橋面混凝土鋪裝層對主梁承載能力的影響分析

靳幫虎 傅正凱 梁瀟敏

(武漢華夏理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院 武漢 430223)

隨著橋梁的建設(shè)逐漸增多，橋面鋪裝層作為橋梁結(jié)構(gòu)重要的構(gòu)件之一，其受力特性研究及對整橋結(jié)構(gòu)受力分析的影響研究也越來越被重視。在混凝土梁式橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與荷載試驗計算中，主梁是主要承重構(gòu)件，而鋪裝層主要起著傳遞車輛荷載的功能，往往被保守地當(dāng)作恒載來處理[1]；根據(jù)橋面鋪裝層的不同材料，鋪裝層與混凝土主梁的結(jié)合形式一般可分為強(qiáng)、弱2種連接形式；不同的連接形式對主梁及整橋的受力分析影響不同。因此，是否將橋面鋪裝層作為結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件的一部分參與結(jié)構(gòu)計算，有待于理論計算及試驗數(shù)據(jù)的支撐。本文擬以一普通鋼筋混凝土梁為研究對象，針對橋面鋪裝結(jié)構(gòu)和主梁的強(qiáng)、弱2種不同結(jié)合形式，在不同鋪裝層厚度下進(jìn)行有限元模擬分析，并輔以結(jié)構(gòu)靜載試驗印證。通過對比分析計算與試驗結(jié)果，驗證橋梁結(jié)構(gòu)計算模型中混凝土鋪裝層與主梁的合理的結(jié)合形式，為同類橋梁的設(shè)計和承載力評估提供理論依據(jù)[2-5]。

1 橋面鋪裝層的有限元分析

利用有限元分析軟件midas Civil 建立有限元分析模型[6]，分析鋪裝層對主梁承載能力影響的分析。分別建立鋪裝層與主梁強(qiáng)、弱2種結(jié)合形式，計算得到主梁位移、應(yīng)力云圖，模型參數(shù)如表1。

表1 模型參數(shù)表

通過有限元計算得到主梁位移、應(yīng)力云圖，見圖1～圖4。

圖1 強(qiáng)連接模型位移云圖

圖2 強(qiáng)連接模型應(yīng)力云圖

由圖1、圖2可見，在強(qiáng)連接形式下鋪裝層和主梁變形相互協(xié)調(diào)，相同荷載作用下?lián)隙入S著鋪裝層厚度的增加不斷減小，對同一截面的應(yīng)力分析可以發(fā)現(xiàn)，橫截面中性軸上移，上移幅度隨厚度的增加而增加。說明鋪裝層增加了受力構(gòu)件的截面尺寸，從而使中性軸發(fā)生上移，且與主梁共同受力提高了梁的剛度。

圖3 弱連接模型位移云圖

圖4 弱連接模型應(yīng)力云圖

由圖3、圖4可見，在相同弱連接形式荷載作用下，撓度隨著鋪裝層厚度的增加而增加，同一截面的應(yīng)力分析可以發(fā)現(xiàn)，橫截面中性軸沒有發(fā)生偏移，說明弱連接形式鋪裝層沒有增加受力構(gòu)件的截面，沒有和主梁一起工作也沒有替主梁承擔(dān)一部分荷載。在這種連接方式下鋪裝層就像是一個恒荷載加載到主梁上一樣。

通過強(qiáng)弱2種連接形式的對比分析得出：在相同荷載的作用下主梁變形在強(qiáng)連接形式下比弱連接形式小，強(qiáng)連接形式鋪裝層可以替主梁承擔(dān)一部分荷載而弱連接形式則不能；強(qiáng)連接形式可增大主梁的剛度，提高其承載能力。

2 鋪裝層單梁承載力實驗

制作不同厚度鋪裝層矩形截面梁12根，進(jìn)行鋪裝層單梁承載力實驗[7-8]，分級加載試驗分析鋪裝層的受力狀態(tài)及破壞特征。梁幾何尺寸及加載示意圖見圖5。

圖5 加載示意圖(單位：mm)

通過試驗采集試驗梁變形、應(yīng)力數(shù)據(jù)及混凝土裂縫開展情況，以分析鋪裝層的工作性能及其對結(jié)構(gòu)承載力的影響，跨中荷載-位移曲線見圖6，跨中截面沿梁高混凝土應(yīng)力分布曲線見圖7。

圖6 跨中荷載-位移曲線圖

圖7 跨中截面沿梁高混凝土應(yīng)力分布曲線圖

由試驗現(xiàn)象分析及圖中曲線對比可知，加了素混凝土鋪裝層后的試驗梁仍符合適筋梁工作的3個階段，只不過彈性工作階段有所延長。各試驗梁對應(yīng)的開裂荷載和破壞荷載見表2。

表2 各試驗梁開裂荷載和破壞荷載

由表2可見，試驗結(jié)果與有限元模擬計算結(jié)果相接近，變化規(guī)律相類似。隨著鋪裝層厚度的增加試驗梁的開裂荷載和破壞荷載增大，這說明鋪裝層能夠增大主梁的剛度，提高其承載能力。通過跨中截面混凝土應(yīng)力沿梁高分布圖分析可以得出鋪裝層可使試驗梁截面中性軸位置上移的結(jié)論。

3 結(jié)語

本篇未進(jìn)行過多的動力特性分析和結(jié)構(gòu)固有頻率的參數(shù)分析，是因為在橋梁檢測方面，靜力測試非常重要?？紤]鋪裝層作為承力構(gòu)件后，截面中性軸上移，從而直接影響靜力測試結(jié)果?？紤]鋪裝層后使整體質(zhì)量比未考慮時偏大，剛度的改變與鋪裝層與主梁間結(jié)合形式有關(guān)，強(qiáng)連接時剛度改變量較大，弱連接時改變較小，不管哪種結(jié)合方式，固有頻率改變量都非常小，單純討論鋪裝層對固有頻率影響，意義不大。

本文以某普通鋼筋混凝土梁為研究對象，重點不在于鋪裝層的受力分析，而是針對混凝土主梁與鋪裝層不同的結(jié)合形式進(jìn)行了結(jié)構(gòu)有限元模擬計算和模型的結(jié)構(gòu)靜載實驗；通過對比分析計算結(jié)果與實驗結(jié)果，得出混凝土鋪裝層是橋梁結(jié)構(gòu)承載力構(gòu)件的一部分的結(jié)論，因此，本文在于考慮鋪裝層作為承力構(gòu)件，使中性軸上移，而不同的鋪裝層厚度產(chǎn)生的上移效果不同，從而對靜力測試影響較大。本文最終提出了橋梁結(jié)構(gòu)計算模型中混凝土鋪裝層與主梁的合理的結(jié)合形式，主要結(jié)論有：

1) 混凝土鋪裝層與混凝土梁結(jié)合形式為強(qiáng)連接形式，在這種連接形式下鋪裝層是結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件的一部分，與主梁共同參與受力。

2) 不同厚度混凝土鋪裝層對主梁承載力影響不同，隨著鋪裝層厚度的增加，主梁的剛度增加，承載能力提高。

3) 施工工藝上盡可能選用強(qiáng)連接形式的鋪裝層，這種連接形式可以增大主梁的剛度，提高其承載能力。