莫桑比克马普托大桥钢桥面铺装力学响应状态分析

2018-03-08周永涛

交通科技 2018年1期

王民周永涛尚飞郑胜

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司重庆 400074； 2.中国路桥工程有限责任公司北京 100011；3.重庆市智翔铺道技术工程有限公司重庆 401336; 4.重庆交通大学土木工程学院重庆 400074)

随着我国钢结构桥梁的不断发展，各式各样的钢结构桥梁不断涌现。正交异性桥面板因其自重小、受力合理等优点而被用于大多大跨径桥梁的建设[1]。大型钢结构桥梁跨径在500～1 000 m时，几乎均采用正交异性钢桥面板结构，如上海卢浦大桥、广东珠江黄埔大桥、泰州长江大桥等[2]。但是，钢桥面铺装结构的特殊使用环境导致的病害仍是国内外尚未完全解决的难题[3]。

马普托大桥为单跨双铰悬索桥，主缆跨度布置为260 m+680 m+284 m。钢箱梁标准梁段长12 m，内设4道实体式横隔板，横隔板间距为3.0 m，桥面板结构物繁多，铺装层受力复杂，所以亟需对钢桥面铺装力学响应进行分析研究[4-8]，从而为铺装材料的设计研究提供理论支撑。

1 建立桥面铺装分析模型

结合马普托大桥的桥面结构特点，建立钢桥面+铺装层(以3.5 cm GA(浇筑式沥青混凝土)+3.5 cm SMA(沥青玛蹄脂混凝土)为例)的简化分析模型，寻找铺装层横向拉应变、纵向拉应变、层间剪应力的最不利荷载位置。简化模型见图1，模型长度为9.0 m(3.0 m×3)、宽度为3.6 m(0.3 m×12)。

图1 桥面铺装分析模型

模型材料参数的取值：钢板弹性模量为210 GPa，GA弹性模量为500 MPa，SMA弹性模量为400 MPa，钢板泊松比为0.3，沥青混凝土泊松比均为0.25。模型尺寸见表1。

表1 模型几何尺寸 mm

同时做如下假设：①各部分为均匀、连续、各向同性的纯弹性材料;②不计自重和阻尼。

根据JTG B01-2014 《公路工程技术标准》，标准轴重为100 kN。将轴一侧的双轮简化为2个圆形均布荷载，圆形荷载直径d=21.30 cm，胎压0.7 MPa，2轮中心距1.5d，即31.95 cm。

在基本模型上施加等效双轮荷载，以荷载中心(即2个圆形荷载圆心连线中点)为参考点。为分析中叙述方便，对横向荷位和纵向荷位作如下规定：在中间一跨的纵向取9个不同位置荷位，荷位示意及定位参数见图2，表2。

图2 纵向不同荷位示意图(单位：m)

表2 纵向荷位布置

其中纵向荷位1代表“荷载中心”作用在跨中，纵向荷位3代表1/4跨处，纵向荷位7代表1/8跨处，纵向荷位9代表“荷载中心”正好位于横隔板2上方。

横向取3个不同位置，横向荷位1表示荷载中心位于横截面的对称点A点，横向荷位2、横向荷位3分别由荷位1左移0.15 m和0.30 m，即横向荷位2的中心位于B点，横向荷位3的中心位于C点，见图3。

图3 横向不同荷位示意图

综上，全桥有9×3共27个不同的荷载位置，将这些荷载位置以M-N格式编号定位，M代表

纵向的9个不同位置，N代表横向的3个不同位置，如3-1表示荷载中心位于纵向荷位3(即1/4跨)、横向荷位1(即横截面对称轴)处。

2 最不利荷位分析

寻找最不利荷载作用位置的主要目的是发现控制性的荷载作用点，研究这些关键位置的力学性能参数指标，指导钢桥面铺装的设计与施工。分别在荷位1-1，1-2，1-3，9-1，9-2，9-3加载，通过对比找出横向最不利荷位，计算结果见表3。

表3 横向不同荷位计算结果

由表3可见，荷载位置横向变化时，各力学指标均出现较大变化，对于最大竖向位移、最大横向拉应变以及层间剪应力均有：荷位2>荷位3>荷位1，故荷载的横向最不利荷位为荷位2，即当荷载中心在跨中截面的B点时出现最大竖向位移、最大横向拉应变、最大纵向拉应变和最大剪应力。且跨中3点(A，B，C)的纵向应变与横向应变均为正，表明此位置均为拉应变。

根据上述结论，保持荷载的横向位置(横向荷位2)不变，纵向变化荷位，计算结果见表4。

表4 纵向不同荷位计算结果

由表4可见，当荷载在纵向上变化时，荷载位于位置1时，即为跨中时引起的竖向位移、横向拉应变和纵向拉应变最大；层间剪应力在7-2荷位出现最大值。因此在下文的分析中，应变最不利位置在跨中的横向荷位2(即荷位1-2)，由于层间剪应力最大值出现在7-2处，所以层间剪应力最不利位置是7-2荷位。

3 不同铺装体系静力分析

3.1 不同铺装结构确定

前文以3.5 cm GA+3.5 SMA铺装为基础模型通过计算找出了最不利荷位，下面再针对现在常用的双层EA(环氧沥青混凝土)(3.5 cm+3.5 cm)、双层SMA(3.5 cm+3.5 cm)铺装体系做出对比分析。

目前，常见的铺装层材料结构有3种：SMA、GA和EA。因此，通过变化铺装层的厚度和模量，来模拟不同的铺装材料和结构。由于粘结层常常发生剪切破坏，因而重点考察了铺装层底剪应力这一力学指标。模型材料参数的取值：钢板弹性模量210 GPa，GA弹性模量500 MPa，EA弹性模量600 MPa，SMA弹性模量400 MPa，钢板泊松比0.3，沥青混凝土泊松比均为0.25。

3.2 荷载确定

依据马普托大桥模型结构，在已确定荷载作用位置的条件下，针对以下3种荷载工况开展研究。

1) 标准荷载。根据JTG B01-2014 《公路工程技术标准》，标准轴轴重为100 kN。将轴一侧的双轮简化为2个圆形均布荷载，圆形荷载直径d=21.30 cm，胎压0.7 MPa，2轮中心距1.5d，即31.95 cm。

2) 水平荷载。车辆在桥面行使过程中必然产生水平分项荷载；而且车辆制动时，在轮胎与路面的接触面会产生很大的水平力，水平分项荷载

T=φP

式中：T为水平荷载；φ为滑动摩擦系数；P为车辆竖向荷载。

根据路面材料和干湿状态的不同，滑动摩擦系数φ的变化范围在0.3～1.0之间，水平荷载对桥面铺装力学性能的影响，可以通过滑动摩擦系数的取值反映，当考虑紧急制动时，滑动摩擦系数取值0.5，同样考虑竖向标准胎压0.7 MPa。

3) 超重荷载。由于马普托大桥存在重载交通车辆，必须在分析中考虑实际的超载现象。考虑荷载集度在标准胎压情况下提高100%，通过计算结果分析超载的力学效应。在超载情况下取滑动摩擦系数φ为0.3，以此考虑一定的水平荷载影响，形成一种比较极端的荷载工况。

3.3 最大弯拉应变分析

根据所确定的最不利荷位，对3种铺装方案在不同工况条件下的最大弯拉应变进行计算分析，计算结果见表5。

表5 不同工况铺装层拉应变计算结果

由表5可见，不同工况条件对横纵向拉应变影响程度不一致，随着工况的变化，特别是超重荷载，横向和纵向应变急剧增加，横向增幅达到100%，纵向增幅达到800%左右，而对不同的铺装结构，双层SMA和GA+SMA差别并不大，双层EA应变最小。在存在水平荷载或超载的情况下，荷载对纵向拉应变的影响高于横向拉应变；水平荷载对模型结构局部的纵向拉应变有显著影响，特别是在车辆制动和启动时所产生的水平力主要是纵向的，过大的纵向拉应变会造成铺装体的横向裂缝，这也是桥面铺装中常见的一种破坏形式。

3.4 最大剪应力分析

在最不利荷位条件下，分析不同铺装方案在不同工况条件下的最大剪应力，计算结果见表6。

表6 不同工况剪切应力计算结果 MPa

不同荷载情况下铺装层与钢桥面板之间的剪切应力计算基于线弹性材料的基本假定。从计算结果可见，荷载条件对层间剪应力影响非常大，特别是超载条件下，剪应力增加了90%；不同铺装材料的影响与模量相关，模量越大，剪应力越大，双层SMA模量最小，因此相应剪应力最小。通过相应数据综合分析,层间剪切应力在0.327～0.769 MPa之间。

4 结论

1) 在钢桥面铺装力学指标分析中,由于指标不同,相应指标的最不利荷位有所不同，最大弯拉应变的最不利荷位处于横隔板跨中区域，最大剪应力的最不利荷位处于横隔板附近。

2) 荷载水平对钢桥面铺装的力学响应状态影响非常大，特别是重载条件下，最大横向弯拉应变达到834×10-6，层间最大剪应力达到0.769 MPa。

3) 对于不同铺装结构，由于材料弹性模量不同，相应力学响应场也存在较大差别，对于弹性模量较高的双层环氧沥青混凝土，最大弯拉应变明显小于其他结构，而层间剪应力最大。

[1] WOLCHUK R. Steel orthotropic decks: developmen-ts in the 1990s[J]. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board,1999(4):30-37.

[2] 王文洋,张波,曾德礼,等.庙嘴长江大桥三江桥静动载试验分析[J].交通科技,2017(5):19-25.

[3] 童乐为,沈祖炎.正交异性钢桥面板静力试验和有限元分析[J].同济大学学报(自然科学版),1997(6):617-622.