大跨径桥梁正交异性钢桥面铺装受力分析

张己存

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司,甘肃 兰州 730030）

0 引言

我国桥梁设计，并未把铺装部分按受力结构计算，仅作为构造措施。《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）对正交异性板钢桥面铺装规定如下：正交异性板钢桥面沥青混凝土铺装结构应根据桥梁纵面线性、桥梁结构受力状态、桥面系的实际情况、当地气象与环境条件、铺装材料的性能等综合研究选用。本文通过子结构法减少计算量，分析结构尺寸、温度、制动及超载对正交异性钢桥铺装层的影响。

1 有限元模型的建立

以板壳理论和弹性力学理论为基础，采用ANSYS有限元软件对正交异性钢桥面铺装层建立三维实体铺装层分析模型[1]。要求其能综合考虑整体效应（汽车荷载及温度）、空间效应（梁的剪力滞）及局部效应（车轮局部加载）的影响，并在可接受效率下保证计算精度[1]。对铺装层而言，需将其划分为较小单元,但是桥梁结构尺寸较大，这样整体模型规模超大，且计算耗时久。为了节省机时，在此采用子结构法—超单元思想[2]。

子结构法即在整体结构分析中，将非线性部分作为子结构生成凝聚态的超单元矩阵 (刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵)，在后续非线性分析中可直接调用，届时与非子结构部分界面节点之间耦合即可。钢桥面铺装层，其纵、横加劲肋与桥面板材料均为弹性材料的钢材，将这部分作为超单元能节省较大机时，而铺装层则为非子结构部分。采用Solid185 3D八节点实体单元，模拟整体结构（纵、横加劲肋、铺装层），Matrix50矩阵单元则为被调用的超单元[3]，见图1。

图1 调用超单元

一般来讲，子结构-超单元求解法分为以下几个步骤[4-6]：

（1）生成超单元：根据结构特点，将模型作为超单元部分和非超单元部分划分开来，对子结构-超单元部分进行求解，得到凝聚态超单元的质量矩阵、刚度 矩阵、阻尼矩阵。

（2）使用超单元：调用超单元矩阵，进行整体模型计算，需对超单元与非超单元部分界面节点耦合，使结构整体连接，此时求得解为超单元的凝聚解以及非超单元的全解。

（3）扩展超单元：由凝聚解进而求解超单元所有自由度，得到整体模型所有解。

车辆荷载选取公路-Ⅰ级车辆荷载，矩形双轮接地，接地面积采用后轴重轮接地面积0.2 m×0.6 m。考虑偏载效应，横向分三个荷载位置：一、对称施加在U型加劲肋正上方；二、对称施加于两U型加劲肋中心线的正上方；三、以一U型加劲肋边为中心对称施加于正上方。纵向以自梁端横隔板移动至跨中。最终确定纵向跨中横向位置一为最不利荷载位置,且对铺装层分析控制因素为横向拉应力（应变），见图2。

图2 布载位置

2 计算分析

2.1 构造尺寸变化的影响

对比我国近些年正交异性钢桥设计方案，选用钢桥面板厚度12～16 mm、U型肋厚度6～10 mm、U型肋开口宽度300～500 mm、铺装层2～12 cm分析计算，见图3、图4。

图3 钢板厚度

图4 U肋厚度

（1）钢桥面板厚度增加能有效改善铺装层受力状态，降低病害发生可能性；U肋厚度增加对改善效果微弱，见图5、图6。

（2）U型加劲肋开口宽度增加，各控制指标增大，铺装层易发生车辙等病害；铺装层厚度在20～80 mm增加对降低病害发生可能性效果明显，其后则弱化。

2.2 温度变化的影响

铺装层基体材料多为沥青类，在外部环境中其温度不稳定性引起模量变化。取铺装层模量500～2 500 MPa之间[5,6]，分析各项指标变化情况，见图 7、图 8。

图5 U肋开口宽度

图6 铺装层厚度

图7 控制截面横向应力

图8 模量变化

U肋上方相对刚度较强，处于负弯矩区并有应力集中现象，其顶部铺装层易产生纵向裂纹并逐步发展；铺装层高温时模量降低，拉应力减小，拉应变增大，低温时模量升高，拉应力相应增大，解释了其温度病害的原因[7]。

2.3 制动及超载的影响

取滑动摩阻系数比μ（水平力系数）0～0.6、超载系数1.2～2.2分析制动及超载的影响，见图9、图10。

图9 制动

图10 超载

制动力的增加，纵向拉应力、纵向剪应力及第一主应力均增大，即桥面刹车较多位置易出现横向裂纹[8]。超载程度越大各项指标越大，铺装层更易发生各种病害，降低使用性能[9]。

3 结语

车辆轮载作用下，正交异性钢桥面铺装层受力有明显局部性，并以横向拉应力（拉应变）作为其开裂控制指标。钢桥面板厚度增加，一定范围内对改善铺装层受力效果非常明显。U肋上方铺装层正负弯矩交替，易在其顶部发生桥梁纵向裂缝。U肋厚度增加，对防止铺装层病害并不明显。U肋开口宽度增加，铺装层更易形成纵向开裂。夏季高温铺装层模量降低,更易形成车辙。车辆制动力越大，铺装层越易出现横向开裂。而超载情况越严重，层内各项指标均呈现线性增大，应严格杜绝超载现象[10]。

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