钢箱梁桥面轻质混凝土剪力钉铺装方案有限元分析及参数确定*

万尧方　付　军　向　念　杨炎卿　刘卫东　叶梦君

(1. 宜昌市中路建设开发有限公司　宜都　443000　2.武汉理工大学交通学院　武汉　430063;

3.宜都市公路管理局　宜都　443000；　4 .宜昌市虹源公路工程咨询监理有限责任公司　宜昌　443000)

钢箱梁桥面轻质混凝土剪力钉铺装方案有限元分析及参数确定*

万尧方1，2付军2向念3杨炎卿1刘卫东4叶梦君4

(1. 宜昌市中路建设开发有限公司宜都4430002.武汉理工大学交通学院武汉430063;

3.宜都市公路管理局宜都443000；4 .宜昌市虹源公路工程咨询监理有限责任公司宜昌443000)

摘要针对钢箱梁桥面的轻质混凝土剪力钉铺装方案，采用三维有限元模型分析车轮荷载下桥面铺装层的力学响应，研究剪力钉间距、直径、高度和轻质混凝土厚度对铺装层控制力学指标的影响，并在此基础上提出了轻质混凝土剪力钉铺装方案的建议设计参数。

关键词钢箱梁桥面铺装轻质混凝土剪力钉有限元分析

当前国内外钢箱梁桥面铺装主要分为单层环氧沥青混凝土、单层浇注式沥青混合料、下层浇注式上层环氧沥青、双层SMA等[1]，由于钢箱梁桥本身结构的特殊性及其所处环境的恶劣性，其桥面铺装问题一直是个世界性难题。我国幅员辽阔、气候条件和交通状况复杂，已经应用的钢箱梁铺装工程中成功和失败的例子都有，迫切需要深入研究适合我国国情的新型钢箱梁桥面铺装方案。

文献[2]提出了一种新型的防推移的钢箱梁桥面铺装方案“钢桥面+钢筋网+剪力键+高韧性轻质混凝土+SMA-13”，见图1。

图1　钢箱梁桥面轻质混凝土+剪力钉铺装结构示意图

通过在钢板上焊接剪力键、绑扎钢筋网，提高韧性轻质混凝土与钢板之间的抗滑移能力及协同变形能力可提高上面层的疲劳寿命及高低温稳定性能。同时高韧性轻集料混凝土干表观密度可控制在1 950 kg/m3以内(加上剪力件和钢筋网总重量小于2 150 kg/m3)，相对于SMA沥青混凝土容重(25 000～26 000 kN/m3)降低了15%～20%，相比减小了桥面铺装的自重荷载，对于大跨度的钢箱梁桥面铺装有利。本文针对图1所示方案，假定各层铺装材料弹模不变，利用有限元静力分析方法研究剪力钉高度、间距、直径及轻质混凝土铺装层厚度的影响，并在此基础上给出剪力钉及铺装层厚度的建议设计参数。

1有限元分析模型

桥面铺装有限元分析选取柔性铺装层与正交异性钢桥面板局部梁段为计算对象，包含4块横隔板和8条纵向加筋肋，模型尺寸8 640 mm×9 000 mm(横向×纵向)。SMA和轻质混凝土均用SOLID65单元模拟，钢筋网简化为弥散模型，剪力钉和纵向加筋肋采用BEAM188单元模拟，钢桥面板、横隔板均采用SHELL63单元模拟。边界条件采用钢桥面板和铺装层无水平位移而允许有竖向位移，横隔板底部固结。车辆荷载图式简化成矩形图式，荷载分部近似采用均布荷载，即采用BZZ100标准车后轴的一侧轮胎加载，考虑一定的冲击和超载作用，并将其换算为单轮压力，接触面积200 mm×200 mm，施加的轮胎压力为 0.91 MPa(考虑 30%冲击系数)，在分析钢桥面与铺装层下面层间剪应力时，考虑紧急刹车影响，施加的轮胎切向压力0.45 MPa。汽车加载荷位根据现有参考资料，考虑最不利荷位，即沿桥面横向荷载中心位于加筋肋中心的正上方，沿桥面纵向在跨中处，并可等间距移至2横隔板跨中的不同位置进行加载计算。模型相关结构和材料参数见表1，有限元几何模型及剪力钉单元透视图见图2,图3。现有研究表明，铺装层表面的裂缝、车辙、粘结层的剪切破坏是正交异性钢桥面铺装层3种典型的破坏型式,因此,铺装层表面最大拉应力、铺装层表面最大剪应力、铺装层与钢板间的最大剪切应力以及加劲肋的局部挠跨比成为钢箱梁桥面铺装层受力的控制指标[3]。

表1　有限元模型的几何物理参数和材料参数

图2　桥面铺装有限元几何模型

图3　剪力钉单元透视图

2轻集料混凝土(剪力钉)铺装方案影响因素分析

集料混凝土(剪力钉)铺装方案影响因素较多，根据实际情况本文重点就剪力钉间距、直径、高度、轻质混凝土铺装层厚度等影响因素进行了比较分析。

2.1　剪力钉间距对铺装方案影响分析

参考现有国内外规范和研究资料，结合剪力钉的施工成本、工艺和经济性，计算时剪力连接件的布置间距分别取为300，400，500 mm，对桥面铺装层各项设计指标进行计算分析，结果见图4，图5。

图4　剪力钉间距对应力的影响

图5　剪力钉间距对加劲肋局部挠跨比的影响

由图4，图5可见，在车轮荷载作用下，随着剪力连接件间距的增加，铺装层的表面最大横向拉应力、最大纵向拉应力、铺装层表面的最大剪应力以及轻质混凝土与钢板间的最大剪应力基本呈线性增长，剪力钉间距增大对桥面铺装不利，且当剪力钉间距达到500 mm时候，粘结层与钢板间最大横向剪应力达到0.92 MPa，接近轻质混凝土抗剪强度的下限；加筋肋局部挠跨比则随剪力钉间距增大而减小，即剪力钉间距增大对降低加劲肋局部挠跨比有利。综合考虑以上因素，建议采用400 mm的剪力件间距。

2.2　剪力钉高度对铺装方案影响分析

本铺装方案中剪力钉的高度对设计指标的影响也是值得关注的问题。分析时考虑剪力连接件的布置间距400 mm，混凝土铺装层厚度为500 mm。根据现有国内外资料和面层振捣施工的要求，计算中剪力连接件高度分别取为剪力钉高度分别为35，40，45 mm,结果见图6，图7。

图6　剪力钉高度对应力的影响

图7　剪力钉高度对加劲肋局部挠跨比的影响

由图6，图7可见,随着剪力钉高度的增加，在轮载作用下钢桥面铺装层表面的拉应力、剪应力也随之线性增长；轻质混凝土与钢板间的剪应力与加筋肋局部挠跨比则随着剪力钉的高度加大而降低。当剪力钉高度达到45 mm时，轻质混凝土与钢板间的剪应力为0.83 MPa，铺装层表面横向最大拉应力为0.249 MPa,加劲肋局部挠跨比为1/261,均在允许范围之内，但轻质混凝土铺装厚度一般在60 mm左右，因此考虑施工振捣因素后建议剪力件高度不超过45 mm。

2.3　剪力钉直径对铺装方案影响分析

铺装方案中剪力钉的直径也是需要认真探讨的因素，结合现有规范资料和工程实际，初步拟定剪力钉直径为8，10和12 mm。计算结果见图8，图9。数据表明剪力钉的直径变化与铺装层表面最大横向拉应力、表面最大横向剪应力、表面最大纵向拉应力、轻质混凝土与钢板层间剪应力、加劲肋局部挠跨比基本都呈线性关系，但影响较小；剪力钉直径从8 mm增大到12 mm时，铺装层表面最大应力从0.244 MPa减少到0.195 MPa，轻质混凝土与钢板层间最大剪应力也仅仅增加了0.01 MPa，其影响几乎可以忽略不计。剪力钉高度增加对降低筋肋局部挠跨比有利，综合考虑现有规范、钢箱梁焊接要求以及经济性要求，选取直径为10 mm较为适当。

图8　剪力钉直径对应力的影响

图9　剪力钉直径对加劲肋局部挠跨比的影响

2.4　轻质混凝土厚度对铺装方案影响分析

铺装方案中轻质混凝土和SMA13的厚度显然对性能有一定的影响，其中SMA13主要作为上面层提供行车平稳、抗滑、降噪等功能性指标，根据现有规范一般取为40 mm；而桥面铺装的普通混凝土下面层一般厚50～80 mm，本方案中轻质混凝土的铺装厚度则需要综合考虑现有规范资料和经济性能，初步拟定其厚度为50，60和80 mm。计算结果见图10,图11。数据表明，随着轻质混凝土铺装层厚度的增加，铺装层表面最大横向拉应力、表面最大纵向拉应力有所降低，但变化很小。轻质混凝土与钢板之间的最大横向剪应力则随轻质混凝土铺装层厚度变大而呈线性增长，当轻质混凝土达到80 mm时，该层与钢板间的最大横向剪应力达到1.135 MPa，接近轻质混凝土抗剪强度的下限。轻质混凝土厚度增加则对降低加筋肋局部挠跨比有利，因此综合考虑现有规范以及经济性要求，选取轻质混凝土厚度为60 mm完全可以满足要求。

图10　轻质混凝土厚度对应力的影响

图11　轻质混凝土厚度对加劲肋局部挠跨比的影响

2.5　轻质混凝土剪力钉钢箱梁桥面铺装方案

综合以上分析并考虑施工工艺、经济性等因素，提出轻质混凝土剪力钉钢箱梁桥面铺装方案的建议设计参数，见表2。表3为计算最不利值与允许值对比，本铺装方案达到钢箱梁桥面铺装承载力要求。

表2　钢箱梁桥面轻质混凝土剪力钉桥面铺装

表3　钢箱梁桥面轻质混凝土剪力钉

3结论与展望

(1) 轻质混凝土剪力钉钢箱梁桥面铺装方案中，剪力钉的间距、直径、高度对桥面铺装表层的拉应力、剪应力、轻质混凝土与钢板间剪应力以及加劲肋局部挠跨比呈线性影响。剪力钉间距增大时，桥面铺装层各项应力指标均随之增大；剪力钉高度增加时，表层的最大横向拉应力也增加，但表层最大纵向拉应力、表层最大剪应力、轻质混凝土与钢板间剪应力呈下降趋势；剪力钉直径的增加可以增大表层最大纵向拉应力、轻质混凝土与钢板间剪应力，与此同时表层最大横向拉应力和表层最大剪应力得以减小。加劲肋局部挠跨比则随剪力钉直径、间距和高度的增加而呈现减小趋势。

(2) 轻质混凝土厚度的增加有利于降低表层的各项应力，对降低加劲肋局部挠跨比有利，但是会增大轻质混凝土与钢板间的最大剪应力[4]。

本文仅就车辆荷载作用下的钢箱梁轻质混凝土剪力钉方案进行了有限元静力分析，提出了初步结论与建议参数，对桥型、桥梁跨径、桥梁动力特性的影响还需深入探索，对结构和材料非线性、车辆温度耦合荷载效应等影响尚需进一步研究。

参考文献

[1]黄卫,刘振清.大跨径钢桥面铺装设计理论与方法研究[J].土木工程学报, 2005,38(1):51-59.

[2]丁庆军,张锋,林青,等.轻质混凝土钢桥面铺装研究与应用[J].中外公路，2006，26(4):188-190.

[3]钱振东,罗剑,敬淼淼.沥青混凝土钢桥面铺装方案受力分析[J].中国公路学报,2005,18(2):61-64.

[4]牟廷敏,丁庆军,周孝.钢纤维混凝土桥面铺装疲劳性能试验研究[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2012(5):988-991.

FEM Analysis and Parameters Determination of Lightweight Concrete

Multiple Shear Rivet Paving Project on Steel Box Girder Bridge deck

WanYaofang1,FuJun2,XiangNian3,YangYanqing2,LiuWeidong4,YeMengjun4

(1.Yidu Road Construction And Development Co., Ltd., Yidu 443300, China;

(2.School Of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;

(3.Yidu Highway Administration Bureau, Yidu 443300, China;

(4.Yichang Construction Inspection&Management Corporation, Yichang 443300, China)

Abstract：The mechanical response of lightweight concrete multiple shear rivet pavement on the steel box girder bridge deck under wheel loading are analyzed by finite element method. Besides, the effects of various distance，diameter，height of shear rivet to pavement, are researched as well as the effects of thickness of lightweight concrete. Then some recommended parameters are put forward for the paving project.

Key words:steel box girder deck pavement; lightweight concrete; multiple shear rivets; FEM

收稿日期：2015-02-19

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.001

*国家“十一五”攻关项目(2006BAF02A00)资助