寒区大跨径斜拉桥钢桥面双层铺装力学分析

彭顺显 郭 昆 梁俊伟

(1.贵州省公路局项目管理处 贵阳 550003；2.青海省公路与市政钢结构工程技术研究中心 西宁 810001)

引言

近年来，钢混组合结构桥梁的应用逐步兴起，以其性能好、跨度大、适用性强的优势成为特定环境条件下的首选，同时钢桥中钢材的使用解决了我国钢材生产过剩的问题[1,2]。桥梁铺装形式以浇筑式沥青+改性SMA、双层环氧沥青、双层SMA为主[3]。无论哪种形式，实际受力层分为“上面层+下面层”[4,5]。本文采用简化模型针对这三种铺装进行结构性分析，得到合理的参数。

1 工程概况及假定

海东市某主桥采用独塔双索面组合梁斜拉桥，跨径布置为158.0+45.0+40.0=243.0m，宽44m。采用钢箱梁，桥面铺装采用双层体系，上下层均为35mm高弹改性沥青SMA10，见图1、图2所示。

图1 钢梁断面图

图2 桥面铺装结构

研究对象考虑为局部箱梁段(包括加劲肋、铺装层、钢板、横隔板)，而非对整个箱梁进行分析。采用以下假定[6]：(1)沥青层和钢面板为均匀各向同性；(2)沥青层之间、与钢板为完全接触，不存在脱离或者分层；(3)不计结构体系自重的影响；(4)边界条件为：横隔板底部固结沥青层、钢板、纵向加劲肋水平固结[7,8]。

2 结构模型

选取一个隔断室，隔断箱室尺寸为：5m×10m，分别在下层铺装顶面和上层铺装顶面设置测点。测点对称布置，只用测量1/4断面，共计9个加载位置和18个测点，加载点及测点如图3所示。

图3 加载以及测点点位布置图

图4 几何模型局部图

纵向取四横隔板长10m，横向取8个U肋宽5m，荷载位置取后轮轴重14t，作用在轮载区域。桥面板采用shell 63单元，铺装采用solid 65单元，用面荷载模拟轮载[9]，有限元模型共单元7734个，节点11018个，如图4所示。模型参数及工况设定见表1～表4。

表1 模型各尺寸

表2 弹性模量变化工况

表3 厚度变化工况

表4 温度变化工况

3 计算结果

分别计算各工况下，断面的横、纵向最大应力以及铺装的弯沉，提取测点数据见下表5所示。

表5 计算结果整理

由计算结果可知：

(1)工况1、2、3可以看出，在下面层弹性模量不变，上面层逐步提高的情况下：上面层横向应力幅度在14.1%、4.8%之间变化，纵向应力幅度在28%、9.4%之间变化；而下面层的横向应力在97%、-7.5%之间变化，纵向应力在-60.3%、3.3%之间变化。

(2)工况4、5、6可以看出，在沥青整体模量逐步提高的情况下，以上面层为例：横向最大应力的增幅分别为14.1%、4.8%，纵向最大应力的增幅分别为27.6%、10.3%，弯沉值的降幅达到了6.3%、2.5%；而各工况的弹性模量增幅为33.3%、12.5%；

(3)工况6、7、8，上面层厚度逐渐由3mm过渡到4mm，而其受力以及变形均未有过多变化；下面层由4mm到3mm，横向增量幅度为16.7%、14.3%，纵向增量幅度为8.6%、7.9%。可见下面层的厚度会影响其本身的受力，厚度的变化带来的应力变化不容小觑。

(4)温度的改变对弯沉的影响是线性的，变形随着温差的增大在逐步增大；对于铺装层纵、横向应力来说，其并非线性变化，这一点与弹性模量、厚度因素发生了本质区别。

(5)从工况9、10、11的应力变化可以看出，其每个铺装层均呈现“反弯”形态，同一工况的改变甚至出现了一部分凹曲线、一部分凸曲线变化。

4 结论

(1)加大材料弹模，可以间接提高面板刚度，减少顶面的横向应力，建议上层弹模为1450～1850MPa，下层为1550～2050MPa。

(2)下面层受力情况随上面层变化，钢桥面板自身刚度很大，如果上面层刚度过大，下面层将由“传力层”变成了“软弱层”，导致受力方式的突变，不利于承受由上部传递的剪力。因此，在设计及施工中要避免这种“上大下小”的情况，须保证下面层有足够的厚度以及刚度。

(3)上面层受厚度影响小，下面层受厚度影响相对较大。考虑到上面层承受路面磨耗，应保证一定的厚度；而下面层厚度以及刚度的增加会导致其与钢板联系不够紧密，同时过大的厚度施工难以保证其质量，需要严格控制铺装层厚度。推荐上面层铺装厚度在28～36mm之间；下面层厚度在36～46mm之间；铺装层总厚度宜为72～86mm。

(4)考虑到寒冷地区本身的大温差效应，下面层始终保持低温，而上面层受日照循环作用，上下面层之间持续处于大温差效应。由于温度效应和厚度对间应力的协同作用，厚度增大带来层间力减少，温差效应导致温度应力增大，应力的增减效应直接影响铺装的使用寿命。