1、第31卷第6期2001年11月東南大學學報(自然科學版JOURNA L OF S OUTHE AST UNIVERSITY (Natural Science Edition V ol 131N o 16N ov.2001車輛荷載下鋼箱梁瀝青混凝土鋪裝受力分析顧興宇鄧學鈞周世忠周建林(東南大學交通學院,南京210096(江蘇揚子大橋股份有限公司,南京210004摘要:本文參照實際工程中鋼橋面瀝青混凝土鋪裝疲勞開裂這一主要破壞形式,應用有限條分析方法,構建計算模型,通過模擬車輛在橋面縱、橫向的不同加載位置,計算瀝青鋪裝層上表面的應力應變,繼而討論鋼橋面幾何正交異性特性對瀝青鋪裝層的影響,得出與工程

2、實際相符的結論,為合理確定鋼橋面瀝青鋪裝層的結構提供理論參考.關鍵詞:有限條;鋼箱梁;橋面鋪裝中圖分類號:U416.01文獻標識碼:A 文章編號:1001-0505(20010620018203收稿日期:2001201219.作者簡介:顧興宇,男,1976年生,博士研究生.基金項目:國家自然科學基金資助項目(59878014.交通部重慶公路科學研究所.交通部重點科技項目特大跨徑橋梁鋪裝層與正交異性橋面板的受力分析和理論研究.國外專題情報資料,1999.2830,3542.大跨徑鋼橋一般采用扁平流線型鋼箱梁和薄層瀝青混凝土鋪裝,這有利于減輕橋梁恒載重量,提高結構承載力,從而可以進一步加大橋梁的跨

3、徑.但是,橋面板是由鋼箱梁蓋板、縱向加勁肋、橫隔板以及瀝青鋪裝層組合而成的,結構的特性決定了其受力的特殊性,因此,對于直接承受行車荷載的鋪裝層,不應僅僅從材料的角度來考慮,而應該在結構分析的基礎上,結合材料特性,設計適合橋面結構特性的鋪裝層結構.根據近年來鋼橋橋面鋪裝的破壞情況看,由于縱向加勁肋的作用,鋪裝層頂面局部承受較大的負彎矩,在車載的長期反復作用下,鋪裝層表面出現疲勞裂縫的情況較多.裂縫的產生導致雨水滲入,引發鋼橋面板銹蝕,使得橋梁結構整體性能下降、壽命縮短,因此必須預測及限制裂縫的產生.從現有的國內外關于鋼橋面橋面鋪裝的研究情況來看,研究內容主要集中在材料方面1,即利用各種手段改善材

4、料的性質或者研究發展新的鋪裝材料,而對于鋼橋面鋪裝層的受力特性的研究較少.由文獻知,除了通過加載試驗研究外2,3,一般根據兩端固端的梁理論來近似模擬加勁肋的支撐作用.即使利用有限元方法進行分析,在橋梁橫截面方向有限元模型中僅僅選取56個加勁肋,也不能完全說明問題.本文以江陰大橋橋面鋪裝為研究對象,運用有限條法分析橋面鋪裝層的受力機理,為合理確定鋼橋面鋪裝層的結構設計提供理論參考.1計算模型1.1橋面系力學模型圖1橋面系統計算模型由圖1所示的橋面系計算模型來看,由于橋面的各部分幾何形態比較規則,可以采用有限條法進行分析,將面板在縱向加勁肋支撐處離散為若干個矩形條,每一根加勁肋則離散為3根有限條元

5、,橫向隔板可以看作簡支處理,橋面系統條元劃分見圖2.為了提高分析精度,對于每一根條元,采用具有中間輔助結線的高階有限條,每根結線具有撓度及轉角2個自由度.在荷載作用下,其同時具有平面內位移和平面外彎曲2種變形,在線彈性范圍內,可以假定平面應力作用與彎曲作用互不耦聯,所以可以分別對待處理.根據文獻1,彎曲條元的位移函數為W (x ,y =rm =1(a 1+a 2x +a 3x 2+a 4x 3+a 5x 4+a 6x 5Y m (y 圖2橋面系統條元劃分114為條元號,為結線號平面應力條元的位移函數為U (x ,y =rm =1(a7+a 8x Y um y V (x ,y =rm =1(a9

6、+a 10x Y vm y根據條單元邊界位移條件,求解位移函數中未知變量參數,建立單元結構內力與邊界位移的數學關系,從而求解結構內部任意位置處的內力.1.2計算參數橋面幾何尺寸見表1,設計荷載見表2.表1幾何尺寸m箱梁頂板尺寸寬厚橫隔板間距U 肋尺寸上口寬中到中間距瀝青鋪裝層厚度29.50.0123.20.30.60.05表2設計荷載荷載等級標準車質量/kN 總后軸輪胎標準壓力/MPa輪胎接地長度/m縱向橫向汽超20級2001300.7070.20.46圖 3橋面板加載位置示例圖2計算分析2.1加載位置對鋪裝層的受力影響車輛在橋面板橫向有許多種加載位置,但與縱向加勁肋的相對位置大致有圖3所示的

7、4種;在橋面板縱向的加載位置一般取兩橫隔板跨中和1/4跨2種.針對橫向4種加載方式,具體計算鋪裝層表面各點的應變,比較它們的大小,結果如圖4所示.分別在兩橫隔板跨中及1/4跨處加載,具體計算鋪裝層表面各點的應變,比較它們的大小,結果如圖5所示.由圖4、圖5可以得出以下結論:1加載位置對鋪裝層內的應變大小有一定的影響,在橫向位置上,加載方式4引起的鋪裝層上表面橫向最大拉應變值最大;縱向位置上,跨中加載較為不利.2鋪裝層上表面各點橫向應變沿橫向分布以U 肋肋頂為支點呈正負交替、且很快收斂為零的趨勢.拉應變的影響距離為120cm 左右.3鋪裝層表面最大拉應變出現在荷載相臨U 肋靠近荷載的肋板上方.2

8、.2鋪裝層中縱向、橫向應變比較為了分析鋪裝層中各點的主要受力方向,橫向采用加載位置4,縱向跨中加載,分別計算同一荷載作用下鋪裝層上表面相同點的縱、橫向應變,取與荷載相臨的7號肋線上各點的應變如圖6所示.由圖6可以看出,與荷載相臨的7號肋線上的縱向應變在數值上很小且大多數為正值,對鋪裝層上表面產生裂縫影響很小,橫向應變均為負值且數值較大,這有力地證明了鋼橋面瀝青鋪裝層易出現縱向裂縫這一工程現象.91第6期顧興宇等:車輛荷載下鋼箱梁瀝青混凝土鋪裝受力分析2.3橫向車輛荷載對鋪裝層受力的影響大跨徑鋼橋橋面一般有6個車道,交通繁忙時會出現2輛或3輛重車并排運行情況,車輛荷載相互交差作用,對鋪裝層的受力

9、的影響,可以通過計算來分析.2輛并排行使的汽20標準車.一般情況下,車輛間距如圖7所示,即相鄰車后軸外側輪距為1.95m ,標準車自身后軸輪距為1.8 m.圖6鋪裝層中縱向、橫向應變圖7標準車與相鄰車輪距布置根據得出的結論,橫向應變的影響距離為120cm 左右,而相鄰的并行車輛輪距以及標準車后軸輪距均大于120cm ,它們相互間的影響極小,可以不予考慮.3結論1由于U 型肋的加勁作用,橋面系統幾何正交異性特性明顯,鋪裝層在車輪作用下縱向應變明顯小于橫向應變,橫向應變起控制作用.2在橋面橫斷面上臨近車輪荷載的U 型肋一側肋線上出現橫向最大拉應變.3由于U 型肋的支撐作用,車輪荷載的影響范圍一般不

10、超過120cm ,因此不必考慮同一車輛的其他軸載及相鄰車輛的軸載.參考文獻1余叔藩,陳仕周.大跨徑懸索橋鋼橋面瀝青鋪裝技術.中國公路學報,1998,11(3:182黃曉明,王捷.大跨鋼橋橋面鋪裝結構受力分析.土木工程學報,1999,32(1:153方萍,伍波.鋼橋面板及鋪裝的靜載試驗和有限元分析.華東公路,2000(4:254盧耀梓,卡申斯.橋梁工程中的有限條法.人民交通出版社,1985.4667Mechanics Analysis of Asphalt P avingon Steel Box G irder U nder V ehicle LoadingsG u X ingyu 1Deng

11、Xuejun 1Zhou Shizhong 2Zhou Jianlin2(1T ransportation C ollege ,S outheast University ,Nanjing 210096,China (2Joint 2S tock Lim ited C om pany of Jiangsu Y angzi Bridge ,Nanjing 210004,China Abstract :Referring to the actual fatigue cracking damage of asphalt paving on steel bridge ,calculation m odel is constructed using finite 2strip method to simulate the several positions of loads on steel deck.The stress and strain of the upper surface of asphalt paving are calculated to discuss the geometry orthotropic influenc