钢箱梁桥面铺装弯拉应变分布规律

陈艳金，程 鹏，兰 超，张 锋

（1.张家口翰得交通公路勘察设计有限责任公司，河北 张家口 075000；2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 400060）

0 引言

正交异性钢桥面板是国内外大跨径桥采用的主要桥面板结构形式之一，而正交异性板钢桥面铺装却一直是世界性的工程技术难题。调查表明，目前国内钢桥面铺装设计寿命15年，实际使用寿命只有3～8年左右。这种差距表明，钢桥面铺装技术亟待提高。钢桥面铺装需要解决的技术问题很多。铺装结构层弯拉应变的大小既反映了铺装结构体系（铺装结构层+正交异性板）的整体承载能力，也是铺装结构层受力状态的主要评价指标，与铺装结构层常见的疲劳开裂现象和铺装结构的抗疲劳开裂使用寿命有直接的联系，因此，研究正交异性板钢桥面铺装结构层的弯拉应变及其分布规律对于科学合理地设计钢桥面铺装结构体系，改善钢桥面铺装结构的受力状态，延长抵抗疲劳开裂的使用寿命，具有重要的学术和工程应用价值。

本文借助ANSYS结构有限元分析程序,通过对正交异性板钢桥面铺装结构体系进行数值模拟，分析并提示了在铺装结构体系整体受力的情况下铺装结构层的弯拉应变大小及分布规律。本文主要考虑正交异性板对铺装结构层弯拉应变的影响，这里不考虑整桥结构变形对桥面铺装局部受力的影响。

1 数值模型的建立

1.1 基本假设

在有限元计算时作如下假设:

a）正交异性板钢桥面铺装体系为均匀、连续和各向弹性材料的完整体系；

b）铺装层与钢桥面板之间是完全连续的，黏结层不单独考虑；

c）不计铺装层与桥面系的自重。

1.2 铺装结构体系有限元分析模型

综合考虑计算精度和机时的平衡[1]，采用SOLID65单元模拟桥面铺装结构和钢箱梁顶板，采用SHELL63单元模拟加劲肋和横隔板等除顶板之外的正交异性板组件。有限元模型模拟了横向9个加劲肋、纵向4个横隔板的“九肋三跨”范围（见图1）。模型参数见表1。

图1 钢桥面铺装结构体系“三跨”有限元模型

表1 有限元模型参数

1.3 约束条件

依据正交异性钢桥面板在钢箱梁结构中的荷载传递特点[2]，设置模型约束条件如下：

a）在铺装结构层、钢箱梁顶板的横断面上UY=0和UZ=0，在纵断面上UX=0和UY=0；

b）横隔板的底端完全约束，即ALL U=0；横隔板左右两侧端部UX=0。

2 荷载

由于钢桥面铺装结构体系的整体刚度相对较小，（车辆）荷载作用的影响半径较大，左右两侧轮组荷载的叠加效应明显,因此，除了特别指出之外，均采用轴载进行相关力学分析。

2.1 荷载选择

选择标准双轮组轴载BZZ=100kN（接地压强0.7MPa）为基本荷载进行有限元分析。

2.2 加载方案

为了研究铺装结构层弯拉应变的变化规律，参照文献[3]，本文依据标准轴载与横隔板、纵隔板之间的相对位置设计了以下荷载布置方案：

a）方案一 标准轴载作用于“中跨”纵向中心部位，并沿横向移动加载；

b）方案二 标准轴载作用于“中跨”横隔板附近，并沿横向移动加载；

c）方案三 标准轴载作用于“中跨”横向边部（x=0.45m），并沿纵向移动加载；

d）方案四 标准轴载作用于“中跨”横向中部（荷位Ⅱ），并沿纵向移动加载；

e）方案五 标准轴载作用于“中跨”横向中部（荷位Ⅲ），并沿纵向移动加载。

其中荷位Ⅱ、荷位Ⅲ的位置详情见表2。

表2 标准轴载的横向相对位置

3 铺装结构层顶面弯拉应变

车辆行驶状态可以按水平力系数的大小划分为三种类型：

a）正常行驶，水平力系数f=0；

b）一般制动状态，水平力系数f=0.3；

c）紧急制动状态，水平力系数f=0.5。

本文按正常行驶和一般制动两种工况进行有限元分析。

3.1 正常行驶状态下的弯拉应变

3.1.1 横向移动布载

在正常行驶状态下，当标准轴载在“三跨”模型中跨的纵向正中位置沿横向按每50mm的间隔移动时，对应一侧双轮荷载作用位置处沥青铺装表面的最大横向弯拉应变、最大纵向弯拉应变结果见图2。在正常行驶状态下，横向弯拉应变总是大于纵向弯拉应变。图中仅给出了顶板厚12mm时的纵向弯拉应变分析结果。

图2 标准轴载“跨中”横移时铺装层顶面的弯拉应变

在正常行驶状态下，当标准轴载在“三跨”模型中跨纵向接近横隔板（距离横隔板0.25m）的位置沿横向按每50mm的间隔移动时，对应一侧双轮荷载作用位置处沥青铺装表面的最大横向弯拉应变（见图3）。

从图2中可以观察到标准轴载在“中跨”纵向中间部位横向移动时有以下现象：

a）在标准轴载作用位置不断横移的过程中，横向弯拉应变的大小随标准轴载相对加劲肋的位置呈现出上下“振荡”的现象；

b）在标准轴横移的过程中，靠近纵隔板附近，取得弯拉应变的最大值；

c）在标准轴横移的过程中，横向弯拉应变的振荡在离开纵隔板一段距离后基本趋于稳定。

图3 两种纵向位置的铺装层结构顶面弯拉应变对比

在图3中，给出了标准轴载位于“跨中”和位于横隔板附近的横向弯拉应变的对比图，从中可以看到，相对于标准轴载位于“跨中”时，当标准轴载在横隔板附近时，横向弯拉应变的“振荡”幅度加大，并且上端峰值的上移量略大于底端谷值的下移量，“振荡中心”上移。

3.1.2 纵向移动布载

当标准轴载在“三跨”模型中跨沿纵向按每50mm的间隔移动时，方案三、方案四和方案五沥青铺装结构顶面的横向弯拉应变、纵向弯拉应变的分析结果见图4。

从图4中可以观察到以下现象。

3.1.2.1 当标准轴载横向处于不同的位置（横向边部x＝0.45m处，荷位Ⅱ、荷位Ⅲ）并沿纵向移动时，横向荷位不同时对应的横向弯拉应变的变化规律也不同，详情如下：

图4 标准轴载纵向移动时14mm顶板上沥青铺装层表面的横向弯拉应变

a）横向荷位处于边部时，其横向弯拉应变的变化曲线是一个“元宝形”，该曲线有三个峰值点，最大的峰值点在纵向的“跨中”，两个较小的峰值点在横隔板附近且彼此对称；

b）横向荷位处于荷位Ⅱ时，横向弯拉应变的变化曲线是一个中间较平坦的“马鞍形”，有两个峰值点，其位置也处于横隔板附近，但峰值大小明显小于边部荷位时的两个峰值；

c）横向荷位处于荷位Ⅲ时，横向弯拉应变的变化曲线是一个中间明显下凹的“马鞍形”，有两个峰值点，其位置和峰值大小接近边部荷位时两侧的两个峰值。

3.1.2.2 在车辆正常行驶状态下，横向弯拉应变总是大于纵向弯拉应变且数值相差较大。

3.2 一般制动状态下的弯拉应变

本文分析了钢箱梁顶板厚度14mm、加劲肋厚度6mm、横隔板厚度为10mm和横隔板间距3000mm的条件下正常行驶和一般制动两种工况下，在50mm厚沥青铺装顶面作用纵向移动荷载（沿纵向按50mm的间隔）布置标准轴载时沥青铺装顶面的纵向和横向弯拉应变，其分析结果见图5。

图5 一般制动状态下铺装结构顶面的弯拉应变

从图5中可以观察到以下现象：

a）在钢箱梁顶板厚度、加劲肋壁厚、横隔板厚度一定的情况下，两种行驶状态下沥青铺装层顶面的横向弯拉应变变化曲线几乎重叠；

b）在钢箱梁顶班厚度、加劲肋壁厚、横隔板厚度一定时，相对正常行驶状态下的纵向弯拉应变变化曲线，一般制动状态下沥青铺装结构层顶面的纵向弯拉应变变化曲线整体上移，同时出现当轴载接近横隔板时的峰值几乎不变，而当轴载离开横隔板时的纵向弯拉应变峰值显著上扬且大于横向弯拉应变的现象。

3.3 结果分析

通过对钢箱梁正交异性板钢桥面铺装结构层顶面弯拉应变的有限元分析，可以认识到，在正常行驶状态下，标准轴载相对于正交异性钢桥面板不同位置布载时，铺装结构层顶面弯拉应变的变化是有规律可寻的，参照这些规律，可以制定出一些相应的技术对策以改善钢箱梁正交异性板桥面铺装结构体系。

规律之一是当轴载一侧的轮组荷载作用于横向相对于U型加劲肋一侧壁顶端不同距离的位置时，横向弯拉应变的大小呈现出上下“振荡”的态势，这与顶板受到纵向U肋的支撑在横向的力学图示上具有连续梁多点弹性支撑的特点是一致的，顶板的厚薄决定了“连续梁”的抗弯刚度，结果就出现了图2中顶板越薄，相应弯拉应变的“振荡”幅度就越大并趋向于整体上移的态势。

因此，针对这一规律，选择较大的顶板厚度或采取减小纵向加劲肋间距等技术措施以加大钢顶板的横向抗弯刚度是减小横向弯拉应变，避免铺装结构层纵向疲劳开裂的有力措施。

规律之二是当轴载一侧的轮组荷载距相邻横隔板等距并接近纵隔板时，横向弯拉应变可取得最大值，这与顶板“连续梁”在纵隔板处竖向位移的“固结”约束有直接的联系，因此，减弱这种约束和使纵隔板的位置避开轮迹集中带是在钢箱梁设计时需要采取的必要技术措施。

规律三是在正常行驶状态下，当轴载横向远离纵隔板并接近横隔板时，横向弯拉应变和纵向弯拉应变均可取得最大值，且横向弯拉应变明显大于纵向弯拉应变；在一般制动状态下，横向弯拉应变变化曲线相对正常行驶状态几乎没有变化,但是，对于纵向弯拉应变，相对于正常行驶状态在整体上呈现上移的现象。对于纵向弯拉应变，当轴载横向远离纵隔板并接近横隔板时取得的峰值与正常行驶状态下取得的峰值几乎相等，而当轴载离开横隔板时在横隔板附近却能取得异常大的峰值，其大小甚至大于横向弯拉应变的最大值（紧急制动时也有类似现象）。这种纵向弯拉应变在制动状态下当轴载离开横隔板时取得最大值的现象，可能导致沥青铺装结构层在横隔板附近的部位出现横向弯拉疲劳开裂。因为这种现象的产生与横隔板在此处改变桥面板的刚度并导致轴载经过此处时桥面板变形发生突变有直接的联系，因此，采取技术措施减小顶板在横隔板附近出现较大的刚度改变是十分必要的。

4 结论

通过本文的研究可以归纳出以下几点结论：

a）钢箱梁桥面板的正交异性是由纵肋和纵横隔板与顶板构造关系引起的，当轴载作用在桥面板的不同位置时，铺装层顶面弯拉应变的大小也不同；

b）在正常行驶状态下，横向弯拉应变总是大于纵向弯拉应变；

c）当轴载布置在纵隔板附近且与相邻横隔板等距时，横向弯拉应变取得最大值，其峰值大小明显大于轴载远离纵隔板时的结果，在设计钢箱梁纵隔板时，宜将其布置在远离轮迹集中带的位置上；

d）相对于正常行驶状态，在车辆处于制动状态下，纵向弯拉应变会显著提高，计算表明，在横隔板附近，轴载制动时产生的纵向弯拉应变远大于横向弯拉应变，说明车辆制动可能会引起铺装结构出现横向弯拉疲劳开裂。

此外，可以预知，在进行有限元分析时,铺装结构层的模量采用本文取值以外的数值可以得到不同的弯拉应变大小，但是，本文反映出来的弯拉应变的变化规律依然存在，因此，本文的研究对于钢箱梁正交异性板桥面铺装结构体系的进一步优化和铺装结构设计具有积极的参考价值。

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