車輛荷載下鋼箱梁瀝青混凝土鋪裝受力分析-

1、第31卷第6期2001年11月東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版JOURNA L OF S OUTHE AST UNIVERSITY (Natural Science Edition V ol 131N o 16N ov.2001車輛荷載下鋼箱梁瀝青混凝土鋪裝受力分析顧興宇鄧學(xué)鈞周世忠周建林(東南大學(xué)交通學(xué)院,南京210096(江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司,南京210004摘要:本文參照實(shí)際工程中鋼橋面瀝青混凝土鋪裝疲勞開(kāi)裂這一主要破壞形式,應(yīng)用有限條分析方法,構(gòu)建計(jì)算模型,通過(guò)模擬車輛在橋面縱、橫向的不同加載位置,計(jì)算瀝青鋪裝層上表面的應(yīng)力應(yīng)變,繼而討論鋼橋面幾何正交異性特性對(duì)瀝青鋪裝層的影響,得出與工程

2、實(shí)際相符的結(jié)論,為合理確定鋼橋面瀝青鋪裝層的結(jié)構(gòu)提供理論參考.關(guān)鍵詞:有限條;鋼箱梁;橋面鋪裝中圖分類號(hào):U416.01文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1001-0505(20010620018203收稿日期:2001201219.作者簡(jiǎn)介:顧興宇,男,1976年生,博士研究生.基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59878014.交通部重慶公路科學(xué)研究所.交通部重點(diǎn)科技項(xiàng)目特大跨徑橋梁鋪裝層與正交異性橋面板的受力分析和理論研究.國(guó)外專題情報(bào)資料,1999.2830,3542.大跨徑鋼橋一般采用扁平流線型鋼箱梁和薄層瀝青混凝土鋪裝,這有利于減輕橋梁恒載重量,提高結(jié)構(gòu)承載力,從而可以進(jìn)一步加大橋梁的跨

3、徑.但是,橋面板是由鋼箱梁蓋板、縱向加勁肋、橫隔板以及瀝青鋪裝層組合而成的,結(jié)構(gòu)的特性決定了其受力的特殊性,因此,對(duì)于直接承受行車荷載的鋪裝層,不應(yīng)僅僅從材料的角度來(lái)考慮,而應(yīng)該在結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合材料特性,設(shè)計(jì)適合橋面結(jié)構(gòu)特性的鋪裝層結(jié)構(gòu).根據(jù)近年來(lái)鋼橋橋面鋪裝的破壞情況看,由于縱向加勁肋的作用,鋪裝層頂面局部承受較大的負(fù)彎矩,在車載的長(zhǎng)期反復(fù)作用下,鋪裝層表面出現(xiàn)疲勞裂縫的情況較多.裂縫的產(chǎn)生導(dǎo)致雨水滲入,引發(fā)鋼橋面板銹蝕,使得橋梁結(jié)構(gòu)整體性能下降、壽命縮短,因此必須預(yù)測(cè)及限制裂縫的產(chǎn)生.從現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼橋面橋面鋪裝的研究情況來(lái)看,研究?jī)?nèi)容主要集中在材料方面1,即利用各種手段改善材

4、料的性質(zhì)或者研究發(fā)展新的鋪裝材料,而對(duì)于鋼橋面鋪裝層的受力特性的研究較少.由文獻(xiàn)知,除了通過(guò)加載試驗(yàn)研究外2,3,一般根據(jù)兩端固端的梁理論來(lái)近似模擬加勁肋的支撐作用.即使利用有限元方法進(jìn)行分析,在橋梁橫截面方向有限元模型中僅僅選取56個(gè)加勁肋,也不能完全說(shuō)明問(wèn)題.本文以江陰大橋橋面鋪裝為研究對(duì)象,運(yùn)用有限條法分析橋面鋪裝層的受力機(jī)理,為合理確定鋼橋面鋪裝層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考.1計(jì)算模型1.1橋面系力學(xué)模型圖1橋面系統(tǒng)計(jì)算模型由圖1所示的橋面系計(jì)算模型來(lái)看,由于橋面的各部分幾何形態(tài)比較規(guī)則,可以采用有限條法進(jìn)行分析,將面板在縱向加勁肋支撐處離散為若干個(gè)矩形條,每一根加勁肋則離散為3根有限條元

5、,橫向隔板可以看作簡(jiǎn)支處理,橋面系統(tǒng)條元?jiǎng)澐忠?jiàn)圖2.為了提高分析精度,對(duì)于每一根條元,采用具有中間輔助結(jié)線的高階有限條,每根結(jié)線具有撓度及轉(zhuǎn)角2個(gè)自由度.在荷載作用下,其同時(shí)具有平面內(nèi)位移和平面外彎曲2種變形,在線彈性范圍內(nèi),可以假定平面應(yīng)力作用與彎曲作用互不耦聯(lián),所以可以分別對(duì)待處理.根據(jù)文獻(xiàn)1,彎曲條元的位移函數(shù)為W (x ,y =rm =1(a 1+a 2x +a 3x 2+a 4x 3+a 5x 4+a 6x 5Y m (y 圖2橋面系統(tǒng)條元?jiǎng)澐?14為條元號(hào),為結(jié)線號(hào)平面應(yīng)力條元的位移函數(shù)為U (x ,y =rm =1(a7+a 8x Y um y V (x ,y =rm =1(a9

6、+a 10x Y vm y根據(jù)條單元邊界位移條件,求解位移函數(shù)中未知變量參數(shù),建立單元結(jié)構(gòu)內(nèi)力與邊界位移的數(shù)學(xué)關(guān)系,從而求解結(jié)構(gòu)內(nèi)部任意位置處的內(nèi)力.1.2計(jì)算參數(shù)橋面幾何尺寸見(jiàn)表1,設(shè)計(jì)荷載見(jiàn)表2.表1幾何尺寸m箱梁頂板尺寸寬厚橫隔板間距U 肋尺寸上口寬中到中間距瀝青鋪裝層厚度29.50.0123.20.30.60.05表2設(shè)計(jì)荷載荷載等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)車質(zhì)量/kN 總后軸輪胎標(biāo)準(zhǔn)壓力/MPa輪胎接地長(zhǎng)度/m縱向橫向汽超20級(jí)2001300.7070.20.46圖 3橋面板加載位置示例圖2計(jì)算分析2.1加載位置對(duì)鋪裝層的受力影響車輛在橋面板橫向有許多種加載位置,但與縱向加勁肋的相對(duì)位置大致有圖3所示的

7、4種;在橋面板縱向的加載位置一般取兩橫隔板跨中和1/4跨2種.針對(duì)橫向4種加載方式,具體計(jì)算鋪裝層表面各點(diǎn)的應(yīng)變,比較它們的大小,結(jié)果如圖4所示.分別在兩橫隔板跨中及1/4跨處加載,具體計(jì)算鋪裝層表面各點(diǎn)的應(yīng)變,比較它們的大小,結(jié)果如圖5所示.由圖4、圖5可以得出以下結(jié)論:1加載位置對(duì)鋪裝層內(nèi)的應(yīng)變大小有一定的影響,在橫向位置上,加載方式4引起的鋪裝層上表面橫向最大拉應(yīng)變值最大;縱向位置上,跨中加載較為不利.2鋪裝層上表面各點(diǎn)橫向應(yīng)變沿橫向分布以U 肋肋頂為支點(diǎn)呈正負(fù)交替、且很快收斂為零的趨勢(shì).拉應(yīng)變的影響距離為120cm 左右.3鋪裝層表面最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在荷載相臨U 肋靠近荷載的肋板上方.2

8、.2鋪裝層中縱向、橫向應(yīng)變比較為了分析鋪裝層中各點(diǎn)的主要受力方向,橫向采用加載位置4,縱向跨中加載,分別計(jì)算同一荷載作用下鋪裝層上表面相同點(diǎn)的縱、橫向應(yīng)變,取與荷載相臨的7號(hào)肋線上各點(diǎn)的應(yīng)變?nèi)鐖D6所示.由圖6可以看出,與荷載相臨的7號(hào)肋線上的縱向應(yīng)變?cè)跀?shù)值上很小且大多數(shù)為正值,對(duì)鋪裝層上表面產(chǎn)生裂縫影響很小,橫向應(yīng)變均為負(fù)值且數(shù)值較大,這有力地證明了鋼橋面瀝青鋪裝層易出現(xiàn)縱向裂縫這一工程現(xiàn)象.91第6期顧興宇等:車輛荷載下鋼箱梁瀝青混凝土鋪裝受力分析2.3橫向車輛荷載對(duì)鋪裝層受力的影響大跨徑鋼橋橋面一般有6個(gè)車道,交通繁忙時(shí)會(huì)出現(xiàn)2輛或3輛重車并排運(yùn)行情況,車輛荷載相互交差作用,對(duì)鋪裝層的受力

9、的影響,可以通過(guò)計(jì)算來(lái)分析.2輛并排行使的汽20標(biāo)準(zhǔn)車.一般情況下,車輛間距如圖7所示,即相鄰車后軸外側(cè)輪距為1.95m ,標(biāo)準(zhǔn)車自身后軸輪距為1.8 m.圖6鋪裝層中縱向、橫向應(yīng)變圖7標(biāo)準(zhǔn)車與相鄰車輪距布置根據(jù)得出的結(jié)論,橫向應(yīng)變的影響距離為120cm 左右,而相鄰的并行車輛輪距以及標(biāo)準(zhǔn)車后軸輪距均大于120cm ,它們相互間的影響極小,可以不予考慮.3結(jié)論1由于U 型肋的加勁作用,橋面系統(tǒng)幾何正交異性特性明顯,鋪裝層在車輪作用下縱向應(yīng)變明顯小于橫向應(yīng)變,橫向應(yīng)變起控制作用.2在橋面橫斷面上臨近車輪荷載的U 型肋一側(cè)肋線上出現(xiàn)橫向最大拉應(yīng)變.3由于U 型肋的支撐作用,車輪荷載的影響范圍一般不

10、超過(guò)120cm ,因此不必考慮同一車輛的其他軸載及相鄰車輛的軸載.參考文獻(xiàn)1余叔藩,陳仕周.大跨徑懸索橋鋼橋面瀝青鋪裝技術(shù).中國(guó)公路學(xué)報(bào),1998,11(3:182黃曉明,王捷.大跨鋼橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)受力分析.土木工程學(xué)報(bào),1999,32(1:153方萍,伍波.鋼橋面板及鋪裝的靜載試驗(yàn)和有限元分析.華東公路,2000(4:254盧耀梓,卡申斯.橋梁工程中的有限條法.人民交通出版社,1985.4667Mechanics Analysis of Asphalt P avingon Steel Box G irder U nder V ehicle LoadingsG u X ingyu 1Deng

11、Xuejun 1Zhou Shizhong 2Zhou Jianlin2(1T ransportation C ollege ,S outheast University ,Nanjing 210096,China (2Joint 2S tock Lim ited C om pany of Jiangsu Y angzi Bridge ,Nanjing 210004,China Abstract :Referring to the actual fatigue cracking damage of asphalt paving on steel bridge ,calculation m odel is constructed using finite 2strip method to simulate the several positions of loads on steel deck.The stress and strain of the upper surface of asphalt paving are calculated to discuss the geometry orthotropic influenc