空心板橋梁鋪裝層受力特性分析

戴 偉

(邵陽公路橋梁建設有限責任公司，湖南 邵陽 422300)

0 引言

橋面鋪裝層作為一種特殊的路面結構，起著承擔路面功能和保護橋梁的作用，不但需要直接承受車輪的壓力、沖擊荷載以及在汽車和氣候環(huán)境反復作用下的磨耗、風化，為行車提供舒適、安全的路面，而且需要分散荷載，參與橋面板的受力，擔負著傳導行車荷載、保護橋梁主體的作用。在環(huán)境因素和行車荷載的復合作用下，其受力機理較公路路面及機場道面復雜得多，容易發(fā)生各種形態(tài)破壞，因此，為了保證其滿足正常使用功能必須弄清其受力機理及影響因素，增強橋面鋪裝層的強度、抗裂、抗沖擊、耐磨等性能。

目前，國內(nèi)外針對橋梁鋪裝層受力特性展開不同程度的研究。美國加州大學 Seible F.［1］和Latham C.T.教授［2］認為水泥混凝土鋪裝層的破壞主要發(fā)生在橋面板和鋪裝層的接觸層，其破壞原因為兩者發(fā)生了剝離現(xiàn)象。巴西J.G.S.Da Silva 教授［3］對高速公路不規(guī)則橋面的動態(tài)性能進行了研究，研究表明車輛重載、超速對鋪裝層及整個橋梁結構影響嚴重。美國Jung Heum Ye 和Seongcheol Choi教授［4］將橋面板、鋪裝層作為受力整體，并建立三維有限元分析模型，對鋪裝層內(nèi)受力變形特點進行研究，提出橋面鋪裝層破壞指標。王虎等［5］人利用梁體結構的線彈性理論，對活載作用下水泥混凝土橋水泥混凝土橋面鋪裝層內(nèi)的彎曲正應力進行了分析。羅立峰等［6～9］應用結構的線彈性理論，對鋪裝層的受力狀況進行了簡化，并根據(jù)實際狀況出了若干假定，提出水泥混凝土橋面鋪裝的設計方法。

基于上述學者的研究理論和方法，本文采用三維有限元方法，在橋梁實際結構尺寸的基礎上，建立混凝土橋梁整體模型，保留橋梁的力學特征，研究了橋面鋪裝體系的力學特性和應力分布變化規(guī)律，為橋面鋪裝層體系設計和施工提供理論依據(jù)，達到改善鋪裝層受力和延長鋪裝層使用壽命的目的。

1 有限元分析模型

1.1 工程概況

計算分析對象為跨徑l=20 m 的裝配式簡支空心板橋鋪裝層，其邊板、中板截面尺寸以及橫斷面布置分別如圖1、圖2所示，鋪裝層采用水泥混凝土。

1.2 基本假定

圖1 邊板、中板截面尺寸(單位:cm)

橋面鋪裝是一個復雜的受力體系，荷載和溫度應力、橋梁主體的彎曲和扭曲都會對層間變形和受力產(chǎn)生明顯的影響，所以建立合理的橋面鋪裝體系力學模型顯得十分重要。本文在對橋面鋪裝層進行力學分析研究時，對模型和材料的特性作了如下基本假定:

圖2 空心板橋斷面布置示意圖(單位:cm)

1)進行靜力分析時橋梁主體、防水層和鋪裝層均處于無裂縫工作狀態(tài);

2)在車輛荷載作用下，認為混凝土鋪裝層是連續(xù)、均勻以及各向同性的;

3)所有材料線滿足彈性假定;

4)鋪裝層、防水層和橋梁主體一起承受車輛荷載作用;

5)不考慮混凝土橋梁和鋪裝層的重力作用;

6)忽略橋梁振動作用對計算結果的影響。

1.3 結構建模

采用ANSYS 單元庫中實體單元Solid45 模擬混凝土，該單元通過8 個節(jié)點來形成六面體單元，每個節(jié)點有3 個沿著X、Y、Z 方向平移的自由度，單元具有塑性、蠕變、應力強化、大應變等能力。模型中采用六面體映射劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸控制在0.2 m，橋體支座簡支約束。

根據(jù)分析的需要，考慮鋪裝層厚度、鋪裝層彈性模量、水平荷載和超載對橋梁鋪裝層應力分布的影響規(guī)律，本文建立了鋪裝層厚度為5、10、15 cm，彈性模量為27、33、39 GPa，水平荷載動摩擦系數(shù)為0、0.3、0.5、0.7、1，超載系數(shù)為 0%、50%、100% 共 51個模型(如圖3)。

圖3 空心板橋空間實體有限元模型

1.4 計算荷載

本文主要研究橋面鋪裝層在汽車荷載作用下的應力應變狀態(tài)，依據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2004)，采用車輛荷載進行加載，車輛荷載的立面尺寸如圖4所示，將輪胎的接地面積由圓形面積轉換為(0.2 ×0.6)m2的矩形面積，保持兩輪中心的間距為1.8 m，汽車－超20 后軸軸重為140 kN，輪胎接地壓強換算為0.707 MPa，汽車荷載的主要技術指標如表1。力學計算中，僅考慮一輛汽車水平荷載和垂直荷載，水平荷載由垂直荷載乘以車輪與路面間的動摩擦系數(shù)得到，其加載位置為1#板跨中。

圖4 車輛荷載的立面尺寸

表1 車輛荷載技術指標

2 鋪裝層受力特性分析

2.1 計算結果

本文將運用三維有限元計算，分析混凝土鋪裝層內(nèi)的最大拉應力、最大剪應力，考慮鋪裝層參數(shù)(鋪裝層厚度、鋪裝層彈性模量)的變化、行車荷載等因素對受力的影響。

2.1.1 鋪裝層參數(shù)

鋪裝層參數(shù)(厚度和彈性模量)的變化對鋪裝層受力有重大影響，在橋面鋪裝設計時，鋪裝層的厚度作為重要指標，直接影響著鋪裝層抗垂直荷載和水平剪切的能力。其彈性模量隨著溫度和荷載的變化發(fā)生改變，變化區(qū)間從幾百兆帕發(fā)展至幾千兆帕，對鋪裝層強度影響深遠。

表2給出空心板橋無超載、無水平荷載情況下鋪裝層最大應力隨其厚度和彈性模量的變化規(guī)律。

表2 混凝土鋪裝層應力隨厚度、彈性模量變化值

從表2中可以發(fā)現(xiàn)，由于車輛荷載為偏載，鋪裝層的最大橫向拉應力普遍高于最大縱向拉應力，隨著鋪裝層厚度的增大，其內(nèi)部應力均呈現(xiàn)不同的降低。圖5給出在跨中偏載作用下，鋪裝層內(nèi)各應力隨其厚度的變化規(guī)律。

圖5 鋪裝層應力隨厚度變化圖

觀察圖5，可以發(fā)現(xiàn)縱橋向最大拉應力和最大剪應力隨鋪裝層厚度的變化效果均較為明顯，說明隨著鋪裝層厚度增大對其抗垂直荷載和水平剪切能力增強作用顯著。圖6給出不同彈性模量的鋪裝層縱向最大拉應力隨其厚度的變化規(guī)律。

圖6 不同彈性模量鋪裝層應力隨厚度變化圖

結合表2和圖6中可明顯看出，隨著鋪裝層彈性模量的增大，鋪裝層內(nèi)的最大拉應力和最大剪應力均呈現(xiàn)增大趨勢，鋪裝層厚度為5 cm 時，彈性模量為39 GPa 較27 GPa 最大縱橋向拉應力增大20.2%，最大橫橋向拉應力增大22.9%，剪應力減小26.3%。由此可見鋪裝層彈性模量對其內(nèi)部應力分布影響巨大。分析圖6，可以發(fā)現(xiàn)，在相同的鋪裝層厚度變化范圍內(nèi)，5～10 cm 段較 10～15 cm 段應力下降更為快速，因此5～10 cm 范圍內(nèi)增加鋪裝層厚度，控制其內(nèi)部應力效果更好。

2.1.2 行車荷載

行車荷載包含車輛超載和水平荷載，隨著國民經(jīng)濟的不斷增強，車輛車載也與日俱增，超載現(xiàn)在日趨嚴重，超載現(xiàn)象一般分兩種情況，一種是通過改變輪胎的接地面積，另一種改變胎壓而不變接地面積。由于采用改變胎壓的方式模擬超載偏保守，因此本節(jié)只改變胎壓而不改變車胎接地面積，以超載系數(shù)為0～100%，每隔50%進行一次計算。同時車輛荷載作用在路面上的時候，會與路面接觸面上會產(chǎn)生水平荷載，其水平荷載為垂直荷載乘動摩擦系數(shù)f，為了研究水平荷載對橋面鋪裝層的影響，計算中選取水平力系數(shù)分別為 0、0.3、0.5、0.7、1。

觀察表3，隨著超載系數(shù)的增大，不同彈性模量鋪裝層的應力均呈線性增長趨勢，可見超載對鋪裝層應力增長影響很大，圖7為不同超載系數(shù)下鋪裝層橫橋向最大拉應力隨彈性模量的變化規(guī)律。

表3 不同彈性模量鋪裝層應力隨超載系數(shù)變化值

圖7 不同超載系數(shù)下鋪裝層應力隨彈性模量變化圖

圖7反映無論是否超載，鋪裝層中的應力都隨彈性模量的增大而增大，且隨著超載系數(shù)的增大，鋪裝層中應力對彈性模量變化的敏感性越來越強，增加的幅度不斷增大。

由表4可知，隨著動摩擦系數(shù)的增大，縱橋向最大拉應力和最大剪應力逐漸增大，其中以剪應力增大最為明顯，橫橋向最大拉應力基本無變化。

從圖8可以看出，隨著動摩擦系數(shù)的增大，縱橋向最大拉應力隨鋪裝層彈性模量變化的越來越不明顯，當動摩擦系數(shù)達0.7 后，基本沒有變化，可見當行車荷載超過一定限度，鋪裝層彈性模量對應力的影響不再明顯。

表4 混凝土鋪裝層應力隨水平荷載變化值

圖8 不同水平荷載下鋪裝層應力隨彈性模量變化圖

3 結論

1)鋪裝層內(nèi)應力隨著鋪裝層厚度的增大而減小，隨著鋪裝層彈性模量的增大而增大;5～10 cm范圍內(nèi)增加鋪裝層厚度，控制其內(nèi)部應力效果最好。

2)在彈性范圍內(nèi)，鋪裝層內(nèi)應力隨超載系數(shù)的增大呈線性增長趨勢;隨著動摩擦系數(shù)的增大，剪應力增大最為明顯，動摩擦系數(shù)為1 較0 時剪應力增大接近270%，橫橋向和縱橋向最大拉應力基本無變化。

3)隨著超載系數(shù)的增大，鋪裝層中應力對彈性模量變化的敏感性增強;隨著動摩擦系數(shù)的增大，鋪裝層內(nèi)應力隨彈性模量變化越來越不明顯。

［1］Seible F，Latham C T.Analysis and design models for structural concrete bridge deck overlays［J］.Journal of Structural Engineering，1990，116(10):2711 －2727.

［2］Seible F，Latham C T.Horizontal load transfer in structural concrete bridge deck overlays［J］.Journal of Structural Engineering，1990，116(10):2691 －2710.

［3］Da Silva J G S.Dynamical performance of highway bridge decks with irregular pavement surface［J］.Computers ＆ structures，2004，82(11):871 －881.

［4］Yeon J H，Choi S，Won M C.Evaluation of zero－stress temperature prediction model for Portland cement concrete pavements［J］.Construction and Building Materials，2013，40:492 －500.

［5］王 虎，胡長順.簡支梁橋梁端處橋面連續(xù)鋪裝層結構計算分析［J］.西安公路交通大學學報，2000，20(4):1 －3.

［6］羅立峰，鐘 鳴，黃成造.橋面鋪裝設計方法探討［J］.中南公路工程，1999，24(2):20 －22.

［7］羅立峰，鐘 鳴，黃成造.水泥混凝土橋面鋪裝設計方法的研究［J］.華南理工大學學報，2002，30(3):61 －65.

［8］羅立峰，鐘 鳴，黃成造.橋面鋪裝設計理論的研究［J］.華南理工大學學報，2002，30(4):91 －96.

［9］羅立峰，鐘 鳴，黃成造.混凝土橋面鋪裝概述［J］.國外公路，1999，19(3):23 －26.