澆注式瀝青混合料攤鋪中寬幅鋼箱梁溫度應力分析

陽晏， 劉朝輝， 陽昊， 何良玉， 王滔

(1.湖北交投十巫高速公路有限公司， 湖北 十堰 442000；2.湖北交投建設集團有限公司， 湖北 武漢 430050；3.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司， 重慶 400067)

澆注式瀝青混合料攤鋪溫度高達220～250 ℃，高溫攤鋪帶來的大跨徑寬幅鋼箱梁橋溫度應力分布問題一直以來都是研究重點。目前，普遍利用有限元模型對鋼箱梁橋服役過程中溫度應力進行數(shù)值模擬分析，對大跨徑寬幅鋼箱梁橋施工過程中溫度應力的研究不足。該文以武漢某大跨寬幅斜拉橋為依托，建立有限元分析模型對鋼箱梁溫度應力特征進行分析。

1 橋面系參數(shù)及溫度測點布置

武漢某大跨寬幅斜拉橋為雙塔五跨連續(xù)斜拉橋，跨徑組成為100 m+275 m+760 m+275 m+100 m。主梁均采用PK斷面鋼箱梁，共127個階段，標準節(jié)段長12 m。鋼橋面全寬46 m(含風嘴，建成通車時是長江上最寬的大橋)，中心線處梁高4 m。鋼箱梁標準橫斷面見圖1。

圖1 鋼箱梁標準橫斷面(單位：mm)

該橋采用澆注式瀝青混合料鋪裝體系，鋪裝結構為MMA防水體系+35 mm澆注式瀝青混合料GA-10+35 mm高彈改性瀝青混合料SMA-10。澆注式瀝青混合料施工期間，在斜拉橋主梁跨中截面豎向布置10個溫度測點(見圖2)，分別位于GA鋪裝層、鋼橋面頂板沿厚度方向三等分點部位及U形加勁肋沿豎向四等分點部位，其中P-3與S-1測點重合、S-3與U-1測點重合。截面橫向布置20個溫度測點(見圖3)，主要分布在GA鋪裝層邊緣附近-0.5～1 m范圍內。

圖2 溫度測點豎向布置示意圖

圖3 溫度測點橫向布置示意圖(單位：cm)

2 溫度場有限元模型建立

2.1 基本假設

為簡化計算模型，作以下假設：1) 各材料均為完全均勻和各向同性的結合體；2) 箱梁為等截面直桿；3) 鋼箱梁橋面各節(jié)點均存在約束，側面有水平約束，其他均為自由界面；4) 層間豎向、水平位移連續(xù)，不考慮結構自身重量。

2.2 有限元模型參數(shù)

采用ABAQUS軟件建立有限元模型。以鋼箱梁主梁的正交異性鋼橋面頂板的設計參數(shù)為依據(jù)，模型尺寸為12 m×46 m。鋼橋面系構造參數(shù)取值見表1，材料參數(shù)取值見表2。

表1 鋼橋面系構造參數(shù) mm

表2 材料技術參數(shù)

2.3 有限元模型建立

在三維有限元建模過程中，采用實體單元模擬GA鋪裝層和鋼橋面頂板，采用殼單元模擬U形加勁肋、橫隔板等橋面系組件，鋼箱梁內部采用輻射放熱或絕熱兩種形式的邊界條件。考慮到計算機計算能力和計算精度的平衡，不同部位的單元劃分有所側重，溫度加載區(qū)域的單元劃分適度加密。澆注式瀝青混合料攤鋪寬度設為6 m，攤鋪溫度設為240 ℃，攤鋪速度初定為3.0 m/min，計算橋面系構造物隨著溫度的傳遞和累積其內部應力變化及各結構物的變形情況。有限元模型見圖4。

圖4 鋼箱梁有限元模型

3 鋼箱梁溫度應力分析

3.1 鋼橋面頂板豎向變形分析

如圖5所示，鋼橋面頂板豎向變形均位于GA攤鋪范圍內的鋼箱梁區(qū)域；斜拉索的豎向分力導致變形區(qū)域與攤鋪區(qū)不完全重合，變形主要區(qū)域靠近斜拉索一側；所有橫截面在攤鋪區(qū)域附近均產(chǎn)生豎向變形，且各截面的最大豎向位移位置基本一致；斜拉索橫截面處變形不明顯，豎向最大位移為0.005 5 m；跨中橫截面處的變形較明顯，豎向最大位移為0.009 6 m，比普通大跨徑鋼橋跨中豎向最大位移高約28%，表明GA攤鋪過程對寬幅大跨徑鋼橋影響更顯著；鋼橋面頂板呈向外膨脹的趨勢，但并不明顯，最大橫向位移為0.003 8 m。

圖5 鋼橋面頂板豎向位移分布

3.2 鋼橋面頂板溫度應力分析

如圖6所示，縱向應力的3個峰值均位于橫隔板正上方，最大縱向拉應力為202 MPa，最大縱向壓應力為121 MPa，攤鋪界面中心縱向壓應力基本一致，為97 MPa左右；攤鋪邊緣應力較復雜，跨中及1/4截面的縱向應力在攤鋪邊緣變化較大。非攤鋪區(qū)域鋼橋面頂板中縱向拉應力較大，但影響區(qū)域有限；攤鋪區(qū)域鋼橋面頂板的縱向壓應力較小，但作用范圍較大。

圖6 鋼橋面頂板縱向應力分布

3.3 U形加勁肋溫度應力分析

U形加勁肋的受力狀態(tài)隨橫向位置不同而不同，攤鋪區(qū)加勁肋受力相似，處于上緣受壓、下緣受拉的狀態(tài)；攤鋪邊緣加勁肋由于所處溫度場復雜，其力學狀態(tài)復雜，處于GA攤鋪范圍內的半個肋與其余加勁肋的受力狀態(tài)基本一致，而另半個肋整體受拉。從有限元分析結果(見圖7)可看出：U形加勁肋截面處于正彎矩應力狀態(tài)，上緣壓應力為53 MPa，下緣拉應力為60.2 MPa。

圖7 跨中截面U形加勁肋縱向應力分布

3.4 橫隔板溫度應力分析

根據(jù)鋼橋面頂板溫度應力分析結果，鋼橋面頂板在橫隔板處的受力最為不利。對斜拉索附近橫隔板橫向應力分布進行分析，結果見圖8。從圖8可看出：溫度荷載在橫隔板引起的橫向拉應力集中于攤鋪區(qū)域，位于非攤鋪區(qū)的橫隔板基本受橫向壓應力；橫隔板中最大橫向拉應力位于攤鋪區(qū)正中心，為161 MPa，最大橫向壓應力為23.1 MPa。

圖8 橫隔板橫向應力分布

4 結論

結合武漢某大跨寬幅斜拉橋橋面鋪裝工程，基于有限元模型模擬分析澆注式瀝青混合料施工過程中鋼箱梁溫度應力狀況，得出以下主要結論：

(1) 澆注式瀝青混合料攤鋪過程中，大跨徑寬幅鋼橋面頂板在斜拉索橫截面處的變形不明顯，豎向最大位移為0.005 5 m；跨中橫截面處的變形較明顯，豎向最大位移為0.009 6 m，比普通大跨徑鋼橋跨中豎向最大位移高約28%，表明GA攤鋪過程中對寬幅大跨徑鋼橋影響更顯著。

(2) GA攤鋪區(qū)域的U形加勁肋呈上緣受壓、下緣受拉的應力狀態(tài)；U形加勁肋截面處于正彎矩應力狀態(tài)，上緣壓應力為53 MPa，下緣拉應力為60.2 MPa。

(3) 鋼橋面頂板縱向應力的3個峰值均位于橫隔板正上方，最大縱向拉應力為202 MPa，最大縱向壓應力為121 MPa；斜拉索附近的橫隔板受力最為不利，橫隔板中最大橫向拉應力位于攤鋪區(qū)正中心，為161 MPa，最大橫向壓應力為23.1 MPa。