轮载模型在钢桥面铺装力学分析中的影响❋

赵会雨,何庭蕙,刘泽佳,汤立群

(华南理工大学土木与交通学院,广东 广州 510640)

我国近年来建成的大跨径钢桥,一般采用悬索桥和斜拉桥形式,这些桥梁又大都采用钢箱梁.钢桥面铺装计算方法有解析法和数值法两种[1].P-E法是解析法中比较常用的计算方法,随着有限元方法的日益成熟,数值法已成为正交异性钢桥面铺装系力学分析的主要方法之一.应用有限元数值分析方法分析正交异性板钢桥面铺装系受力时,需要考虑桥梁的整体结构(第Ⅰ 体系)、钢箱梁的局部结构(第Ⅱ体系)及有纵横加劲结构的正交异性板桥面系(第Ⅲ 体系)的综合影响[2].由文献 [2]可知,正交异性板的局部效应很强,根据圣维南原理,在局部静力作用下其受力主要是局部梁段结构的影响,受整桥的影响较小,故本文仅以第Ⅲ体系为研究对象分析正交异性板钢桥面铺装层受力.根据《公路工程技术标准》[3],将车辆荷载按其后轴轴数及轮组数分为单后轴单轮组、单后轴双轮组与双后轴双轮组 3大类[4],本文仅研究双后轴双轮组车辆荷载对钢桥面铺装层受力的影响.通过 ANSYS分析在钢桥面铺装中材料的力学行为,确定材料在钢箱梁铺装层中横向最不利荷载位置,重点研究不同车载模式对铺装层受力的影响,得到了各个主要力学指标的变化规律,为今后进一步开展铺装和箱梁结构一体化设计打下基础.

1 有限元模型描述

1.1 有限元各基本参数描述

1)单元选取.用弹性壳单元(SHELL63)模拟箱梁顶板、横隔板和 U型加劲肋;用三维弹性实体单元(SOLID45)来模拟桥面铺装层建立三维模型[5].

2)模型材料选择.铺装层采用改性沥青 SMA铺装材料[6],弹性模量取 1000 MPa,泊松比取 0.25,铺装层厚度取 60 mm;正交异性板钢材弹性模量取 206 GPa,泊松比取 0.3.

本模型认为：铺装层与钢桥面之间是完全连续的,各种材料都是线弹性的.不计钢桥面和铺装层的自重.为了计算的方便,将粘结层和铺装层视为一体,不再分开考虑.

3)边界条件.在横隔板底部完全固结,铺装层和钢桥面板在横向的两个边界横向约束[7].本模型钢箱梁参数取自珠江黄埔大桥北汊主桥钢箱梁参数[8].

1.2 车轮荷载描述

车轮荷载根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)[9]中公路-Ⅰ级采用的 550kN车辆荷载后轴轴重 140kN进行加载.单轮加载时,将每侧双轮转化为单轮轴重 70kN,车辆与铺装层的接地面积为600 mm(横向)× 200 mm(纵向),考虑 30% 的冲击系数,轮压为 0.758 M Pa;双轮加载时,轮胎间隙取值 100 mm,荷载横向作用范围为 300+100+300 mm,轮压仍为 0.758 M Pa.模型如图 1,图 2所示.

图1 单轮荷载模型图Fig.1 Model of the single wheel load

图2 双轮荷载模型图Fig.2 Model of the double wheel load

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)[9]规定的公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级汽车荷载所采用的车辆荷载标准值,后轴车轮纵向间距 1.4 m,横向间距 1.8 m.后轴车轮平面布置如图 3所示.

图3 后轴车轮布置图Fig.3 Position of the wheels with the rear bearing

图4 荷位图Fig.4 Loading positions

由文献 [10]可知,钢桥面铺装中横向应变的影响距离为 120 cm左右,而相邻的并行车辆轮距以及标准车后轴轮距均大于 120 cm,它们相互间的影响极小,可以不予考虑.故模型加载中,不考虑后轴横向两个轮子的荷载.模型中采用荷载：荷载 1为仅作用一个单轮荷载;荷载 2为纵向作用两个单轮荷载,且纵向间距为 1.4 m;荷载 3为仅作用一个双轮荷载;荷载 4为纵向作用两个双轮荷载,且纵向间距为1.4 m.其中：荷载 1,3,荷载 2,4平面作用位置相同.

1.3 不同荷位介绍

根据正交异性钢桥面板的几何特性,并且考虑车载相对加劲肋不同横向位置对铺装层有不同的影响,荷载位置按图 4所示分 3种情况[1],即：荷位 1车载中心施加于两加劲肋之间中心位置的正上方;荷位 2车载中心施加于一加劲肋边位置的正上方;荷位 3车载中心施加于一加劲肋中心位置的正上方.

2 模型计算结果分析

2.1 不同车轮荷载模型作用下正交异性板钢桥面铺装层受力分析

分析不同轮载模型作用下钢桥面铺装中铺装层主要力学指标的变化情况,计算结果如表 1所示.

表1 不同荷位、不同轮载模型作用下各主要力学指标值Tab.1 Main mechanics indexes under different loading positions and different models of wheel load

由表 1的计算结果可以看出,最大横向拉应力(应变)远大于最大纵向拉应力(应变),因此在铺装结构表面层时常常会首先出现纵向裂缝,故对于最大拉应力(应变)控制指标,最大横向拉应力起控制作用.层间最大横向剪应力远大于层间最大纵向剪应力,故对于层间剪应力这一力学指标,层间横向剪应力起控制作用,即层间的剪切破坏——铺装层局部横向推移主要是层间横向最大剪应力引起的.

在 3个荷位上不同轮载模型作用下所对应的各主要力学指标值变化趋势：荷载 2值＞荷载 4值＞荷载 1值＞荷载 3值.即单轮荷载模式计算所得各主要力学指标值比双轮荷载模型计算所得值要大一些.这是因为正交异性板有很强的局部性.模型加载中,双轮荷载模型作用下轮压中间有 10 cm的间隔,相对单轮荷载作用下轮压分散,故而所引起的铺装层主要力学指标值相对小一些.

在荷位 1,2,3中,对比荷载 2与荷载 1,荷载 4与荷载 3作用下各主要力学指标值可知,考虑两个后轴作用时各主要力学指标值要大于考虑单个后轴作用时的值,虽然正交异性板具有很强的局部效应,但两个轮载还是有一定的叠加作用.对比荷载 3与荷载 1,荷载 4与荷载 2作用下各主要力学指标值可得,双轮荷载模型与单轮荷载模型作用下,各主要力学指标有比较大的差异,双轮荷载计算所得主要力学指标值要比单轮荷载值相对较小,但双轮荷载更接近实际情况,故而在有限元建模分析中建议优先采用双轮荷载模型.

2.2 横向最不利荷位分析

针对荷载 3作用下不同荷载位置,分析改性沥青 SMA钢桥面铺装中的横向最不利荷载位置,计算结果如图 5所示.

由图 5中可见,对应于最大横向拉应力、层间最大横向剪应力、最大横向拉应变这 3项力学指标,荷载位置 3对应于横向最不利荷载位;对应于铺装层表面的最大竖向位移值力学指标,荷载位置 3值略小于荷载位置 2值,但大于荷载位置 1.综上所述可知,对应于各主要控制指标,荷载位置 3对应于钢桥面铺装受力分析的横向最不利荷载位置,即车载中心施加于一加劲肋中心位置的正上方.荷载作用下加劲肋对正交异性桥面板铺装层受力具有很强的局部效应,加劲肋肋顶处易产生开裂是与该处的应力集中密切相关的,这也与实际情况相符.

图5 荷载 3作用下各荷位主要力学指标值Fig.5 Main mechanics indexes varied with the load positions

3 结 论

1)正交异性板铺装层横向受力最不利荷位为车载中心施加于一加劲肋中心位置正上方;

2)正交异性板铺装层主要在轮载作用的范围内受力,局部特征明显;

3)单轮荷载模型与双轮荷载模型计算结果有比较大的差别,采用双轮荷载模式更符合实际,因此建议有限元模型采用双轮荷载加载模式.

[1]成峰.大跨径钢桥面铺装力学分析深入研究 [D].南京：东南大学,2004

[2]史超.钢桥桥面铺装若干力学问题研究 [D].南京：东南大学,2005.

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