桥面铺装在预制梁仿真分析中的合理性分析

涂伟

（四川公路工程咨询监理有限公司，四川 成都 610041）

一、引言

桥面铺装层是一种与桥梁结构协同变形的特殊结构层，桥面铺装层需要承担汽车荷载、温度等因素的直接作用，起着保护桥梁主体和为行车提供舒适、安全的路面功能的作用，此外，桥面铺装还应具备良好的防水效果，从而保证雨水不会通过铺装层渗透到桥面板而侵蚀桥梁结构。水泥混凝土刚性铺装能够使得铺装结构层与桥梁主体结构一起承担应力变形，但在实际的桥梁荷载试验模型计算中，多数利用荷载的形式模拟桥面刚性铺装而忽略其刚度贡献，造成理论计算的截面特性小于实际截面特性，计算出的理论挠度值偏大，计算值存在一定偏差。本文采用荷载的形式模拟桥面铺装、桥面铺装结构层划入T梁顶板、板单元模拟桥面铺装三种计算方式，以预制T梁静载试验为背景，结合静载试验实测数据，对比分析挠度、应变和基频，分析了不同方法的合理性，用以指导实际工程荷载试验中的模型建立。

二、工程概述

本文中的工程选取攀大高速公路某大桥中的40m跨预应力混凝土简支T梁，组合跨径为（3×30+20×40）m，桥面单幅总宽度为12m，顶板厚度为20cm，桥面铺装为10cm混凝土铺装+防水层+10cm沥青铺装，梁高2.5m，腹板厚度20cm～32cm。下部构造桥台采用桩柱式台、桥墩采用柱式墩、变/等截面矩形墩，墩台采用桩基础。桥梁断面如图1所示。

现场测试中跨截面在最大正弯矩截面重载工况下的应力、竖向挠度，应变测点布置于预应力T梁马蹄底板外表面，挠度测点布置同应变测点，如图2所示。应变测试采用电阻式应变片，挠度测试采用百分表。

图1.桥梁断面

图2.挠度应变测点布置图

三、建模方案对比分析

运用有限软件Midas Civil做了相应的详细计算分析工作，再根据设计车辆荷载作用下的内力包络图确定加载试验截面位置，并进一步确定测点布置。坐标原点在左侧端点，x坐标为纵向，y坐标为横向，z坐标为竖向。该桥采用C50混凝土：混凝土弹性模量E=3.45×104MPa，混凝土泊松比为0.2，混凝土线膨胀系数为1×10-5。

本文采用三种不同方法模拟桥面铺装，同时计算40m简支T梁控制截面在最不利设计荷载作用下的应变、竖向挠度，与实际测量值进行对比。

（一）方案A：以荷载的形式模拟桥面铺装

此方案为荷载试验常采用的方案，铺装层通常只作为构造层或磨耗层考虑，不作专门的计算分析，通常被简化为荷载，忽略其刚度贡献。此方案用于设计汽车活荷载作用下的最大弯矩及挠度，分别如图3和图4所示。

图3.方案A，40m预应力混凝土简支T梁挠度包络图（单位：mm）

图4.方案A，40m预应力混凝土简支T梁应力包络图（单位：MPa）

（二）方案B：桥面铺装结构层划入T梁顶板

将桥面铺装划入T梁顶板厚度（即顶板厚度30cm），考虑实际T梁顶板通过植筋将10cm混凝土铺装融为一体，此时截面面积增大，惯性矩I增大，符合实际情况。此方案用于设计汽车活荷载作用下的最大弯矩及挠度，分别如图5和图6所示。

图5.方案B，40m预应力混凝土简支T梁挠度包络图（单位：mm）

图6.方案B，40m预应力混凝土简支T梁应力包络图（单位：MPa）

（三）方案C：板单元模拟桥面铺装

用10cm厚的板单元模拟桥面铺装，在板单元与梁单元共节点的前提下，考虑其自重和刚度的影响，使其符合实际情况。此方案用于设计汽车活荷载作用下的最大弯矩及挠度，分别如图7和图8所示。

图7.方案C，40m预应力混凝土简支T梁挠度包络图（单位：mm）

图8.方案C，40m预应力混凝土简支T梁应力包络图（单位：MPa）

四、荷载试验数据分析

（一）挠度测试结果分析

表1.挠度测试结果

图9.挠度测试结果分析（单位：mm）

表2.中梁跨中截面弯曲刚度对比

三种桥梁铺装层模拟方案本质上是计算截面刚度弯曲不同导致的挠度差异。表2以中梁跨中截面为例（支点截面及边梁类似），分析了三种不同铺装层模拟方法造成的截面弯曲刚度差异。

对比三种建模方案与实测结果，均为3号测点挠度值最大，往两边依次逐渐减小，符合T梁的横向分布规律。以荷载的形式模拟桥面铺装、桥面铺装结构层划入T梁顶板、板单元模拟桥面铺装三种方案所计算的挠度值均大于实测值，说明设计方案相对保守。方案A以荷载的形式模拟桥面铺装未考虑桥面铺装的刚度值，弯曲刚度减小，挠度值增大，计算结果存在偏差。另两种方案均将桥面铺装加入实体结构层，同梁体一同参与受力分析，依据式三，EI弯曲刚度增大而最大挠度值减小，更为接近桥梁结构的实际受力状况。

（二）应变测试结果分析

表3.应变测试结果

如表3和图10所示，应变测试结果中方案B和方案C的理论值基本一致，说明这两种方法用于梁体结构应变计算结果相近，可以根据实际需要选用，方案A的应变计算结果偏大，计算结果存在偏差。实测值偏低，现场测试结果为桥梁状况良好。

图10.应变测试结果分析（单位：uε）

（三）基频测试结果分析

表4.基频测试结果

图11.基频测试结果分析

如表4和图11所示，基频实测结果均大于计算结果，依据式四简支梁基频计算，方案B和C的抗弯刚度增大，基频也相应增大，符合实际计算规律。方案A未考虑桥面铺装的抗弯刚度EI，则实际计算结果较小。

五、结语

方案A以荷载的形式模拟桥面铺装，理论值偏大，未考虑其刚度贡献，导致截面特性计算值小于实际值，计算理论挠度值偏大，即理论计算是偏于不安全的。方案B桥面铺装结构层划入T梁顶板和方案C板单元模拟桥面铺装，考虑了铺装层自重和刚度的影响，模拟更加准确，计算结果更接近正确值，与实测挠度和应变结果对比更符合。因此，在桥梁荷载试验中（特别是简支T梁桥）推荐采用方案B和方案C来模拟桥面铺装。