市政弯坡组合钢箱梁桥面沥青铺装层力学响应研究

2022-09-01漆世虎杜展展祁浩东

建材世界 2022年4期

漆世虎，杜展展，祁浩东

(1.南京城市建设管理集团有限公司，南京 210006；2.东南大学交通学院，南京 211189)

钢箱梁结构由于具有自重轻、承载大、侧向抗风能力强等优点，被我国桥面体系普遍采用。作为钢桥的重要组成部分，钢桥面铺装直接铺设于桥面板之上，同时具有保护桥面钢板和服务交通的功能，其工程质量关系道路的通行能力、行车的安全性及桥梁结构的耐久性，从而影响社会经济效益。

在行车荷载的作用下，由于正交异性刚桥面板的局部变形的复杂性，相比较于其他类型的桥面铺装，钢箱梁桥面铺装层的受力状况更为复杂。特别当前市政工程建设中为了尽量减小对交通流的影响，缩短工程建设期限，一般在重要交叉口节点的高架桥区域均倾向采用钢箱梁结构，对钢箱梁桥面铺装的工程建设需求越来越多。这些钢箱梁具有典型的“弯、坡、斜”的特点，使得铺装层除承受垂直荷载作用外，还将承受水平分力的综合作用，其受力和变形更加复杂; 部分桥梁在通车后不久，桥面铺装便出现较为严重的病害，严重影响行车舒适性与安全性，并花费大量的维修养护资金。

研究依托红山路和燕路快速化改造工程SG3标段，铺装对象为城市立交桥，主桥第二联和部分匝道采用钢箱梁，匝道最大纵坡5.2%。主桥钢桥双幅独立，单幅宽12.2 m三车道。论文开展市政弯坡组合钢箱梁桥面沥青铺装层力学响应研究，以明确项目钢箱梁桥受力特点。

1 桥面铺装有限元分析模型

1.1 模型的建立与材料参数

ABAQUS有限元模型如图1所示，钢箱梁顶面宽度12.2 m、纵向取四跨3.0×4=12.0 m。桥梁顶板、底板、腹板及横隔板厚度均为16 mm。根据所设计的桥梁和铺装层结构，对每一结构层均建立实体型。腹板采用16 mm厚度板式加劲肋，间距380 mm；顶板采用6 mm厚度U型肋加劲，间距300 mm，在腹板两侧加劲肋间距有所减小，内外侧分别为222 mm和235 mm；腹板跨中采用T形加劲肋。铺装上层采用4 cm厚SMA，下层采用3.5 cm厚AC，模型材料参数见表1。

表1 有限元模型材料参数

1.2 荷载及边界条件

模型固结两端底板，限制腹板两端板的水平向位移，铺装层与桥面板采用TIE约束；车辆荷载简化为矩形均布荷载，两个矩形的横向尺寸取为20 cm，由轴重和胎压0.70 MPa，计算纵向长度为25 cm，两个矩形内侧边缘的间距为10 cm。弯坡斜钢箱梁与一般钢箱梁桥最大的不同之处是力学计算时要考虑车辆以不同速度在曲线上行驶时的离心力以及由钢箱梁的纵、横坡产生的纵横向水平力[1]。匀速行驶时纵向水平力系数采用0.1[2]，方向与车辆行驶方向相反；横向水平力系数以60 km/h速度在半径250 m的弯道上为计亦采用0.1[3]。以下不加以说明情况下均采用此水平力系数。

2 最不利荷位确定

由以往的计算知纵向U型加劲肋一侧正上方为横向最不利荷位[4]，但考虑到腹板处受力相似，先分别确定腹板与U形肋的最不利纵向荷位，再比较它们在各自最不利荷位下的响应值，取大者作为全桥的最不利荷位进行后续分析。选取的纵向计算荷位以横隔板正上方荷位为1，荷载中心依次向横隔板移动150 mm(1/20跨)至下一荷位，直到荷载中心位于下一道横隔板正上方的第21个荷位。不同纵向荷位的计算结果见图2。

由图2可知，腹板和U肋横向拉应变与剪应力均于荷位11即跨中取得最大值；其中横向拉应变由跨中向两侧逐渐减小，横向剪应力由跨中向两侧先逐渐减小但在接近横隔板时有所增大。纵向分量在距横隔板较近处取得最大值，但其值相对横向较小；其中纵向拉应变在20号荷位取得最大值，此时纵向荷载由横隔板指向跨中；纵向剪应力在2号荷位取得最大值，纵向荷载由跨中指向横隔板。虽然腹板刚度比U肋大，但腹板上力学响应量基本小于U肋，分析其原因是腹板两侧U肋间距较小，在一定程度上分担了受力。因此，最终选定U肋上方荷位11作为横向分量的荷载作用位置，2号荷位作为最大纵向剪应力作用荷位，20号荷位作为最大纵向拉应变作用荷位。

3 影响因素分析

3.1 结构模量

常温下AC和SMA铺装层模量一般取值1 500 MPa，特种材料浇筑式和环氧铺装一般取3 000 MPa，而随着温度的变化，铺装层的模量也会产生相应的较大变化，从而影响铺装结构层的力学响应[5,6]。采用500 MPa、1 500 MPa、3 000 MPa、5 000 MPa四种模量进行上下铺装层组合，探索模量对其力学响应影响，结果见表2。

表2 不同模量组合下铺装力学响应

由表2可知，铺装层整体模量的升高(温度的降低)可以减小拉应变，但同时增大了层间剪应力。铺装上层模量的增大可以降低纵横向拉应变，但作用越来越小，特别是对于纵向拉应变在上层模量达到1 500 MPa后基本不变；铺装下层模量从500 MPa增长到1 500 MPa对拉应变有较大幅度降低，但其后作用效果不明显。上面层模量对横向剪应力影响不大，而对纵向剪应力基本没有影响；下面层模量对纵横向剪应力均有较大影响，随着下面层模量上升剪应力迅速增加。为了达到剪应力和拉应变均达到较小的平衡，下面层模量应略小于1 500 MPa，上面层模量应取较大值。

3.2 纵向制动力

汽车行驶在弯坡组合桥梁时，由于受力和视线等原因制动频率远高于普通路段[7]。在国内高温重载使用环境下，制动将对铺装层造成较大的剪切应力，导致铺装层出现推移开裂等破坏。根据《城镇道路路面设计规范》[8]，面层剪应力的水平力系数，一般行驶路段为 0.5，缓慢制动路段为 0.2，最终选取水平力系数分别为0.2、0.4和0.6，力学响应结果见表3。

表3 不同制动荷载下的力学响应

由表3可知，汽车制动力增大，对铺装层横向分量影响不大，但在一定程度增大了纵向分量。当制动产生的纵向力系数达到0.6时，最大拉应变增大了32%，剪应力增大了8%。此增大幅度虽然远小于模量的影响，但考虑到车辆制动的频繁性，亦会带来频繁制动下的疲劳破坏。因此，对于较大纵坡的钢箱梁桥，其铺装层设计应更加重视铺装层的抗裂性以及层间防水粘结层的抗剪性能。

3.3 横向向心力

在小半径桥梁上由于离心力的存在车辆对铺装层产生了横向的作用力，影响铺装层的使用寿命，而桥梁本身所设置的横坡也会对这部分离心力有所抵消[9]。假定钢箱梁横坡2%，采用60 km/h和90 km/h两种车辆运行速度，忽略轴载两侧的不均匀性，对不同车辆行驶半径下所产生的横向力进系数行计算，不同横向作用下的力学响应结果见表4。

表4 不同横向力下的力学响应

由表4可知，横向力的作用对铺装层纵向分量的影响不大，但却在一定程度上放大了横向分量。随着行车速度的增大和行车半径的减小，横向力不断增大，铺装层横向分量也不断增大。在以60 km/h的速度250 m的半径变为90 km/h的速度100 m的半径下，横向拉应变增大了4.5%，横向剪应力增大了4.6%。这一变化加重了桥面铺装横向抗裂和抗剪的不利状况，使得其更容易产生横向裂缝。