加載位置最大應力、應變及層間剪應力

圖7 40 m T梁不同加載位置拉應力、剪應力對比

圖8 30 m箱梁不同加載位置拉應力、剪應力對比

圖9 115 m箱梁不同加載位置拉應力、剪應力對比

3 結論

a）比較順橋向拉應力σy及橫橋向拉應力σx，40 m T梁最大拉應力出現在1/4b加載處，最大應力值為0.312 MPa（順橋向拉應力σy）；30 m箱梁最大拉應力出現在3/4b加載處，最大應力值為0.438 MPa（橫橋向拉應力σx）；115 m箱梁最大拉應力出現在1/4b加載處，最大應力值為0.253 MPa（順橋向拉應力 σy）。

b）對于豎橋向正應力σz，40 m T梁最大拉應力及最大壓應力出現在1/4b加載處，分別為0.408 MPa、-2.141 MPa；30 m箱梁最大拉應力及最大壓應力出現在1b加載處，分別為0.469 MPa、-2.933 MPa；115 m箱梁最大拉應力及最大壓應力出現在1/4b加載處，分別為0.449 MPa、-2.194 MPa。

c）40 m T梁最大剪應力出現在1/2b加載處，最大應力值為0.429 MPa（橫橋向剪應力τx）。30 m箱梁最大剪應力出現在1b加載處，最大應力值為0.508 MPa（橫橋向剪應力τx）。115 m箱梁最大剪應力出現在1b加載處，最大應力值為0.442 MPa（橫橋向剪應力 τx）。

d）隨荷載位置向計算模型跨中方向的靠近，各鋪裝層的撓度不斷增大，且環氧瀝青鋪裝層撓度大于水泥混凝土鋪裝層。其中40 m T梁鋪裝層最大撓度為0.390 mm，30 m箱梁鋪裝層最大撓度為0.662 mm，115 m箱梁鋪裝層最大撓度為0.289 mm。