常用连续桥梁桥面铺装局部力学分析

梁世春

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

目前对桥面铺装结构设计多数未进行受力分析，设计的结构、材料基本一致，其结构和材料不一定满足实际受力状况要求，致使桥面铺装耐久性差，容易破坏。对常用连续桥梁桥面铺装进行局部力学分析，掌握受力状况，为桥面铺装设计提供参考。

1 分析模型

1.1 桥面铺装有限元模型

在行车荷载作用下，铺装体系内产生的荷载效应具有很强的局域性特点，分析中主要选取结构整体变形较大的部位来建立桥面铺装模型。各模型中包含相应桥型的主要部件，如主梁、桥面板、横隔梁和桥面铺装。采用Midas-FEA对桥面铺装层进行力学分析，所用单元为图1所示的6节点5面体实体单元。铺装层中同一类材料取的厚度即为6节点的5面体单元的厚度。

图1 6节点5面体实体单元

a）对于40 m简支变连续T梁，分析时取计算模型长度13 m，包括3个横隔梁，横隔梁间距为6.5 m，宽为实桥宽12 m（模型如图2所示）。

b）对于装配式30 m连续箱梁，分析时取计算模型长度15 m，包括1个跨中横隔梁、1个中横梁和1个1/4跨横梁，横隔梁间距为7.5 m，宽为实桥宽12 m（模型如图3所示）。

图2 40 m T梁计算模型图

图3 30 m箱梁计算模型图

c）对于整体115 m连续箱梁，分析时取跨中长度10 m段作为分析对象（模型如图4所示）。

图4 115 m箱梁计算模型图

对于40 m连续T梁和装配式30 m连续箱梁的边界条件为：约束端部支座处的x、y、z方向的变形；对于115 m箱梁的边界条件为：约束截取箱梁端部截面的x、y、z三方向的变形。其中，x为横桥向，y为顺桥向，z为沿桥高度方向。

1.2 材料参数

a）混凝土 密度 γ=26.0 kN/m3，弹性模量 Ec=3.45×104MPa，泊松比 0.2。

b）环氧沥青混合料 密度γ=24.0 kN/m3，弹性模量分别按 Ec=4.2×103MPa、Ec=2.1×103MPa、Ec=1.05×103MPa，泊松比 0.25。

1.3 荷载

采用公路-I级荷载，计算时考虑冲击作用，后轴单侧轮与桥面板接地面积0.6 m×0.2 m；因分析表明单车道计算结果均小于相应的双车道计算结果，因此后面的加载均按照双车道进行加载。车辆荷载布置如图5所示[1]，取后轴重力标准值2×140 kN。局部加载冲击系数按照规范全部取为1.3[2]。根据规范，单车道加载时制动力不小于165 kN，双车道加载时制动力不小于2×165 kN。

图5 车辆荷载示意图（单位：m）

2 桥面铺装体系最不利荷载位力学分析

主要通过纵桥向的最不利荷载位铺装层受力分析，了解桥面铺装层的受力状态，为桥面铺装层的选材提供力学上的理论依据。

2.1 计算要点

a）以5 cm环氧沥青桥面铺装模型为例，环氧沥青铺装层弹性模量Ec取1.05×103MPa。

b）纵向 对于40 m T梁和30 m箱梁取两个横隔梁之间的1/4b、1/2b、3/4b及中横隔梁处进行加载；对于115 m箱梁取计算长度一半（因为结构对称）（b=5 m）的1/4b、1/2b、3/4b（跨中）处进行加载。

c）横向 两个行车道上布置计算荷载，每次布置两辆行车荷载（双轴四轮组荷载），如图6所示。

图6 车辆荷载布置图

2.2 计算结果

提取环氧沥青铺装层、水泥混凝土铺装层的最大拉应力和拉应变；环氧沥青与水泥混凝土铺装层间、水泥混凝土铺装层与主梁层间最大剪应力；各层的最大位移。如表1、表2、表3所示。其中，x为横桥向，y为纵桥向，z为沿桥高度方向；σx为横桥向拉应力，σy为顺桥向拉应力，σz为竖桥向拉应力、压应力（负数，下同）；εx为横向拉应变，εy为顺桥向拉应变，εz为竖桥向拉应变、压应变（负数，下同）；τx为横桥向层间剪应力，τy为顺桥向层间剪应力。表中所列剪应力分别为环氧沥青层与水泥混凝土铺装层间的剪应力，及水泥混凝土铺装层与混凝土主梁间的剪应力。不同加载位置应力对比见图7～图9。

表1 40 m T梁各加载位置最大应力、应变及层间剪应力

表2 30 m箱梁各加载位置最大应力、应变及层间剪应力

表3 115 m箱梁各加载位置最大应力、应变及层间剪应力

图7 40 m T梁不同加载位置拉应力、剪应力对比

图8 30 m箱梁不同加载位置拉应力、剪应力对比

图9 115 m箱梁不同加载位置拉应力、剪应力对比

3 结论

a）比较顺桥向拉应力σy及横桥向拉应力σx，40 m T梁最大拉应力出现在1/4b加载处，最大应力值为0.312 MPa（顺桥向拉应力σy）；30 m箱梁最大拉应力出现在3/4b加载处，最大应力值为0.438 MPa（横桥向拉应力σx）；115 m箱梁最大拉应力出现在1/4b加载处，最大应力值为0.253 MPa（顺桥向拉应力 σy）。

b）对于竖桥向正应力σz，40 m T梁最大拉应力及最大压应力出现在1/4b加载处，分别为0.408 MPa、-2.141 MPa；30 m箱梁最大拉应力及最大压应力出现在1b加载处，分别为0.469 MPa、-2.933 MPa；115 m箱梁最大拉应力及最大压应力出现在1/4b加载处，分别为0.449 MPa、-2.194 MPa。

c）40 m T梁最大剪应力出现在1/2b加载处，最大应力值为0.429 MPa（横桥向剪应力τx）。30 m箱梁最大剪应力出现在1b加载处，最大应力值为0.508 MPa（横桥向剪应力τx）。115 m箱梁最大剪应力出现在1b加载处，最大应力值为0.442 MPa（横桥向剪应力 τx）。

d）随荷载位置向计算模型跨中方向的靠近，各铺装层的挠度不断增大，且环氧沥青铺装层挠度大于水泥混凝土铺装层。其中40 m T梁铺装层最大挠度为0.390 mm，30 m箱梁铺装层最大挠度为0.662 mm，115 m箱梁铺装层最大挠度为0.289 mm。