正交異性鋼橋面鋪裝體系粘結(jié)層剪應(yīng)力有限元分析

寇素霞，簡家碩，李泊辰

(1.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引 言

正交異性鋼橋面板具有結(jié)構(gòu)質(zhì)輕、材料加工與架設(shè)方法簡單、施工技術(shù)與周期較短等優(yōu)點，所以，普遍應(yīng)用于受自重影響很大的大跨度橋梁建設(shè)當(dāng)中[1-2]。正交異性鋼板橋面的橋面鋪裝技術(shù)，是大跨度鋼板橋面施工中的一個復(fù)雜而重要的技術(shù)問題[3]。鋼板橋面鋪裝與普通路面的瀝青混凝土鋪裝有很大區(qū)別，其柔性要大與一般的橋面板，因此在重型汽車負(fù)荷影響下，橋面板的應(yīng)變范圍大，尤其在焊接和連接部位會產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，會導(dǎo)致其使用壽命極大的縮減[4-5]。

鋼橋面鋪裝層是大跨徑鋼橋重要的上部結(jié)構(gòu)組分，影響著汽車行駛過程中的舒適性以及橋梁使用期間的安全性和耐久性，在投資者的經(jīng)濟效益及社會效益中扮演著主要角色[6]。在初期的鋼橋結(jié)構(gòu)研究方法當(dāng)中，鋼橋面板上的鋪裝層僅僅被學(xué)者視為是均質(zhì)分布的恒載，忽略了其受力分析。然而，鋼橋面板的受力特性分析一直是鋼橋面上部結(jié)構(gòu)研究的熱點問題，并不能簡單的把鋪裝層視為均布荷載。近些年來，由于大跨徑鋼橋的不斷修建，鋼橋的使用功能及特性因橋面鋪裝層的破壞而降低的現(xiàn)象不斷涌現(xiàn)了出來[7]。國內(nèi)外眾多機構(gòu)和學(xué)者對這一現(xiàn)象開始高度重視起來，各國道橋工作者開始著力用力學(xué)手段嘗試揭示鋪裝體系的力學(xué)特性[8-10]。主要通過有限元數(shù)值分析方式，研究正交異性鋼橋面鋪裝體系的粘結(jié)層剪應(yīng)力特性。

1 計算模型

根據(jù)瀝青混合料鋪裝層體系與橋面系統(tǒng)之間連接部位的受力均勻及完整性，瀝青混合料鋪裝層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力開裂現(xiàn)象及變形破壞形成機理等主要特性還分別與瀝青混合料鋼橋面板局部的連續(xù)受力狀態(tài)與抗變形沖擊性能好壞有關(guān)。選取鋼箱梁的局部橋段為研究對象，計算模型對瀝青混合料鋪裝層體系、鋼橋面板體系以及加勁肋體系都認(rèn)為是均勻、連續(xù)和各向同性的材料。圖1為鋪裝體系計算模型及行車荷載作用示意圖，計算模型由鋪裝層、鋼板層、加勁肋和橫隔板組成。

圖1 計算模型與荷載作用示意圖

2 有限元模型建立

采用國際通用可靠的有限元軟件ABAQUS，研究分析正交異性鋼橋面鋪裝體系的力學(xué)特性。選取鋼箱梁的局部橋段為研究對象，有限元計算模型如圖2所示，模型的計算主要包含分析了局部鋼箱梁橋面頂板、橫隔板、加勁肋、鋪裝層。鋼橋面板和鋪裝層之間采取不產(chǎn)生水平位移和豎向位移的控制方式作為邊界條件。由于瀝青混合料鋪裝結(jié)構(gòu)的幾何形式較為復(fù)雜，因此選取實體單元(C3D8R)進行單元網(wǎng)格劃分。

圖2 有限元計算模型

鋼材和瀝青混合料的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 材料物理力學(xué)指標(biāo)

3 結(jié)果與分析

3.1 鋪裝層厚度變化對粘結(jié)層剪應(yīng)力的影響

分析鋪裝層厚度變化對粘結(jié)層最大剪應(yīng)力的影響時，鋪裝層厚度控制在20～70 mm的范圍內(nèi)，瀝青混合料模量n分別取100、200、400，鋼板層厚度為16 mm，橫隔板間距為3.5m，厚度12 mm，加勁肋尺寸為320 mm×260 mm×8 mm。粘結(jié)層的剪應(yīng)力隨瀝青鋪裝層厚度和模量比變化的情況下其曲線形式如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著瀝青混凝土鋪裝層厚度的增加，層間剪應(yīng)力不斷增大。鋪裝層厚度變化時，最大橫向剪應(yīng)力變化規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜。鋪裝層厚度在20～70 mm范圍內(nèi)變化時，瀝青混合料鋪裝層厚度的增加會使粘結(jié)層的最大剪應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢，為反拱曲線(上凸曲線)。當(dāng)達(dá)到某一剪應(yīng)力峰值后，粘結(jié)層最大剪應(yīng)力反而出現(xiàn)減小的變化趨勢，并且不同瀝青混合料模量比下，粘結(jié)層剪應(yīng)力變化曲線的峰值不同。因此，以粘結(jié)層剪應(yīng)力作為鋼橋面安全性和耐久性控制指標(biāo)時，鋪裝層厚度不宜過厚，同時要根據(jù)具體鋪裝層材料的模量范圍，避開曲線峰值點對應(yīng)的厚度值。

3.2 橫隔板間距變化對粘結(jié)層剪應(yīng)力的影響

通過改變橫隔板的間距探討鋼板與鋼橋面鋪裝層的層間剪應(yīng)力時，橫隔板分別每隔2.5 m、3 m、3.25 m、3.5 m、3.75 m、4 m、4.25 m、4.5 m的間距進行布置，瀝青鋪裝層厚度取55 mm，瀝青混合料模量比n分別取100、200、400，鋼橋面板厚度取16 mm，橫隔板厚度取12 mm，加勁肋尺寸為320 mm×260 mm×8 mm。不同橫隔板間距和模量比下，粘結(jié)層的剪應(yīng)力如圖4示。

從圖4可以看出，粘結(jié)層剪應(yīng)力與橫隔板間距呈正相關(guān)，橫隔板間距的增大使粘結(jié)層的最大剪應(yīng)力也在不斷增大，在0.05 MPa范圍內(nèi)波動，波動幅度較小。因此，粘結(jié)層的剪應(yīng)力的改變受橫隔板間距的作用效果不大，通過改變橫隔板的間距對控制粘結(jié)層層間的剪切破壞幾乎沒有作用。

3.3 瀝青混合料模量變化對粘結(jié)層剪應(yīng)力的影響

在分析瀝青混合料模量變化對粘結(jié)層剪應(yīng)力的影響時，根據(jù)實驗室試驗和現(xiàn)場實測的結(jié)果，取瀝青混合料模量比分別為700、520、400、340、250、200、100、70和50。瀝青鋪裝層厚度取55 mm，鋼橋面板厚度取16 mm，橫隔板厚度取12 mm并且每隔3.5 m布置一道，加勁肋尺寸為320 mm×260 mm×8 mm。不同瀝青混合料模量比下，粘結(jié)層的剪應(yīng)力如圖5示。

圖5 瀝青混合料模量對粘結(jié)層剪應(yīng)力的影響

從圖5可以看出，隨著瀝青混合料模量增加，最大剪應(yīng)力不斷減小。瀝青混合料模量在0～400范圍內(nèi)正交異性鋼橋面鋪裝體系的粘結(jié)層最大剪應(yīng)力的下降趨勢陡峭，下降曲線呈指數(shù)形式。瀝青混合料模量在400～700范圍內(nèi)粘結(jié)層最大剪應(yīng)力的下降趨勢平緩，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。說明瀝青混合料模量在一定范圍內(nèi)嚴(yán)重影響正交異性鋼橋面鋪裝體系的粘結(jié)層剪應(yīng)力，瀝青混合料模量越低粘結(jié)層剪應(yīng)力就越大，瀝青混合料模量的增加會產(chǎn)生粘結(jié)層剪應(yīng)力不斷減小的現(xiàn)象，到達(dá)某一值時剪應(yīng)力趨于不變。因此從剪切破壞角度來說，在鋼橋面鋪裝體系設(shè)計過程中，充分考慮其安全性和耐久性的前提下，為避免經(jīng)濟浪費而造成不必要的材料損失，應(yīng)合理的配置瀝青混合料的模量。

4 結(jié) 論

以正交異性鋼箱梁為研究背景，選取鋼箱梁的局部橋段為研究對象，采用通用有限元軟件ABAQUS對正交異性鋼橋面鋪裝體系的剪應(yīng)力進行分析，可以得到以下結(jié)論。

(1)在控制橫隔板間距不變的情況下，瀝青混合料鋪裝層厚度的增加會使粘結(jié)層的最大剪應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢，為反拱曲線。并且在不同瀝青混合料模量比下，粘結(jié)層剪應(yīng)力變化曲線的峰值對應(yīng)于不同的鋪裝層厚度。

(2)在控制瀝青混合料鋪裝層厚度不變的情況下，橫隔板間距的增加會使粘結(jié)層的最大剪應(yīng)力變化曲線近似于一條水平直線，因此粘結(jié)層的剪應(yīng)力基本不受橫隔板間距的影響，通過改變橫隔板的間距無法有效的控制鋪裝層與鋼橋面板的層間剪切破壞。

(3)在控制橫隔板間距和瀝青混合料鋪裝層厚度不變的情況下，瀝青混合料模量越低粘結(jié)層剪應(yīng)力就越大，粘結(jié)層的最大剪應(yīng)力會由于瀝青混合料模量的增加而減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一值時剪應(yīng)力趨于不變。因此，通過控制瀝青混合料模量能夠有效的改變粘結(jié)層的最大剪應(yīng)力。