中小跨徑剛柔組合式鋼橋面鋪裝力學響應研究

張可強，曹 健,*，吳 釗

(1. 蘇交科集團股份有限公司，南京 211112；2. 新型道路材料國家工程實驗室，南京 211112)

鋼橋面鋪裝是直接鋪設正交異性鋼橋面板，鋪裝層可提供行車舒適性與安全性，并保護鋼橋面的結構層[1]。經過數十年研究與應用，已形成以雙層EA(雙層環氧瀝青)、GA(澆注式瀝青)及雙層SMA(雙層改性瀝青SMA)為代表的幾大主流鋪裝方案[2-3]。

受限于工程規模與建設投資等因素，已有大跨徑橋梁鋼橋面鋪裝方案并不適用于中小跨徑橋梁。基于水泥混凝土橋梁橋面鋪裝在各地的成功應用，我國已建及在建的中小跨徑鋼結構橋梁的橋面鋪裝往往采用剛柔組合式鋪裝結構，即利用水泥混凝土層將光滑的鋼箱梁面板轉化為近似水泥混凝土箱梁的粗糙界面。然而，相較于常規水泥混凝土橋梁，鋼結構橋梁鋪裝層受力更為復雜，且鋪裝層自身剛度、厚度等材料性能的變化都將導致鋪裝層受力狀態的變化[4-6]，加之國內部分地區高溫重載及雨熱同季的使用環境，上述鋪裝方案在實際應用過程中病害頻發。

因此，依托南京至馬鞍山國家高速公路油坊橋互通樞紐G匝道(跨徑組合為45 m+45 m+29.2 m，剛柔組合式鋪裝結構如圖1所示)，開展剛性鋪裝層彈性模量、不同車型荷載作用形式、結構層相對厚度等因素對鋪裝層力學響應的影響規律研究。這對于中小跨徑剛柔組合式鋼橋面鋪裝結構設計與材料指標優化，提高我國中小跨徑鋼結構橋梁橋面鋪裝水平，推動中小跨徑鋼結構橋梁建設具有重要意義。

圖1 剛柔組合式鋪裝結構

1 有限元模型的建立

1.1 模型基本參數

本文運用大型通用有限元分析軟件ABAQUS，建立了三跨結構局部有限元模型。其中，鋼橋面板、T形加勁肋、橫隔板采用SHELL63空間殼單元模擬，鋼橋面鋪裝層采用SOLID45三維節點的等參實體單元模擬。局部模型總長約6 m(中線)，模型尺寸參數如表1所示；局部模型如圖2所示。

表1 模型尺寸參數 (mm)

圖2 局部模型

1.2 荷載及約束

本研究所用荷載及約束條件為：荷載采用矩形均布荷載，荷載作用范圍為20 mm×18 mm；將兩端橫隔板進行固結，并限制端部橫隔板的位移。

2 極端荷位確定

2.1 荷位選取

本項目為匝道橋，橫向超高較多(橫坡達到5%)，導致橋梁內外側受力不同，因此，在進行橫向荷位選取時應充分考慮橋梁內外側的差異性，其中，橫橋向荷位如圖3所示，縱橋向荷位如圖4所示。

圖3 橫橋向荷位

圖4 縱橋向荷位

2.2 極端荷位的確定

所建局部模型在上述7個橫向荷位與4個縱向荷位下的力學響應數據構成不同荷位下鋪裝層的力學響應結果，如圖5所示。

(a) 瀝青層最大橫向拉應力

基于上述力學響應結果，綜合考慮各指標的力學響應與邊界約束的影響，確定各指標對應的極端荷位，如表2所示。

表2 各指標對應的極端荷位

3 影響因素分析

研究表明，橋梁主體剛度、鋪裝層厚度及剛度、車輛荷載布置形式等因素對鋼橋面鋪裝層力學響應結果具有不同程度的影響。其中，橋梁主體剛度主要根據《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64—2015)進行設計，橋梁主體剛度滿足結構要求且對大縱坡小半徑橋面鋪裝影響不大，故本研究中不對該因素進行模擬分析；鋪裝下層C50鋼纖維水泥混凝土層彈性模量一般為35～40 GPa，且隨著鋼纖維摻量及配合比參數等因素變化，其變化幅度可達5%～10%，該變化值已超過鋪裝上層瀝青混合料的最大彈性模量，而鋪裝上層瀝青混合料彈性模量變化不大，因此本研究中假定其為定值。

3.1 剛性鋪裝層彈性模量

同一強度等級的水泥混凝土，由于砂率、水膠比、粗集料粒徑、纖維種類及摻量的不同，其彈性模量也不同[7-8]。鋪裝層與橋面板間的相對剛度將隨著鋪裝層彈性模量的不同而發生變化，進而導致鋪裝層的應力分布發生改變[9-10]。為研究剛性鋪裝層彈性模量變化對鋪裝結構力學響應的影響規律，本文分別設置剛性鋪裝層彈性模量為35 GPa、40 GPa、45 GPa、50 GPa、55 GPa和60 GPa，不同彈性模量下的計算結果如表3所示。

表3 不同彈性模量下的計算結果

由表3可知：①剛性鋪裝層彈性模量的改變對柔性鋪裝層、層間黏結層及整體豎向位移影響較小，當剛性鋪裝層彈性模量由35 GPa增加至60 GPa 時，柔性鋪裝層拉應力變化均不超過1%，上下鋪裝層間剪應力變化幅度最大僅為5.1%，鋪裝層整體最大豎向位移變化幅度為3.2%，遠小于模量自身變化幅度；②剛性鋪裝層彈性模量變化對其自身及其與鋼橋面板間受力影響較其他指標顯著，其中，剛性鋪裝層最大縱向拉應力變化幅度為21.7%、剛性鋪裝層最大橫向拉應力變化幅度為40.3%，鋪裝層與鋼橋面板間縱向剪應力變化幅度為36.4%、鋪裝層與鋼橋面板間最大橫向剪應力變化幅度為42.9%。

3.2 荷載布置形式

在常規力學計算時，通常采用半軸雙輪的標準荷載，但根據《公路橋涵設計通用規范》[11](JTG D60—2015)可知，車輛雙后軸間距為1.4 m，由于雙后軸車輛后兩軸距離較小，互有影響，為掌握雙后軸共同作用下鋪裝層受力變化情況，保持原定最不利荷位，距原荷位1.4 m處增設一組相同荷載，不同軸數作用下的計算結果如表4所示。

表4 不同軸數作用下的計算結果

由表4可知，與單半軸荷載相比，雙半軸荷載作用下，上下鋪裝層間Syz方向最大剪應力變化較為明顯，雙半軸作用下該剪應力增幅達到45.25%；剛性鋪裝層最大縱向拉應力次之，增幅為14.87%，其余力學指標變化幅度相對較小，均未超過10%。且在兩種荷載作用形式下，上下鋪裝層間Syz方向剪應力均小于Sxz方向剪應力。因此，可以認為兩種作用形式對鋪裝層整體力學響應影響較小。

雙半軸雙輪荷載作用下的Mises應力云圖如圖6所示，結合表4可知，雙后軸間主要影響區域間隔較遠，兩者相互影響較小。同時，考慮到網格劃分不同對計算結果帶來的影響，為簡化計算，在進行力學分析時可忽略雙后軸間的相互影響，采用單半軸荷載進行計算。

圖6 雙半軸雙輪荷載作用下的Mises應力云圖

3.3 結構厚度

各結構層厚度與鋪裝層總厚度對鋪裝層與鋼橋面板間的相對剛度也有影響[12]，為不改變鋪裝體系整體標高及不造成鋪裝層恒載的大幅改變，保持鋪裝體系總厚度不變，調整上下鋪裝層厚度，不同結構組合形式具體參數如表5所示，不同結構力學響應的計算結果如表6所示。

表5 不同結構組合形式具體參數 (cm)

由表6的計算結果可知，柔性鋪裝層最大拉應力及上下鋪裝層間最大剪應力值與剛性鋪裝層厚度間呈正相關，而剛性鋪裝層自身受力有所改善。同時，鋪裝層整體最大豎向位移減小。綜合考慮不同組合形式下各結構層的力學響應情況、橋梁恒載及工程造價等因素，建議采用“10 cm柔性鋪裝上層+11 cm剛性鋪裝下層”的結構組合形式。

表6 不同結構力學響應的計算結果

3.4 鋼筋網片

不同于雙層EA、GA+SMA/AC及ERS組合式等鋪裝方案，剛柔組合式鋪裝方案中，基于水泥混凝土抗壓不抗折的特性，為提高剛性鋪裝層的抗變形能力，往往在水泥混凝土層內布設鋼筋網片。為研究鋼筋網對鋪裝層受力的影響，在模型中增設Φ10@150的鋼筋網，在最不利荷位下施加荷載，增設鋼筋網計算結果如表7所示。

表7 增設鋼筋網計算結果

由表7可知，剛性鋪裝層增設鋼筋網片后，各力學指標數值雖有所變化，但變化幅度均較小，其中剛性鋪裝層橫向拉應力變化幅度最大，但僅為1.3%。因此，可認為增設鋼筋網的主要作用是提高剛性鋪裝層的抗變形能力，對鋪裝層力學響應影響較小。

4 結論

(1) 剛性鋪裝層彈性模量變化對柔性鋪裝層、層間黏結層及鋪裝層整體豎向位移影響較小，對剛性鋪裝層及鋪裝層與鋼橋面板間受力影響相對較大，其中，剛性鋪裝層最大縱向拉應力變化幅度為21.7%、剛性鋪裝層最大橫向拉應力變化幅度為40.3%，鋪裝層與鋼橋面板間最大縱向剪應力變化幅度為36.4%、鋪裝層與鋼橋面板間最大橫向剪應力變化幅度為42.9%。

(2) 雙后軸間主要影響區域間隔較遠，兩者相互影響較小，為簡化計算，在進行力學分析時可忽略雙后軸間的相互影響，采用單半軸荷載進行計算。

(3) 隨著剛性鋪裝層厚度的增加，柔性鋪裝層最大拉應力及鋪裝層間最大剪應力值增大，而剛性鋪裝層力學響應數值及鋪裝層豎向位移減小，鋪裝層厚度并非越大受力越有利。

(4) 剛性鋪裝層增設鋼筋網片對鋪裝層力學響應影響較小，其中以剛性鋪裝層橫向拉應力變動最大，但也僅為1.3%。