常用連續(xù)橋梁橋面鋪裝局部力學(xué)分析

梁世春

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

目前對(duì)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多數(shù)未進(jìn)行受力分析，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、材料基本一致，其結(jié)構(gòu)和材料不一定滿足實(shí)際受力狀況要求，致使橋面鋪裝耐久性差，容易破壞。對(duì)常用連續(xù)橋梁橋面鋪裝進(jìn)行局部力學(xué)分析，掌握受力狀況，為橋面鋪裝設(shè)計(jì)提供參考。

1 分析模型

1.1 橋面鋪裝有限元模型

在行車(chē)荷載作用下，鋪裝體系內(nèi)產(chǎn)生的荷載效應(yīng)具有很強(qiáng)的局域性特點(diǎn)，分析中主要選取結(jié)構(gòu)整體變形較大的部位來(lái)建立橋面鋪裝模型。各模型中包含相應(yīng)橋型的主要部件，如主梁、橋面板、橫隔梁和橋面鋪裝。采用Midas-FEA對(duì)橋面鋪裝層進(jìn)行力學(xué)分析，所用單元為圖1所示的6節(jié)點(diǎn)5面體實(shí)體單元。鋪裝層中同一類(lèi)材料取的厚度即為6節(jié)點(diǎn)的5面體單元的厚度。

圖1 6節(jié)點(diǎn)5面體實(shí)體單元

a）對(duì)于40 m簡(jiǎn)支變連續(xù)T梁，分析時(shí)取計(jì)算模型長(zhǎng)度13 m，包括3個(gè)橫隔梁，橫隔梁間距為6.5 m，寬為實(shí)橋?qū)?2 m（模型如圖2所示）。

b）對(duì)于裝配式30 m連續(xù)箱梁，分析時(shí)取計(jì)算模型長(zhǎng)度15 m，包括1個(gè)跨中橫隔梁、1個(gè)中橫梁和1個(gè)1/4跨橫梁，橫隔梁間距為7.5 m，寬為實(shí)橋?qū)?2 m（模型如圖3所示）。

圖2 40 m T梁計(jì)算模型圖

圖3 30 m箱梁計(jì)算模型圖

c）對(duì)于整體115 m連續(xù)箱梁，分析時(shí)取跨中長(zhǎng)度10 m段作為分析對(duì)象（模型如圖4所示）。

圖4 115 m箱梁計(jì)算模型圖

對(duì)于40 m連續(xù)T梁和裝配式30 m連續(xù)箱梁的邊界條件為：約束端部支座處的x、y、z方向的變形；對(duì)于115 m箱梁的邊界條件為：約束截取箱梁端部截面的x、y、z三方向的變形。其中，x為橫橋向，y為順橋向，z為沿橋高度方向。

1.2 材料參數(shù)

a）混凝土 密度 γ=26.0 kN/m3，彈性模量 Ec=3.45×104MPa，泊松比 0.2。

b）環(huán)氧瀝青混合料 密度γ=24.0 kN/m3，彈性模量分別按 Ec=4.2×103MPa、Ec=2.1×103MPa、Ec=1.05×103MPa，泊松比 0.25。

1.3 荷載

采用公路-I級(jí)荷載，計(jì)算時(shí)考慮沖擊作用，后軸單側(cè)輪與橋面板接地面積0.6 m×0.2 m；因分析表明單車(chē)道計(jì)算結(jié)果均小于相應(yīng)的雙車(chē)道計(jì)算結(jié)果，因此后面的加載均按照雙車(chē)道進(jìn)行加載。車(chē)輛荷載布置如圖5所示[1]，取后軸重力標(biāo)準(zhǔn)值2×140 kN。局部加載沖擊系數(shù)按照規(guī)范全部取為1.3[2]。根據(jù)規(guī)范，單車(chē)道加載時(shí)制動(dòng)力不小于165 kN，雙車(chē)道加載時(shí)制動(dòng)力不小于2×165 kN。

圖5 車(chē)輛荷載示意圖（單位：m）

2 橋面鋪裝體系最不利荷載位力學(xué)分析

主要通過(guò)縱橋向的最不利荷載位鋪裝層受力分析，了解橋面鋪裝層的受力狀態(tài)，為橋面鋪裝層的選材提供力學(xué)上的理論依據(jù)。

2.1 計(jì)算要點(diǎn)

a）以5 cm環(huán)氧瀝青橋面鋪裝模型為例，環(huán)氧瀝青鋪裝層彈性模量Ec取1.05×103MPa。

b）縱向 對(duì)于40 m T梁和30 m箱梁取兩個(gè)橫隔梁之間的1/4b、1/2b、3/4b及中橫隔梁處進(jìn)行加載；對(duì)于115 m箱梁取計(jì)算長(zhǎng)度一半（因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)對(duì)稱）（b=5 m）的1/4b、1/2b、3/4b（跨中）處進(jìn)行加載。

c）橫向 兩個(gè)行車(chē)道上布置計(jì)算荷載，每次布置兩輛行車(chē)荷載（雙軸四輪組荷載），如圖6所示。

圖6 車(chē)輛荷載布置圖

2.2 計(jì)算結(jié)果

提取環(huán)氧瀝青鋪裝層、水泥混凝土鋪裝層的最大拉應(yīng)力和拉應(yīng)變；環(huán)氧瀝青與水泥混凝土鋪裝層間、水泥混凝土鋪裝層與主梁層間最大剪應(yīng)力；各層的最大位移。如表1、表2、表3所示。其中，x為橫橋向，y為縱橋向，z為沿橋高度方向；σx為橫橋向拉應(yīng)力，σy為順橋向拉應(yīng)力，σz為豎橋向拉應(yīng)力、壓應(yīng)力（負(fù)數(shù)，下同）；εx為橫向拉應(yīng)變，εy為順橋向拉應(yīng)變，εz為豎橋向拉應(yīng)變、壓應(yīng)變（負(fù)數(shù)，下同）；τx為橫橋向?qū)娱g剪應(yīng)力，τy為順橋向?qū)娱g剪應(yīng)力。表中所列剪應(yīng)力分別為環(huán)氧瀝青層與水泥混凝土鋪裝層間的剪應(yīng)力，及水泥混凝土鋪裝層與混凝土主梁間的剪應(yīng)力。不同加載位置應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)圖7～圖9。

表1 40 m T梁各加載位置最大應(yīng)力、應(yīng)變及層間剪應(yīng)力

表2 30 m箱梁各加載位置最大應(yīng)力、應(yīng)變及層間剪應(yīng)力

表3 115 m箱梁各加載位置最大應(yīng)力、應(yīng)變及層間剪應(yīng)力

圖7 40 m T梁不同加載位置拉應(yīng)力、剪應(yīng)力對(duì)比

圖8 30 m箱梁不同加載位置拉應(yīng)力、剪應(yīng)力對(duì)比

圖9 115 m箱梁不同加載位置拉應(yīng)力、剪應(yīng)力對(duì)比

3 結(jié)論

a）比較順橋向拉應(yīng)力σy及橫橋向拉應(yīng)力σx，40 m T梁最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在1/4b加載處，最大應(yīng)力值為0.312 MPa（順橋向拉應(yīng)力σy）；30 m箱梁最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在3/4b加載處，最大應(yīng)力值為0.438 MPa（橫橋向拉應(yīng)力σx）；115 m箱梁最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在1/4b加載處，最大應(yīng)力值為0.253 MPa（順橋向拉應(yīng)力 σy）。

b）對(duì)于豎橋向正應(yīng)力σz，40 m T梁最大拉應(yīng)力及最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在1/4b加載處，分別為0.408 MPa、-2.141 MPa；30 m箱梁最大拉應(yīng)力及最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在1b加載處，分別為0.469 MPa、-2.933 MPa；115 m箱梁最大拉應(yīng)力及最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在1/4b加載處，分別為0.449 MPa、-2.194 MPa。

c）40 m T梁最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在1/2b加載處，最大應(yīng)力值為0.429 MPa（橫橋向剪應(yīng)力τx）。30 m箱梁最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在1b加載處，最大應(yīng)力值為0.508 MPa（橫橋向剪應(yīng)力τx）。115 m箱梁最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在1b加載處，最大應(yīng)力值為0.442 MPa（橫橋向剪應(yīng)力 τx）。

d）隨荷載位置向計(jì)算模型跨中方向的靠近，各鋪裝層的撓度不斷增大，且環(huán)氧瀝青鋪裝層撓度大于水泥混凝土鋪裝層。其中40 m T梁鋪裝層最大撓度為0.390 mm，30 m箱梁鋪裝層最大撓度為0.662 mm，115 m箱梁鋪裝層最大撓度為0.289 mm。