基于病害控制的鋼橋面力學響應分析

劉林林，縱瑾瑜，李銀山，吳春穎

(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)

目前，正交異性鋼橋面主流鋪裝技術包含環氧瀝青鋪裝技術、澆筑式鋪裝技術以及ERS(樹脂瀝青組合體系)鋪裝技術。環氧瀝青混合料由于在施工過程中對時間和溫度要求嚴格，因此施工難度大、費用高；雙層SMA(瀝青瑪蹄脂碎石混合料)鋪裝產生病害多且重載適應性差、保質年限短；澆筑式鋪裝具有高溫穩定性差等缺陷。另外，由于建設中小跨徑鋼橋投資費用有限且較缺乏鋼橋面鋪裝技術的相關研究，難以保證鋪裝材料質量。因此環氧瀝青鋪裝技術、澆筑式鋪裝技術以及ERS鋪裝技術對于中小跨徑鋼橋面鋪裝的適用性欠佳。在此背景下，借助鋼混組合梁的優勢，一種新型剛柔復合鋪裝橋面結構——“水泥混凝土下層+瀝青上面層”結構應運而生。近年來，剛柔復合鋪裝結構逐漸被接受，相關研究者也不斷增多，該結構逐漸被應用到中小跨徑鋼橋面鋪裝中，但隨著剛柔復合結構的發展應用，目前主要存在以下問題：一是鋪裝層出現疲勞裂縫；二是剛性材料水泥混凝土和瀝青面層層間抗剪能力不足，易產生剪切破壞[1-3]。

此外，以往鋼橋面力學響應分析時未針對鋪裝層病害進行分析，造成計算不利位置與實際不符，因此有必要針對剛柔復合鋪裝結構病害提出力學控制指標，進行有限元力學分析，研究汽車制動力和超載對力學控制指標的影響，這對中小跨徑鋼橋面剛柔復合鋪裝設計具有重要指導意義。

1 計算模型

1.1 基本假設

以某互通立交鋼橋為背景，建立鋼橋局部梁段模型，基本假設為：①鋪裝層和鋼面板為完全連續的各向同性彈性體；②鋪裝層層間、鋪裝層與鋼面板間均完全連續接觸，不考慮相對滑移，不單獨考慮黏結層；③不計結構自重影響；④縱、橫隔板底部完全約束，橫橋向邊緣無橫向水平位移，順橋向邊緣無縱向水平位移[4-5]。

1.2 基本參數和計算模型

模型結構取鋼橋中部位置，局部梁段結構幾何參數如表1所示。

表1 局部梁段結構幾何參數

1.3 單元選取

模型建立中，各結構單元選擇如表2所示。

表2 各結構單元選擇

1.4 材料參數

橋面鋪裝主要材料計算參數如表3所示。

表3 橋面鋪裝主要材料計算參數

根據表1中所列內容，使用ANSYS有限元軟件，建立有限元模型，有縱向隔板有限元模型如圖1所示；無縱向隔板有限元模型如圖2所示。

圖1 有縱向隔板有限元模型

圖2 無縱向隔板有限元模型

2 最不利荷載位置

2.1 荷載布置

2.1.1 車輪荷載形式

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)，由輪重和車輪與鋪裝層的接觸面積計算得到施加的輪胎壓力為0.758 MPa，荷載相關計算參數如表4所示。

表4 荷載相關計算參數

2.1.2 車輪荷載位置布置

所施加的車輪荷載在鋪裝層上的位置有橫橋向和縱橋向這兩個方向。

(1) 荷載橫向布置示意如圖3所示，分析橫橋向最不利荷位時，車輪荷載分5種情況。

(a) 無縱向隔板

(單位:mm)

(2) 分析縱橋向的最不利荷位時，荷載位置分別為橫隔板頂、2個橫隔板1/4位置和2個橫隔板跨中處，荷載縱向布置示意如圖4所示。

圖4 荷載縱向布置示意

本研究施加的荷載由5個橫橋向位置和3個縱橋向位置共同組成了15個荷載位，分別用編號A1、A2、A3、B1、B2、B3……E1、E2、E3來表示，即字母是車輪荷載在橫橋向的位置，數字是車輪荷載在縱橋向的位置[6]。

2.2 確立最不利位置

瀝青鋪裝層與水泥混凝土調平層之間最大縱向剪應力是控制鋼橋面鋪裝層表面沿縱橋向產生剪切變形的主要因素，鋪裝層表面最大橫向和縱向拉應力是控制鋼橋面鋪裝層表面橫橋向和縱橋向產生裂縫的主要因素，因此，本研究提出將鋪裝層層間最大剪應力和鋪裝層表面最大拉應力的位置稱為最不利位置。

2.2.1 水泥混凝土層與瀝青鋪裝層間剪應力分析

為研究車輪荷載縱向位置對鋼橋面剛柔復合鋪裝層層間剪應力的影響，就橫橋向5個荷載位與縱橋向3個荷載位共15個荷位布置，進行有限元計算分析，縱向剪應力隨縱向荷載位置變化規律如圖5所示。

圖5 縱向剪應力隨縱向荷載位置變化規律

由圖5可知：①隨著車輪荷載縱向上由橫隔板頂部向跨中移動，橫向荷載位A、B、C、D、E的鋪裝層表面縱向剪應力均呈現先增大再減小的趨勢，鋪裝層間縱向最大剪應力出現在1/4跨處。在同一橫向荷載位下，最大的縱向剪應力出現在橫向荷載位 A(U形肋中心上部)位置。②剛柔復合鋪裝層間最大剪應力出現在荷載作用在荷載位A時，其結果為0.262 6 MPa。

因此，以鋪裝層層間最大縱向剪應力作為剛柔復合鋪裝層設計控制指標時，橫橋向最不利荷位是荷載位A(U形肋中心上部)，縱橋向是1/4跨處。

2.2.2 鋪裝層表面最大拉應力分析

為研究車輪荷載橫向和縱向位置對鋼橋面剛柔復合鋪裝層表面拉應力的影響，就橫橋向5個荷載位與縱橋向3個荷載位共15個荷載位布置進行有限元計算分析，縱向拉應力隨縱向荷載位置變化規律如圖6所示；橫向拉應力隨縱向荷載位置變化規律如圖7所示。

圖6 縱向拉應力隨縱向荷載位置變化規律

圖7 橫向拉應力隨縱向荷載位置變化規律

由圖6和圖7可知：①隨著車輪荷載縱向上從橫隔板頂部向跨中移動，橫向荷載位A、B、C、D、E的鋪裝層表面橫向拉應力和縱向拉應力均逐漸增大，最大橫向拉應力位置出現在跨中位置；②在同一縱向荷載位下，最大的橫向拉應力出現在橫向荷載位A(U形肋中心上部)位置，其結果為0.513 2 MPa。

因此，以鋪裝層最大拉應力作為剛柔復合鋪裝層設計控制指標時，橫橋向最不利荷位是荷載位A(U形肋中心上部)，縱橋向是跨中處。此外，本文通過計算鋼橋面鋪裝層表面拉應變的變化規律，得出鋪裝層表面橫向和縱向拉應變的變化與各荷載位下鋪裝層表面橫向與縱向拉應力變化一致。

3 汽車制動力和超載對鋪裝層剪應力的影響

為進一步研究鋪裝層材料性能對結構體系受力的影響，并且為鋪裝結構、材料的設計與試驗提供依據，針對荷載條件和摩擦系數等因素進行受力敏感性研究。主要分析車輛剎車水平力作用對鋪裝層界面剪應力的影響，重點計算瀝青混凝土鋪裝層之間的界面剪應力情況[6]。

3.1 荷載條件

針對交通荷載超載50%、80%、100%和120%的情況下，鋪裝層不同界面的剪應力進行重點分析。車輪荷載同時考慮30%沖擊系數，并考慮水平摩擦力的影響，取摩擦系數f=0.3。荷載作用位置為橫橋向位置A，縱橋向位置3。不同荷載條件下鋪裝層剪應力值如表5所示。

表5 不同荷載條件下鋪裝層剪應力值 (MPa)

由表5可知，剛柔復合鋪裝層層間剪應力大小均隨著荷載的增大而增大，剪應力增長率和荷載增長率一致，由此說明超載對剛柔復合鋪裝層層間剪應力值影響較大，過大的層間剪應力會造成剛柔復合鋪裝破壞。

3.2 汽車制動力

剛柔復合鋪裝層受力不僅受豎直荷載影響，此外還受汽車制動力的影響。當摩擦系數f為0、0.25、0.50和0.75時，不同摩擦系數條件下鋪裝層剪應力值如表6所示。其中，車輪荷載為標準荷載，但考慮30%沖擊系數。荷載作用位置為橫橋向位置A，縱橋向位置3。

表6 不同摩擦系數條件下鋪裝層剪應力值 (MPa)

由表6可知，剛柔復合鋪裝層層間剪應力大小均隨著制動力的增大而增大，其中剛柔復合鋪裝上層表面剪應力增長率較高。

4 結語

通過建立中小跨徑鋼橋面剛柔復合鋪裝的有限元模型，提出基于剛柔復合鋪裝病害的力學控制指標，研究分析最不利荷載位置，分析荷載和汽車制動力對鋪裝層剪應力的影響，可以得出以下結論。

(1) 以鋪裝層層間最大縱向剪應力作為剛柔復合鋪裝層設計控制指標時，橫橋向最不利荷位是U形肋中心上部，縱橋向是1/4跨處。

(2) 以鋪裝層最大拉應力作為剛柔復合鋪裝層設計控制指標時，橫橋向最不利荷位是U形肋中心上部，縱橋向是跨中位置。

(3) 超載對剛柔復合鋪裝層層間剪應力值影響較大，過大的層間剪應力會造成剛柔復合鋪裝破壞。

(4) 剛柔復合鋪裝層層間剪應力大小均隨著制動力的增大而增大，其中剛柔復合鋪裝上層表面剪應力增長率較高。