桥面混凝土铺装层对主梁承载能力的影响分析
2020-06-04靳帮虎傅正凯梁潇敏
靳帮虎 傅正凯 梁潇敏
(武汉华夏理工学院土木建筑工程学院 武汉 430223)
随着桥梁的建设逐渐增多，桥面铺装层作为桥梁结构重要的构件之一，其受力特性研究及对整桥结构受力分析的影响研究也越来越被重视。在混凝土梁式桥结构设计与荷载试验计算中，主梁是主要承重构件，而铺装层主要起着传递车辆荷载的功能，往往被保守地当作恒载来处理[1]；根据桥面铺装层的不同材料，铺装层与混凝土主梁的结合形式一般可分为强、弱2种连接形式；不同的连接形式对主梁及整桥的受力分析影响不同。因此，是否将桥面铺装层作为结构承力构件的一部分参与结构计算，有待于理论计算及试验数据的支撑。本文拟以一普通钢筋混凝土梁为研究对象，针对桥面铺装结构和主梁的强、弱2种不同结合形式，在不同铺装层厚度下进行有限元模拟分析，并辅以结构静载试验印证。通过对比分析计算与试验结果，验证桥梁结构计算模型中混凝土铺装层与主梁的合理的结合形式，为同类桥梁的设计和承载力评估提供理论依据[2-5]。
1 桥面铺装层的有限元分析
利用有限元分析软件midas Civil 建立有限元分析模型[6]，分析铺装层对主梁承载能力影响的分析。分别建立铺装层与主梁强、弱2种结合形式，计算得到主梁位移、应力云图，模型参数如表1。
表1 模型参数表
通过有限元计算得到主梁位移、应力云图，见图1～图4。
图1 强连接模型位移云图
图2 强连接模型应力云图
由图1、图2可见，在强连接形式下铺装层和主梁变形相互协调，相同荷载作用下挠度随着铺装层厚度的增加不断减小，对同一截面的应力分析可以发现，横截面中性轴上移，上移幅度随厚度的增加而增加。说明铺装层增加了受力构件的截面尺寸，从而使中性轴发生上移，且与主梁共同受力提高了梁的刚度。
图3 弱连接模型位移云图
图4 弱连接模型应力云图
由图3、图4可见，在相同弱连接形式荷载作用下，挠度随着铺装层厚度的增加而增加，同一截面的应力分析可以发现，横截面中性轴没有发生偏移，说明弱连接形式铺装层没有增加受力构件的截面，没有和主梁一起工作也没有替主梁承担一部分荷载。在这种连接方式下铺装层就像是一个恒荷载加载到主梁上一样。
通过强弱2种连接形式的对比分析得出：在相同荷载的作用下主梁变形在强连接形式下比弱连接形式小，强连接形式铺装层可以替主梁承担一部分荷载而弱连接形式则不能；强连接形式可增大主梁的刚度，提高其承载能力。
2 铺装层单梁承载力实验
制作不同厚度铺装层矩形截面梁12根，进行铺装层单梁承载力实验[7-8]，分级加载试验分析铺装层的受力状态及破坏特征。梁几何尺寸及加载示意图见图5。
图5 加载示意图(单位：mm)
通过试验采集试验梁变形、应力数据及混凝土裂缝开展情况，以分析铺装层的工作性能及其对结构承载力的影响，跨中荷载-位移曲线见图6，跨中截面沿梁高混凝土应力分布曲线见图7。
图6 跨中荷载-位移曲线图
图7 跨中截面沿梁高混凝土应力分布曲线图
由试验现象分析及图中曲线对比可知，加了素混凝土铺装层后的试验梁仍符合适筋梁工作的3个阶段，只不过弹性工作阶段有所延长。各试验梁对应的开裂荷载和破坏荷载见表2。
表2 各试验梁开裂荷载和破坏荷载
由表2可见，试验结果与有限元模拟计算结果相接近，变化规律相类似。随着铺装层厚度的增加试验梁的开裂荷载和破坏荷载增大，这说明铺装层能够增大主梁的刚度，提高其承载能力。通过跨中截面混凝土应力沿梁高分布图分析可以得出铺装层可使试验梁截面中性轴位置上移的结论。
3 结语
本篇未进行过多的动力特性分析和结构固有频率的参数分析，是因为在桥梁检测方面，静力测试非常重要。考虑铺装层作为承力构件后，截面中性轴上移，从而直接影响静力测试结果。考虑铺装层后使整体质量比未考虑时偏大，刚度的改变与铺装层与主梁间结合形式有关，强连接时刚度改变量较大，弱连接时改变较小，不管哪种结合方式，固有频率改变量都非常小，单纯讨论铺装层对固有频率影响，意义不大。
本文以某普通钢筋混凝土梁为研究对象，重点不在于铺装层的受力分析，而是针对混凝土主梁与铺装层不同的结合形式进行了结构有限元模拟计算和模型的结构静载实验；通过对比分析计算结果与实验结果，得出混凝土铺装层是桥梁结构承载力构件的一部分的结论，因此，本文在于考虑铺装层作为承力构件，使中性轴上移，而不同的铺装层厚度产生的上移效果不同，从而对静力测试影响较大。本文最终提出了桥梁结构计算模型中混凝土铺装层与主梁的合理的结合形式，主要结论有：
1) 混凝土铺装层与混凝土梁结合形式为强连接形式，在这种连接形式下铺装层是结构承力构件的一部分，与主梁共同参与受力。
2) 不同厚度混凝土铺装层对主梁承载力影响不同，随着铺装层厚度的增加，主梁的刚度增加，承载能力提高。
3) 施工工艺上尽可能选用强连接形式的铺装层，这种连接形式可以增大主梁的刚度，提高其承载能力。
