刚性桥面铺装的受力特性分析

赵 云 鹏

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040; 2.辽宁省交通规划设计院，辽宁沈阳 110166)

21世纪的今天，我国公路普遍存在的重要问题则是桥面铺装的病害，相关人士对桥面铺装病害的原因进行了多方面的研究分析，总结发现其刚性桥面病害的主要原因源于桥面铺装施工、铺装结构受力特性相对复杂以及铺装材料性能三个方面。而对铺装结构的受力特性进行详细的了解，是对桥面铺装材料和结构设计加以选择的必要条件，因此本文对刚性桥面铺装的受力特性进行分析有一定的经济价值和现实意义。

1 装配式空心刚性桥面的结构概况

以陕西某一公路工程为例，该桥主要是一种装配式预应力混凝土空心式板桥，主要有三跨，其单跨之间的跨径主要为13 m，该桥的全长为39 m。该桥的上部主要是对装配式预应力混凝土空心板加以使用，而其下部主要是对肋板柱式台加以采用，柱式墩为其主要的桥墩。该桥的横向主要有12块预应力混凝土空心板，在其连接的过程中主要借助于铰缝，在空心板铰缝内对钢筋进行预留，同时通过对和相邻空心板的钢筋实现交叉绑扎，并在墩台上将横向抗震挡块加以设置。荷载等级设计的过程中，汽车设置为超20级，挂车为120级，空心板上现浇C40混凝土铺装层的厚度为10 cm。最上层沥青混凝土面层的厚度为10 cm。

2 刚性桥面铺装受力的计算方案

1)三维有限元计算模型的构建。

三维有限元计算模型在实际的构建过程中，在对人力因素进行忽略的前提下，同时对桥面的截面几何尺寸不沿着纵向发生变化进行假设，并将桥墩和承台的变形这一现象加以忽略，将其桥面视为刚体，对空心板和铺装层之间的完全连续进行假定，在实际的计算分析过程中，通过对坐标系加以采用，桥的横向用X表示，竖直向上用Y表示，桥的纵向用Z表示，并对企口缝处的应力状态进行计算，同时计算铺装层和空心板之间的粘结性能，模拟计算分析截取桥梁单跨，对空心板间铰接和铰完全破坏两种情况进行考虑和计算。

近年来，有限元方法的发展逐渐加快，同时有限元方法主要是一种相对成熟的数值分析方法，在当前各个领域都有着一定的应用范围，主要是对各种复杂的实际问题进行解决，其单元类型相对来说是多种多样的，一般而言，单元的不同将会有着不同的位移模式。本工程在对三维有限元计算模型进行构建的过程中，主要是对空间块体单元Soild45加以采用，并对桥梁进行某种程度上的有限元网络部分划分，铰在完全破坏的过程中，其划分的单元总数主要为105 560，而其节点的总数主要为137 800，铰接过程中划分的单元总数主要为127 400，而其节点的总数主要为150 733。

2)荷载的计算。

在对桥涵进行设计的过程中，其车辆荷载主要有计算和验算两种，在对荷载进行计算的过程中，主要通过汽车车队加以表示，而对荷载进行验算的过程中，主要通过借助于平板挂车和履带车进行表示。依据于相关的设计要求，该工程刚性桥主要是对计算荷载汽车—超20级以及验算荷载挂车—120加以采用，汽车—超20在实际的横向布载过程中，主要为并排两辆，而其挂车—120在桥梁全长的过程中主要采用一辆布载。荷载在计算的过程中，通过对汽车荷载冲击系数进行计算过程汇总，其平板挂车尽可能的不将冲击力计入，并将车载各个车轮对其桥面的作用力尽可能的简化为相关的均布力，在对轮载作用面积进行确定的过程中严格的按照相关的规范进行。

3)工况的计算。

工况在实际的计算过程中，主要是对空心板简单铰接模型加以借用，通过对重车车轮荷载的不同作用位置进行比较，对铺装层和空心板交界面的应力状况以及铺装层局部应力状况进行分析的，主要有以下几种工况计算方式。

第一种:铰缝破坏的时候，汽车—超20轮载作用主要存在于中间的铰缝处。第二种:铰缝破坏的时候，汽车—超20轮载的作用存在于边缘的0.5 m处。第三种:铰缝破坏的时候，挂车—120轮载的作用主要存在于中间的铰缝处。第四种:铰缝破坏的时候，挂车—120轮载的作用存在于边缘的1.25 m处。第五种:对铰接加以考虑，汽车—超20轮载作用主要存在于中间的铰缝处。第六种:对铰接加以考虑，汽车—超20轮载的作用存在于边缘的0.5 m处。第七种:对铰接加以考虑，挂车—120轮载的作用主要存在于中间的铰缝处。第八种:对铰接加以考虑，挂车—120轮载的作用存在于边缘的1.25 m处。

就其实质性而言，汽车—超20的横向布置如图1所示，挂车—120的横向布置如图2所示。

3 刚性桥面铺装受力的计算结果

在对桥面铺装结构的受力特点进行分析的过程中，计算分析了其对铺装层的最大挠度、剪应力、正应力以及主应力。

就桥面铺装层的挠度而言，该工程桥面板借助于车辆荷载作用，其最大的竖向挠度主要发生在第四种工况中，桥面在偏载的作用下其最外侧的空心板竖向挠度最大为9.82 mm，但是仍然在容许挠度范围之内，符合相关的要求。

就桥面铺装层的拉应力而言，目前桥面铺装层的开裂是桥面常见的一种破坏，裂缝出现的过程中，逐渐将其延伸到面层，进而逐渐形成贯穿裂缝，不仅仅对桥面铺装的使用性能有着直接性的影响，同时对空心板的强度和使用寿命也有着极大的威胁。因此更应该对铺装层开裂破坏的铺装层最大拉应力进行控制，对其分布变化规律进行科学性的分析和掌握，将铺装层开裂破坏的特性进行了解，进而对有效的防范措施加以采用。

图1 汽车—超20的横向布置

图2 挂车—120的横向布置

最后就桥面铺装层的剪应力而言，桥面铺装病变的一个重要原因则是桥面铺装粘结层的破坏，由于桥面板间的接触粘结和铺装层有着相对复杂的粘结状态，其层间不仅仅有着一定的粘结层材料的粘结力，同时在某种程度上同样也存在相关的桥面板间的摩擦阻力。一旦铰接完成之后，随着纵向剪应力的逐渐增大，其铺装层内的第一主应力以及其纵向的正应力同样也在不断增大着。一旦其铰接破坏，尤其是在轮载的作用下，其桥面铺装层在某种程度上将会存在相对较大的竖向剪应力，在第三种工况的过程中，剪应力最大为2.360 MPa。

4 结语

通过本文对刚性桥面铺装的受力特性进行分析可知，桥面铺装层通过荷载的作用，不仅仅有着相对复杂的局部受力情况，同时本工程桥的最大竖向挠度主要为9.82 mm，符合相关的规范要求，同时该桥的桥面铺装层的最大主拉应力有着相对较小的作用范围，但是完全符合混凝土的抗拉要求，在对其受力情况进行分析的过程中，更应该提高对应力集中区域的重视度。

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