冬季極端氣候下城市快速路鋼橋面鋪裝力學(xué)響應(yīng)

劉蓮娟，張 勐

(1. 江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司，江西 南昌 330000；2. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；3. 道路結(jié)構(gòu)與材料交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100088)

0 引言

冬季極端氣候的環(huán)境溫度通常最低能達(dá)到-45 ℃，極端的氣候條件要求鋼橋面鋪裝的材料和結(jié)構(gòu)具有較高的低溫力學(xué)性能。在行車荷載作用下，鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝易發(fā)生鋪裝疲勞開裂、車轍及黏結(jié)層失效等病害，損害橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與耐久性。

現(xiàn)有研究主要集中于鋼橋面鋪裝體系的靜荷載響應(yīng)、動力響應(yīng)及溫度效應(yīng)分析，多采用單輪荷載進(jìn)行加載，鋪裝層模量多采用常溫(30 ℃)時的模量。侯貴等[1]通過系列低溫試驗(yàn)研究了不同瀝青混合料勁度模量、劈裂強(qiáng)度、彎曲蠕變?nèi)崃侩S溫度變化的規(guī)律，結(jié)果表明澆注式瀝青混凝土具備良好的低溫性能。張德佳等[2]對鋼橋面鋪裝數(shù)值分析模型的尺寸大小、約束、邊界條件進(jìn)行了優(yōu)化研究，并通過實(shí)測鋼橋面鋪裝的力學(xué)響應(yīng)驗(yàn)證了優(yōu)化模型的有效性；錢振東等[3]利用有限元軟件，把正交異性鋼橋面板與鋪裝層視作受力整體，對鋪裝層進(jìn)行了受力分析，并根據(jù)正交異性鋪裝層體系中局部區(qū)域容易產(chǎn)生破壞的特性，總結(jié)了橋面鋪裝的力學(xué)控制指標(biāo)以及鋪裝層參數(shù)對于鋪裝層力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律；成峰[4]建立了車輛移動荷載下鋼橋面鋪裝體系模型，研究了在不同車輛移動荷載作用下鋪裝體系的受力特點(diǎn)；逯彥秋等[5]研究了鋼橋面層溫度場的分布特征，并對鋼橋面層的溫度分布規(guī)律進(jìn)行了分析。在潤揚(yáng)大橋?yàn)r青鋪裝層攤鋪過程中，劉其偉等[6]對斷面測點(diǎn)的溫度開展動態(tài)測量，采集了鋼-混凝土組合箱梁內(nèi)部的溫度分布并分析了其變化規(guī)律。對冬季極端氣候鋼橋面鋪裝在不同鋪裝厚度、不同鋪裝材料工況下力學(xué)響應(yīng)的研究較少。

因此，以鋼橋面鋪裝的最大拉應(yīng)力、最大拉應(yīng)變、最大豎向位移及層間最大剪應(yīng)力為力學(xué)控制指標(biāo)[7-9]，采用數(shù)值模擬的方法建立鋼橋面鋪裝體系模型，計算不同服役溫度和不同鋪裝層厚度組合等條件下，“雙層EA”結(jié)構(gòu)和“下層EA+上層SMA”結(jié)構(gòu)的鋪裝層上表面最大拉應(yīng)力、最大拉應(yīng)變、最大豎向位移及層間最大剪應(yīng)力，研究冬季極端氣候下快速路鋼橋面鋪裝的力學(xué)響應(yīng)及適合的鋪裝方案。

1 城市快速路鋼箱梁橋橋面鋪裝模型的建立

1.1 鋼橋面三維鋪裝體系模型

通過ABAQUS軟件建立鋼橋面三維鋪裝體系模型，如圖1所示，采用局部正交異性板結(jié)構(gòu)模型，在鋼橋的縱橋向設(shè)置3跨(4塊橫隔板)，橫橋向設(shè)置7個U型加勁肋。根據(jù)實(shí)際橋梁設(shè)計參數(shù)，鋼橋面鋪裝體系模型詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 鋼橋面鋪裝模型參數(shù)(單位:mm)

圖1 鋼橋面鋪裝體系模型

1.2 荷載作用位置

依據(jù)對橋梁工程的實(shí)際調(diào)研情況，橫向拉應(yīng)力導(dǎo)致的橋面鋪裝層縱向裂縫是橋面鋪裝的主要病害[10-12]，因此對橋面鋪裝力學(xué)分析的主要控制指標(biāo)為位于縱向加勁肋頂部鋪裝層上表面的最大橫向拉應(yīng)力；而位于橫肋頂部鋪裝層上表面的最大縱向拉應(yīng)力是引起橋面鋪裝層橫向裂縫的主要因素，將其作為次要控制指標(biāo)。采用雙輪荷載，荷載大小為標(biāo)準(zhǔn)軸載下的輪胎接地壓強(qiáng)0.7 MPa。雙輪荷載對稱布置于鋪裝層上表面，同時位于橫肋頂部、縱向加勁肋肋邊頂部，如圖2(a)所示。雙輪荷載的作用范圍為200 mm×180 mm×2，如圖2(b)所示。

圖2 荷載的設(shè)置

1.3 力學(xué)控制指標(biāo)輸出

鋼橋面鋪裝常見病害有疲勞開裂、車轍及黏結(jié)層失效等，鋼橋面鋪裝的疲勞開裂是由于鋪裝層表面受到拉應(yīng)力和拉應(yīng)變的作用導(dǎo)致，且鋼橋面鋪裝產(chǎn)生最大拉應(yīng)力、最大拉應(yīng)變處更易發(fā)生開裂；車轍病害是由于橋面鋪裝層的抗永久變形能力過低引起；黏結(jié)層失效是鋪裝層與鋼板之間結(jié)合界面的抗水平剪切力不足導(dǎo)致[13-14]。選取最大拉應(yīng)力、最大拉應(yīng)變、最大豎向位移及層間最大剪應(yīng)力等力學(xué)控制指標(biāo)，評價鋼橋面鋪裝的力學(xué)性能，并通過各力學(xué)控制指標(biāo)，提出能夠適應(yīng)冬季極端氣候的快速路鋼箱梁橋橋面鋪裝方案。

2 鋪裝層厚度對鋼橋面鋪裝力學(xué)控制指標(biāo)的影響

選取10 ℃時環(huán)氧瀝青混凝土、SMA和鋼板的模量和泊松比，如表2所示。鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層總厚度一般為50～80 mm[15-17]，本節(jié)討論鋪裝層厚度對鋼橋面鋪裝力學(xué)控制指標(biāo)的影響。選取“下層3 cm+上層3.5 cm”(厚度方案I)、“下層2.5 cm+上層3.5 cm”(厚度方案II)和“下層3 cm+上層4 cm”(厚度方案III)3種鋪裝厚度組合，計算3種鋪裝厚度組合下“雙層EA”與“下層EA+上層SMA”兩種鋪裝方案的各力學(xué)控制指標(biāo)，并根據(jù)計算結(jié)果，初步比較冬季極端氣候下快速路鋼箱梁橋的鋪裝厚度方案。計算結(jié)果如圖3所示。

表2 鋼橋面體系各材料參數(shù)

由圖3可以看出，對3種橋面鋪裝層厚度方案的上表面最大拉應(yīng)力、最大拉應(yīng)變、最大豎向位移及層間最大剪應(yīng)力進(jìn)行比較，均符合“下層2.5 cm+上層3.5 cm”結(jié)構(gòu)>“下層3 cm+上層3.5 cm”結(jié)構(gòu)>“下層3 cm+上層4 cm”結(jié)構(gòu)的規(guī)律，說明“下層3 cm+上層4 cm”結(jié)構(gòu)可抗疲勞開裂、永久變形、層間脫黏性能最優(yōu)，故快速路鋼箱梁橋推薦使用“下層3 cm+上層4 cm”的鋪裝厚度組合。本節(jié)主要計算了10 ℃時“雙層EA”與“下層EA+上層SMA”鋪裝方案的各力學(xué)控制指標(biāo)，由于不同溫度下瀝青混合料的材料屬性差異較大，提出能夠適應(yīng)冬季極端氣候的快速路鋼箱梁橋鋪裝材料方案需進(jìn)一步考慮溫度因素的影響。

圖3 鋪裝層厚度對鋼橋面鋪裝力學(xué)控制指標(biāo)的影響

3 溫度對鋼橋面鋪裝力學(xué)控制指標(biāo)的影響

瀝青混合料溫度依賴性較高，溫度對瀝青混合料模量的影響較大[18-21]。冬季極端氣候的環(huán)境溫度通常最低能達(dá)到-45 ℃，同時考慮鋼箱梁的特性，在夏季易產(chǎn)生箱體不通風(fēng)、散熱速度慢等問題，相比于傳統(tǒng)的桁架梁橋鋼箱梁橋面鋼板溫度會高10 ℃以上[16]。研究冬季極端氣候下快速路鋼箱梁橋橋面鋪裝設(shè)計的工作溫度范圍為-45～50 ℃，計算不同溫度下“雙層EA”與“下層EA+上層SMA”兩種鋪裝方案的各力學(xué)控制指標(biāo)，并根據(jù)計算結(jié)果，提出能夠適應(yīng)冬季極端氣候的快速路鋼箱梁橋鋪裝材料方案。不同溫度下瀝青混合料的模量如表3所示，計算結(jié)果如圖4所示。

表3 不同溫度下瀝青混合料的模量(單位：MPa)

圖4 溫度對鋼橋面鋪裝力學(xué)控制指標(biāo)的影響

由圖4可以看出，兩種鋪裝結(jié)構(gòu)鋪裝層上表面的最大縱向、橫向拉應(yīng)力及層間最大剪應(yīng)力均隨溫度降低而變大，而最大拉應(yīng)變與最大豎向位移均隨溫度降低而變小；相同溫度下，“下層EA+上層SMA”結(jié)構(gòu)上表面的最大縱向、橫向拉應(yīng)力均小于“雙層EA”結(jié)構(gòu)，說明“下層EA+上層SMA”結(jié)構(gòu)的抗疲勞開裂性能優(yōu)于“雙層EA”結(jié)構(gòu)；兩種鋪裝結(jié)構(gòu)鋪裝層上表面最大拉應(yīng)變、最大豎向位移及層間最大剪應(yīng)力相差不大。結(jié)合3.1節(jié)快速路鋼箱梁橋的鋪裝厚度推薦組合，“下層3 cmEA+上層4 cm SMA”鋪裝方案能夠適應(yīng)冬季極端氣候的工況。

4 結(jié)論

(1)對3種鋪裝層厚度方案的鋪裝層上表面最大拉應(yīng)力、最大拉應(yīng)變、最大豎向位移及層間最大剪應(yīng)力進(jìn)行比較，均符合“下層2.5 cm+上層3.5 cm”結(jié)構(gòu)>“下層3 cm+上層3.5 cm”結(jié)構(gòu)>“下層3 cm+上層4 cm”結(jié)構(gòu)的規(guī)律。

(2)“雙層EA”鋪裝結(jié)構(gòu)與“下層EA+上層SMA”鋪裝結(jié)構(gòu)的上表面最大縱向、橫向拉應(yīng)力及層間最大剪應(yīng)力均隨溫度降低而變大，最大拉應(yīng)變與最大豎向位移均隨溫度降低而變小；相同溫度下，“下層EA+上層SMA”鋪裝結(jié)構(gòu)的上表面最大縱向、橫向拉應(yīng)力均小于“雙層EA”結(jié)構(gòu)，兩種鋪裝結(jié)構(gòu)鋪裝層上表面最大拉應(yīng)變、最大豎向位移及層間最大剪應(yīng)力相差不大。

(3)“下層3 cmEA+上層4 cmSMA”鋪裝方案能夠適應(yīng)冬季極端氣候的工況。

主要研究了鋼橋面鋪裝靜荷載響應(yīng)，由于實(shí)際鋼橋面鋪裝使用過程中，荷載作用的主要形式為車輛移動荷載的重復(fù)作用，對于移動荷載和重復(fù)荷載作用下鋼橋面鋪裝的力學(xué)響應(yīng)仍需進(jìn)一步研究。