常用的3種典型橋梁結(jié)構(gòu)的橋面鋪裝整體力學(xué)分析

郭新高

（中海建路橋建設(shè)有限公司，山西 太原 030012）

橋面鋪裝作為橋面系的重要保護(hù)功能層，主要起到橋梁承重結(jié)構(gòu)層的保護(hù)、橋面安全性、行車(chē)舒適性等作用。因此，橋面鋪裝層的性能好壞與否，直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)的使用年限和車(chē)輛的行車(chē)安全舒適性。目前，橋面鋪裝層常見(jiàn)的病害有裂縫、坑槽、破碎等現(xiàn)象，且發(fā)生頻率頗高、范圍極大，從而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)壽命大大縮減和行車(chē)安全隱患加大[1]。

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，各等級(jí)公路的交通量增長(zhǎng)速度極快，交通特點(diǎn)也不盡相同，鋪裝層的破壞已成為橋梁的主要病害之一[2]。為此，從力學(xué)和結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，采用有限元分析方法，對(duì)常用的幾種典型橋梁結(jié)構(gòu)的橋面鋪裝進(jìn)行分析研究，以掌握鋪裝層的受力特點(diǎn)。根據(jù)荷載作用形式的不同，分別采用整體分析的模式對(duì)橋面鋪裝進(jìn)行力學(xué)計(jì)算分析。

1 力學(xué)分析模型的建立

a）理論體系 彈性層狀體系理論；

b）分析模型 有限元力學(xué)分析模型；

c）分析軟件 邁達(dá)斯2015。

運(yùn)用三維有限元分析方法分析荷載作用對(duì)“常用的3種典型橋梁結(jié)構(gòu)”內(nèi)部及鋪裝體系的層間應(yīng)力響應(yīng)。

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)主要尺寸及參數(shù)（見(jiàn)表1）

1.2 力學(xué)分析參數(shù)

1.2.1 40 m T梁和30 m箱梁

a）荷載等級(jí) 公路-I級(jí)；

b）車(chē)道荷載系數(shù) 2（車(chē)道荷載）×1（橫向折減系數(shù)）×1.25（偏載增大系數(shù)）；

表1 常見(jiàn)的3種橋型結(jié)構(gòu)主要尺寸及參數(shù)

c）沖擊系數(shù) 40 m T梁 u=0.153；30 m箱梁u=0.211。

1.2.2 115 m連續(xù)剛構(gòu)

a）荷載等級(jí) 公路-I級(jí)；

b）車(chē)道荷載系數(shù) 2（車(chē)道荷載）×1（橫向折減系數(shù)）×1.15（偏載增大系數(shù)）；

c）沖擊系數(shù) u取0.05。

2 橋面鋪裝整體力學(xué)分析

整體力學(xué)分析中，對(duì)簡(jiǎn)支變連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋、簡(jiǎn)支變連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋及連續(xù)剛構(gòu)橋分別按照《規(guī)范》施加公路-I級(jí)車(chē)道荷載，得到關(guān)鍵截面的最大彎矩和最大剪力。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用材料力學(xué)方法分析截面不同高度即鋪裝層處的正應(yīng)力或剪應(yīng)力。簡(jiǎn)支變連續(xù)體系橋選用兩跨連續(xù)體系為分析對(duì)象（分析表明，兩跨連續(xù)體系的內(nèi)力大于三跨體系，屬于最不利體系）。

2.1 結(jié)構(gòu)有限元單元?jiǎng)澐?/h3>

有限元結(jié)構(gòu)單元為空間梁?jiǎn)卧灾髁狠S線為基準(zhǔn)線劃分結(jié)構(gòu)離散圖。40 m T梁共劃分30個(gè)單元，30 m箱梁共劃分32個(gè)單元，連續(xù)剛構(gòu)橋全橋主梁共劃分74個(gè)單元，橋墩46個(gè)單元，結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1～圖3所示。

圖1 40 m T梁結(jié)構(gòu)離散圖

圖2 30 m箱梁結(jié)構(gòu)離散圖

圖3 115 m連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)離散圖

2.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

通過(guò)影響線加載，最不利荷載位置（跨中截面和墩頂截面）的梁體結(jié)構(gòu)內(nèi)力見(jiàn)表2（彎矩使梁底下緣受拉為正，剪力使梁體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，內(nèi)力正負(fù)號(hào)規(guī)定見(jiàn)圖4）。

表2 跨中和墩頂截面內(nèi)力

圖4 空間梁?jiǎn)卧植孔鴺?biāo)系下內(nèi)力方向

2.3 正應(yīng)力和層間剪應(yīng)力

圖5 換算截面鋪裝示意圖

如圖5換算截面鋪裝示意圖所示，按照合力大小不變以及形心距中性軸距離不變的原則，將瀝青鋪裝材料轉(zhuǎn)換成與主梁等同的材料，鋪裝厚度不變[3]，寬度 b1為：

按照材料力學(xué)方法計(jì)算換算截面的面積、計(jì)算位置距中性軸距離y、截面抗彎慣性矩Iyy、鋪裝層面積對(duì)中性軸的凈矩S，根據(jù)式（2）、（3）計(jì)算瀝青鋪裝層的正應(yīng)力和層間剪應(yīng)力（式中，My為彎矩，F(xiàn)z為剪力）。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3～表8。

表3 40 m連續(xù)T梁環(huán)氧瀝青鋪裝層正應(yīng)力（拉為正，壓為負(fù)）

表5 30 m連續(xù)箱梁環(huán)氧瀝青鋪裝層正應(yīng)力（拉為正，壓為負(fù)）

表6 30 m連續(xù)箱梁環(huán)氧瀝青鋪裝層間剪應(yīng)力

表7 連續(xù)剛構(gòu)橋環(huán)氧瀝青鋪裝層正應(yīng)力（拉為正，壓為負(fù)）

表8 連續(xù)剛構(gòu)橋環(huán)氧瀝青鋪裝層剪應(yīng)力

2.4 正應(yīng)力和層間剪應(yīng)力變化規(guī)律

a）連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)跨中截面的環(huán)氧瀝青鋪裝層承受壓應(yīng)力，而連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)及連續(xù)剛構(gòu)墩頂截面的環(huán)氧瀝青層承受拉應(yīng)力[4]。隨著環(huán)氧瀝青彈性模量的減小，環(huán)氧瀝青鋪裝承受的正應(yīng)力或剪應(yīng)力逐漸減小，其減小幅度與彈性模量成正比。

b）環(huán)氧瀝青鋪裝層上緣承受的拉應(yīng)力（墩頂部位）大于下緣，當(dāng)模量為4 200 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)于鋪裝厚度7 cm和5 cm鋪裝上緣的拉應(yīng)力：40 m T梁為0.276 MPa和0.273 MPa，30 m箱梁為0.203 MPa和0.199 MPa，115 m連 續(xù) 剛 構(gòu) 為 0.137 MPa和0.136 MPa。

當(dāng)鋪裝材料的抗拉強(qiáng)度小于鋪裝層中的計(jì)算拉應(yīng)力時(shí)，橋面鋪裝表面就會(huì)產(chǎn)生荷載型裂縫。本計(jì)算模型中鋪裝層拉應(yīng)力最大值為0.276 MPa。

c）環(huán)氧瀝青鋪裝層的剪應(yīng)力很小，其最大值為0.003 65 MPa（30 m箱梁墩頂部位）。7 cm環(huán)氧瀝青鋪裝層的剪應(yīng)力比5 cm環(huán)氧瀝青鋪裝層的剪應(yīng)力要相對(duì)大一些，變化幅度基本與厚度成正比。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)整體力學(xué)分析，可以得出橋面鋪裝層在連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力、在跨中位置產(chǎn)生壓應(yīng)力的結(jié)論。在3種代表性橋型結(jié)構(gòu)中，鋪裝層中最大拉應(yīng)力為0.276 MPa，最大壓應(yīng)力為0.367 MPa，均產(chǎn)生于40 m T梁，4 200 MPa模量情況下。

由此說(shuō)明，當(dāng)鋪裝層瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度小于0.276 MPa時(shí)，橋面鋪裝表面就會(huì)產(chǎn)生荷載型裂縫，當(dāng)鋪裝層瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度小于0.367 MPa時(shí)，橋面鋪裝層就會(huì)產(chǎn)生擠壓破壞。大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，密級(jí)配瀝青混凝土常溫下的抗拉、抗壓強(qiáng)度均大于1.0 MPa，因此不會(huì)在鋪裝層中產(chǎn)生荷載型裂縫和擠壓破壞。