大跨径钢桥桥道系协同作用试验模型研究

夏国星，钱振东，陈 春，刘 龑

(1.江苏省公路长江大桥建设指挥部，江苏泰州 225321;2.东南大学智能运输系统研究中心，南京 210096)

1 前言

桥梁结构模型试验研究是确定或探索复杂桥梁结构受力状态的重要手段之一。超大跨连续大柔度桥面板与铺装系协同作用的关系复杂，涉及的影响因素众多［1，2］，因此采用模型试验研究超大跨大柔度桥面板与铺装系协同作用关系具有现实可行性和客观必要性。

目前，国内外对桥面板与铺装系协同作用模型的试验研究主要集中于复合梁体系［2～4］。该体系与正交异性板钢桥面铺装受力特性较为相似，且试验较为方便，应用较广。但由于模型简易，并不能较为真实地反映铺装的实际工作状况。文章采用应力等效来进行桥面板与铺装层协同作用试验模型研究，设计的思路如下:

1)在整桥力学分析的基础上，将整桥力学响应作为边界条件，建立带桥面铺装的局部梁段模型，计算车载作用下局部梁段模型铺装层的力学响应。

2)初拟桥面板与铺装层协同作用试验模型方案，并建立初拟方案的有限元仿真模型。计算在车载作用下初拟协同作用试验模型方案的铺装层力学响应。

3)以车载作用下局部梁段模型铺装层的应力响应作为参考值，依据应力等效准则，通过改变协同作用模型中结构参数、模型边界条件、试验荷载大小等指标，修正协同作用试验模型初拟方案，使修正后方案模型的铺装层应力响应与局部梁段模型计算得出的参考值相近。从而得到合适的桥面板与铺装层协同作用试验模型。

2 考虑整桥变形的局部梁段铺装仿真计算

2.1 计算模型

通过整桥模型计算得出泰州大桥最不利梁段(局部精细模型的边界部位)的位移及内力;建立局部梁段仿真模型，将整桥模型位移响应作为边界条件，采用线性插值法将其施加到局部模型相应的位置。建立考虑整桥变形的局部梁段铺装仿真模型包含4个标准钢箱梁段，全长64 m，宽39.1 m，局部梁段模型主要构件几何尺寸根据实际状况选取，顶板厚14 mm，U肋厚6 mm。根据泰州大桥钢桥面铺装材料和铺装结构研究提出的铺装方案，局部梁段铺装仿真模型采用了如下方案:3.5 m浇注式沥青混凝土(下层)+2.5 cm环氧沥青混凝土(上层)。

2.2 荷载参数

参考润扬大桥和江阴长江大桥的交通调查数据［5］以及泰州大桥的交通预测数据，从安全角度考虑，后文的研究中分析计算时超载比取1.5，采用轴载150 kN、胎压1.05 MPa作为铺装层荷载，计算时考虑30%的冲击系数，单侧轮总重为97.5 kN。大量的计算结果表明［6，7］，当钢板的模量和沥青混凝土铺装层模量的比值n≥50时，荷载的横向最不利荷位为荷载中心落在加劲肋侧肋的正上方，因此以该位置作为铺装层复合结构力学响应的横向计算荷位。为分析计算考虑，取轮胎着地的形式为矩形，计算模型采用双轮矩形均布荷载。有限元模型及车载示意图见图1。

图1 局部梁段及车载示意图Fig.1 Local box girder FEM model and wheel load diagram

2.3 车辆荷载作用下铺装层力学响应结果

在车载作用下，计算考虑整桥变形的局部梁段铺装仿真模型铺装层力学响应，模型中铺装应力分布，如图2所示。表1列出了考虑整桥结构力学响应的局部梁段铺装仿真模型分析结果。结果表明，比只考虑局部梁段模型计算结果大17%，可以认为泰州大桥的整桥变形对铺装层局部受力的影响系数为1.17。

图2 局部梁段铺装仿真模型应力分布图Fig.2 Stress distribution of pavement on local box girder FEM model

表1 局部梁段铺装仿真模型力学响应结果Table 1 The mechanical response results of pavement on local box girder FEM model

为保证设计的协同作用试验模型与原型的一致性，在双轮荷载作用位置附近另选取5个具有代表性的点位(如图3所示):点位1为荷载轮迹中点，点位2为双轮荷载轮隙中点，点位3、4、5为轮迹各方向外延。由于双轮荷载的对称性，故而参考点位只取了单侧。局部梁段铺装仿真模型在相应点位铺装层的应力、应变值如表2所示。要求设计的协同作用试验模型在代表性点位铺装层的应力、应变值与局部梁段铺装仿真模型在相应点位的值相近。

图3 模型力学响应代表性点位分布图Fig.3 The map of representative points of the mechanical response

表2 局部梁段铺装仿真模型在相应点位铺装层的力学响应值Table 2 The mechanical response of the representative points of pavement on local box girder FEM model

3 桥面板与铺装层协同作用模型设计

以表1所列出的荷载作用下局部梁段铺装仿真模型的铺装层最大应力和最大应变作为主要参考值，对设计的协同作用试验模型进行修正，要求设计的协同作用试验模型铺装层的最大应力和最大应变响应值与参考值相近。同时为检验协同作用实体单位模型的整体相似性，将协同作用模型的铺装层在代表性点位应力值与表2所列参考值进行比较。

3.1 初拟模型方案

综合考虑模型制作的力学边界条件、尺寸效应、加载条件以及试验条件等各种因素的影响，决定从泰州大桥钢箱梁整体结构中取出典型受力节段纵向长3.2 m、横向宽 2.4 m，包括桥面顶板、U 型肋、横隔板和铺装层的结构作为桥面板与铺装层协同作用试验初始模型。初始模型主要构件几何尺寸、材料参数与局部梁段铺装仿真模型一致，按照实际尺寸选取。根据横隔板布置和边界条件的不同，桥面板与铺装层协同作用初始模型包括两种方案。模型方案一:横隔板位于模型中部，且与地面不接触，模型沿纵向两端简支，如图4所示;模型方案二:横隔板位于模型两端，并且由于模型沿纵向两端固结，所以横隔板不可移动，如图5所示。

3.2 模型方案试算

建立桥面板与铺装层协同作用试验模型方案的三维有限元模型，模型主要构件的初始几何尺寸、材料参数与实际一致。建立的桥面板与铺装层协同作用试验模型方案的三维有限元模型如图6所示。

图4 模型方案一示意图(单位:cm)Fig.4 Diagram of the first model program(unit:cm)

图5 模型方案二示意图(单位:cm)Fig.5 Diagram of the second model program(unit:cm)

图6 模型方案的三维有限元模型图Fig.6 3 －D FEM model of the model program

经过反复修改模型主要构件几何尺寸、加载荷位、荷载大小等参数，试算不同模型参数对应的铺装层应力、应变响应值，使得模型的铺装层最大应力、应变值与采用局部梁段铺装仿真模型计算得到的参考值相近，计算所得应力、应变见表3。

表3 修正后协同作用模型方案的铺装层最大应力、应变值Table 3 The maximum value of the stress-strain on the synergistic FEM model after correction

修正后，模型方案一顶板钢板厚度为6 mm、横隔板厚度为6 mm、加劲肋厚度为4 mm，试验荷载为0.775 MPa，荷载位于距横隔板 0.213 m，其他模型参数按初始值不变;模型方案二顶板钢板厚度为7 mm、横隔板厚度为10 mm、加劲肋厚度为6 mm，试验荷载为0.707 MPa，荷载位于距横隔板0.107 m，其他模型参数按初始值不变。

为检验协同作用实体单位模型的整体相似性，同时计算模型铺装层在代表性点位的应力、应变响应值，结果如表4所示，并将其与表3所列参考值进行对比。

表4 修正后协同作用模型方案的铺装层在代表性点位的应力、应变值Table 4 The stress-strain on the representative points of the synergistic FEM model

对比表中的数据与采用局部梁段铺装仿真模型计算得到的参考值，可以发现修正后的协同作用试验模型铺装层的最大拉应力、拉应变与局部梁段铺装仿真模型计算得到的参考值相差不大。其中，模型方案一中各点位横向应力值与参考值相差均在2%以内，模型方案二中各点位横向应力值与参考值相差均在3%以内;而模型方案二中各点位纵向应力值与参考值更为相似。

4 模型方案确定

通过前面部分的计算分析，推荐采用以下两种试验模型方案进行超大跨连续大柔度桥面板与铺装系协同作用关系研究。最终结构尺寸值见表5，其结构设计方案见图7。

表5 协同作用模型主要构件几何尺寸Table 5 Geometric dimensions of the main components of the synergistic experimental model

图7 模型方案正交异性桥面板结构图(单位:mm)Fig.7 Model program’s orthotropic bridge deck structure diagram(unit:mm)

5 结语

利用有限元建立了考虑整桥变形的局部梁段及协同作用试验模型，并以局部梁段的结果为参考值，对试验模型结构尺寸进行了修正。修正后，桥道系协同作用试验模型与局部梁段铺装仿真模型中铺装的应力响应具有较好的相似性，能够较准确地反映超大跨连续大柔度桥面板与铺装系协同作用关系。但在试验模型研究中未考虑铺装材料的粘弹塑性;且试验模型较大，铺装成型及试件加载较为困难。

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［6］钱振东，黄卫，等.车载作用下大跨径缆索支承桥桥型对铺装层受力的影响研究［J］.中国工程科学，2006，8(8):35－41.

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