大跨徑橋梁正交異性鋼橋面鋪裝受力分析

張己存

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司,甘肅 蘭州 730030）

0 引言

我國橋梁設計，并未把鋪裝部分按受力結構計算，僅作為構造措施。《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）對正交異性板鋼橋面鋪裝規定如下：正交異性板鋼橋面瀝青混凝土鋪裝結構應根據橋梁縱面線性、橋梁結構受力狀態、橋面系的實際情況、當地氣象與環境條件、鋪裝材料的性能等綜合研究選用。本文通過子結構法減少計算量，分析結構尺寸、溫度、制動及超載對正交異性鋼橋鋪裝層的影響。

1 有限元模型的建立

以板殼理論和彈性力學理論為基礎，采用ANSYS有限元軟件對正交異性鋼橋面鋪裝層建立三維實體鋪裝層分析模型[1]。要求其能綜合考慮整體效應（汽車荷載及溫度）、空間效應（梁的剪力滯）及局部效應（車輪局部加載）的影響，并在可接受效率下保證計算精度[1]。對鋪裝層而言，需將其劃分為較小單元,但是橋梁結構尺寸較大，這樣整體模型規模超大，且計算耗時久。為了節省機時，在此采用子結構法—超單元思想[2]。

子結構法即在整體結構分析中，將非線性部分作為子結構生成凝聚態的超單元矩陣 (剛度矩陣、質量矩陣、阻尼矩陣)，在后續非線性分析中可直接調用，屆時與非子結構部分界面節點之間耦合即可。鋼橋面鋪裝層，其縱、橫加勁肋與橋面板材料均為彈性材料的鋼材，將這部分作為超單元能節省較大機時，而鋪裝層則為非子結構部分。采用Solid185 3D八節點實體單元，模擬整體結構（縱、橫加勁肋、鋪裝層），Matrix50矩陣單元則為被調用的超單元[3]，見圖1。

圖1 調用超單元

一般來講，子結構-超單元求解法分為以下幾個步驟[4-6]：

（1）生成超單元：根據結構特點，將模型作為超單元部分和非超單元部分劃分開來，對子結構-超單元部分進行求解，得到凝聚態超單元的質量矩陣、剛度 矩陣、阻尼矩陣。

（2）使用超單元：調用超單元矩陣，進行整體模型計算，需對超單元與非超單元部分界面節點耦合，使結構整體連接，此時求得解為超單元的凝聚解以及非超單元的全解。

（3）擴展超單元：由凝聚解進而求解超單元所有自由度，得到整體模型所有解。

車輛荷載選取公路-Ⅰ級車輛荷載，矩形雙輪接地，接地面積采用后軸重輪接地面積0.2 m×0.6 m。考慮偏載效應，橫向分三個荷載位置：一、對稱施加在U型加勁肋正上方；二、對稱施加于兩U型加勁肋中心線的正上方；三、以一U型加勁肋邊為中心對稱施加于正上方。縱向以自梁端橫隔板移動至跨中。最終確定縱向跨中橫向位置一為最不利荷載位置,且對鋪裝層分析控制因素為橫向拉應力（應變），見圖2。

圖2 布載位置

2 計算分析

2.1 構造尺寸變化的影響

對比我國近些年正交異性鋼橋設計方案，選用鋼橋面板厚度12～16 mm、U型肋厚度6～10 mm、U型肋開口寬度300～500 mm、鋪裝層2～12 cm分析計算，見圖3、圖4。

圖3 鋼板厚度

圖4 U肋厚度

（1）鋼橋面板厚度增加能有效改善鋪裝層受力狀態，降低病害發生可能性；U肋厚度增加對改善效果微弱，見圖5、圖6。

（2）U型加勁肋開口寬度增加，各控制指標增大，鋪裝層易發生車轍等病害；鋪裝層厚度在20～80 mm增加對降低病害發生可能性效果明顯，其后則弱化。

2.2 溫度變化的影響

鋪裝層基體材料多為瀝青類，在外部環境中其溫度不穩定性引起模量變化。取鋪裝層模量500～2 500 MPa之間[5,6]，分析各項指標變化情況，見圖 7、圖 8。

圖5 U肋開口寬度

圖6 鋪裝層厚度

圖7 控制截面橫向應力

圖8 模量變化

U肋上方相對剛度較強，處于負彎矩區并有應力集中現象，其頂部鋪裝層易產生縱向裂紋并逐步發展；鋪裝層高溫時模量降低，拉應力減小，拉應變增大，低溫時模量升高，拉應力相應增大，解釋了其溫度病害的原因[7]。

2.3 制動及超載的影響

取滑動摩阻系數比μ（水平力系數）0～0.6、超載系數1.2～2.2分析制動及超載的影響，見圖9、圖10。

圖9 制動

圖10 超載

制動力的增加，縱向拉應力、縱向剪應力及第一主應力均增大，即橋面剎車較多位置易出現橫向裂紋[8]。超載程度越大各項指標越大，鋪裝層更易發生各種病害，降低使用性能[9]。

3 結語

車輛輪載作用下，正交異性鋼橋面鋪裝層受力有明顯局部性，并以橫向拉應力（拉應變）作為其開裂控制指標。鋼橋面板厚度增加，一定范圍內對改善鋪裝層受力效果非常明顯。U肋上方鋪裝層正負彎矩交替，易在其頂部發生橋梁縱向裂縫。U肋厚度增加，對防止鋪裝層病害并不明顯。U肋開口寬度增加，鋪裝層更易形成縱向開裂。夏季高溫鋪裝層模量降低,更易形成車轍。車輛制動力越大，鋪裝層越易出現橫向開裂。而超載情況越嚴重，層內各項指標均呈現線性增大，應嚴格杜絕超載現象[10]。

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