橋面鋪裝在預制梁仿真分析中的合理性分析

涂偉

（四川公路工程咨詢監理有限公司，四川 成都 610041）

一、引言

橋面鋪裝層是一種與橋梁結構協同變形的特殊結構層，橋面鋪裝層需要承擔汽車荷載、溫度等因素的直接作用，起著保護橋梁主體和為行車提供舒適、安全的路面功能的作用，此外，橋面鋪裝還應具備良好的防水效果，從而保證雨水不會通過鋪裝層滲透到橋面板而侵蝕橋梁結構。水泥混凝土剛性鋪裝能夠使得鋪裝結構層與橋梁主體結構一起承擔應力變形，但在實際的橋梁荷載試驗模型計算中，多數利用荷載的形式模擬橋面剛性鋪裝而忽略其剛度貢獻，造成理論計算的截面特性小于實際截面特性，計算出的理論撓度值偏大，計算值存在一定偏差。本文采用荷載的形式模擬橋面鋪裝、橋面鋪裝結構層劃入T梁頂板、板單元模擬橋面鋪裝三種計算方式，以預制T梁靜載試驗為背景，結合靜載試驗實測數據，對比分析撓度、應變和基頻，分析了不同方法的合理性，用以指導實際工程荷載試驗中的模型建立。

二、工程概述

本文中的工程選取攀大高速公路某大橋中的40m跨預應力混凝土簡支T梁，組合跨徑為（3×30+20×40）m，橋面單幅總寬度為12m，頂板厚度為20cm，橋面鋪裝為10cm混凝土鋪裝+防水層+10cm瀝青鋪裝，梁高2.5m，腹板厚度20cm～32cm。下部構造橋臺采用樁柱式臺、橋墩采用柱式墩、變/等截面矩形墩，墩臺采用樁基礎。橋梁斷面如圖1所示。

現場測試中跨截面在最大正彎矩截面重載工況下的應力、豎向撓度，應變測點布置于預應力T梁馬蹄底板外表面，撓度測點布置同應變測點，如圖2所示。應變測試采用電阻式應變片，撓度測試采用百分表。

圖1.橋梁斷面

圖2.撓度應變測點布置圖

三、建模方案對比分析

運用有限軟件Midas Civil做了相應的詳細計算分析工作，再根據設計車輛荷載作用下的內力包絡圖確定加載試驗截面位置，并進一步確定測點布置。坐標原點在左側端點，x坐標為縱向，y坐標為橫向，z坐標為豎向。該橋采用C50混凝土：混凝土彈性模量E=3.45×104MPa，混凝土泊松比為0.2，混凝土線膨脹系數為1×10-5。

本文采用三種不同方法模擬橋面鋪裝，同時計算40m簡支T梁控制截面在最不利設計荷載作用下的應變、豎向撓度，與實際測量值進行對比。

（一）方案A：以荷載的形式模擬橋面鋪裝

此方案為荷載試驗常采用的方案，鋪裝層通常只作為構造層或磨耗層考慮，不作專門的計算分析，通常被簡化為荷載，忽略其剛度貢獻。此方案用于設計汽車活荷載作用下的最大彎矩及撓度，分別如圖3和圖4所示。

圖3.方案A，40m預應力混凝土簡支T梁撓度包絡圖（單位：mm）

圖4.方案A，40m預應力混凝土簡支T梁應力包絡圖（單位：MPa）

（二）方案B：橋面鋪裝結構層劃入T梁頂板

將橋面鋪裝劃入T梁頂板厚度（即頂板厚度30cm），考慮實際T梁頂板通過植筋將10cm混凝土鋪裝融為一體，此時截面面積增大，慣性矩I增大，符合實際情況。此方案用于設計汽車活荷載作用下的最大彎矩及撓度，分別如圖5和圖6所示。

圖5.方案B，40m預應力混凝土簡支T梁撓度包絡圖（單位：mm）

圖6.方案B，40m預應力混凝土簡支T梁應力包絡圖（單位：MPa）

（三）方案C：板單元模擬橋面鋪裝

用10cm厚的板單元模擬橋面鋪裝，在板單元與梁單元共節點的前提下，考慮其自重和剛度的影響，使其符合實際情況。此方案用于設計汽車活荷載作用下的最大彎矩及撓度，分別如圖7和圖8所示。

圖7.方案C，40m預應力混凝土簡支T梁撓度包絡圖（單位：mm）

圖8.方案C，40m預應力混凝土簡支T梁應力包絡圖（單位：MPa）

四、荷載試驗數據分析

（一）撓度測試結果分析

表1.撓度測試結果

圖9.撓度測試結果分析（單位：mm）

表2.中梁跨中截面彎曲剛度對比

三種橋梁鋪裝層模擬方案本質上是計算截面剛度彎曲不同導致的撓度差異。表2以中梁跨中截面為例（支點截面及邊梁類似），分析了三種不同鋪裝層模擬方法造成的截面彎曲剛度差異。

對比三種建模方案與實測結果，均為3號測點撓度值最大，往兩邊依次逐漸減小，符合T梁的橫向分布規律。以荷載的形式模擬橋面鋪裝、橋面鋪裝結構層劃入T梁頂板、板單元模擬橋面鋪裝三種方案所計算的撓度值均大于實測值，說明設計方案相對保守。方案A以荷載的形式模擬橋面鋪裝未考慮橋面鋪裝的剛度值，彎曲剛度減小，撓度值增大，計算結果存在偏差。另兩種方案均將橋面鋪裝加入實體結構層，同梁體一同參與受力分析，依據式三，EI彎曲剛度增大而最大撓度值減小，更為接近橋梁結構的實際受力狀況。

（二）應變測試結果分析

表3.應變測試結果

如表3和圖10所示，應變測試結果中方案B和方案C的理論值基本一致，說明這兩種方法用于梁體結構應變計算結果相近，可以根據實際需要選用，方案A的應變計算結果偏大，計算結果存在偏差。實測值偏低，現場測試結果為橋梁狀況良好。

圖10.應變測試結果分析（單位：uε）

（三）基頻測試結果分析

表4.基頻測試結果

圖11.基頻測試結果分析

如表4和圖11所示，基頻實測結果均大于計算結果，依據式四簡支梁基頻計算，方案B和C的抗彎剛度增大，基頻也相應增大，符合實際計算規律。方案A未考慮橋面鋪裝的抗彎剛度EI，則實際計算結果較小。

五、結語

方案A以荷載的形式模擬橋面鋪裝，理論值偏大，未考慮其剛度貢獻，導致截面特性計算值小于實際值，計算理論撓度值偏大，即理論計算是偏于不安全的。方案B橋面鋪裝結構層劃入T梁頂板和方案C板單元模擬橋面鋪裝，考慮了鋪裝層自重和剛度的影響，模擬更加準確，計算結果更接近正確值，與實測撓度和應變結果對比更符合。因此，在橋梁荷載試驗中（特別是簡支T梁橋）推薦采用方案B和方案C來模擬橋面鋪裝。