%92%a2箱梁桥面柔性铺装荷载响应力学分析

第22卷第4期长 沙 交 通 学 院 学 报VOI.22NO.42006年12月JOURNAL OF CHANGSHA COMMUNICATIONS UNIVERSIT Dec.2006 文章编号：1000-9779（2006）04-0017-05钢箱梁桥面柔性铺装荷载响应力学分析杨建军1，周志刚1，刘小燕2（1.长沙理工大学公路工程学院，湖南长沙 410076；2.长沙理工大学桥梁与结构工程学院，湖南长沙 410076）摘 要：根据线弹性理论和层状体系理论，用有限元分析方法对钢箱梁桥面铺装层的弯沉量、层顶弯拉应力、粘结层与桥面板结合处的主剪切应力的分布与变化进行了计算与分析，确定了最大弯沉量、最大弯拉应力和最大层间剪切应力的产生位置及其量值。

研究结果可以为大跨径钢箱梁桥面柔性铺装设计提供理论参考。

关键词：钢箱梁；桥面铺装；力学分析；有限元中图分类号：U443.33 文献标识码：A收稿日期：2006-05-21基金项目：湖南省自然科学基金重点项目（04JJ6027）作者简介：杨建军（1975-），男，长沙理工大学讲师，硕士生. 大跨径钢箱梁桥面铺装一直是国际性的工程技术难题，国内外大跨径钢箱梁桥面铺装在使用年限内发生破损的情况屡见不鲜，因此，对大跨径钢桥面铺装技术的研究受到学术界和工程界的高度重视［1］。

我国目前已建成并投入使用的大跨径钢箱梁正交异性桥面板桥梁有20余座，绝大部分桥面铺装的使用年限不超过其设计服役期的一半，许多桥梁通车后不到两年时间桥面铺装即出现严重的铺面开裂和粘结层失效等结构性病害。

因此有必要对钢桥面铺装体系在荷载作用下的力学性能进行更深入地研究分析，从而有效地指导工程结构和材料的设计。

交通荷载是桥面铺装所承受的主要荷载类型，而通常情况下交通荷载的主要力学形式为垂直作用于铺装结构表面的重载压力。

在本研究中，借助通用有限元分析软件，依据线弹性理论假设，建立钢箱梁桥面铺装体系的有限元模型［2，3］，主要针对结构在轮载压力作用下的力学性能、分布特征、极值量纲等方面进行计算与分析，以期为桥面铺装层的结构和材料设计提供理论参考。

1 计算模型1.1 模型的基本假定根据桥面铺装体系的特点和计算目标的要求，构建的有限元分析模型假定为：!所有纵肋、横隔板、纵腹板（翼板）均与桥面板连续焊接，纵肋与横隔板的搭接处也采用连续焊接；"桥面板（钢板）与铺图1 肋的截面尺寸（单位：mm ）装层之间、铺装层的各分层之间均为连续完全接触；#组成模型的所有材料均为理想的线弹性，且各向同性；$模型不考虑自重的影响，即所有材料都不分配质量。

1.2 模型的结构参数梯形加劲肋的截面尺寸如图1所示，肋的厚度为6mm ，两相邻加劲肋的中心间距为600mm 。

横隔板间距为3200mm ，厚度为10mm 。

纵腹板（翼板）的间距为4200mm ，厚度为10mm 。

桥面板上的铺装结构分成3层（如图2所示），从下至上依次为：粘结层、下铺装层、上铺装层。

桥面宽度为2X 4.2m ，包图2 桥面板及其铺装的层状结构括3块纵梁（腹板），分别在桥面的横向两侧和桥面中央进行布置，由于钢箱梁通常不设置中腹板，所以，在一般计算过程中，对该腹板分配非常微弱的材料和结构（厚度）参数（这样处理后，虽然在模型上该结构依然存在，但力学性能近乎一张薄纸，对结构的力学表现的贡献微乎其微，等同于虚设）。

桥面长度为4X 3.2m ，包括5块横隔板。

1.3 模型的材料参数桥面板、加劲肋、纵腹板（翼板）以及横隔板均采用16Mn 低合金钢，弹性模量为2.1X 105Mpa ，泊松比为0.3；粘结层的弹性模量为300Mpa ，泊松比为0.25；下铺装层的弹性模量为400Mpa ，泊松比为0.25；上铺装层的弹性模量为700Mpa ，泊松比为0.25［4］。

1.4 结构的自由度约束和荷载布置计算荷载选用双轮组单轴荷载，轮距为1.8m ，轮着地宽度（横桥向）为0.6m ，长度（纵桥向）为0.2图3 荷载的平面布置m ，轮胎接地压强为0.7Mpa ［5］。

结构模型的约束条件模拟缆索的约束形式，实施关键点约束，即在模型的4个底角点（纵侧腹板和端横隔板的结合脚点）进行施加，沿桥向近端的2个底角点实施!"，!#，!$位移约束，远端的2个底角点实施!#，!$位移约束。

轮载在模型平面上的布置如图3所示，轮轴布置在距模型前沿的4.8m 处，即模型由横隔板分割的第2跨的跨中。

左侧轮胎中心距模型纵向中分线（模拟道路中央分隔线）的0.9m 处，即右半幅路面从左数第2根肋的正上方。

1.5 分析路径的定义图4 路径的定义为了便于对数据进行分析整理，在本研究中，采用了路径分析方法，即根据结构特性及荷载作用位置，确定能够反映力学分布及变化特性的特征路径，然后将计算数据映射到特征分析路径上并将其图像化，从而简洁直观地对结构的力学响应特性进行描述与分析。

在本研究中，将横隔板分隔的荷载布置区域半幅路面作为重点分析区域，并建立3条分析路径，如图4所示，由左右轮载中心定义的一条横线（+"方向）为第1路径，通过左轮载中心沿纵向（-$方向）延伸的线为第2路径，通过右轮载中心沿纵向（-$方向）延伸的线为第3路径。

通过计算与分析可知，第3路径与第2路径所描绘的力学分布特性接近，因此对第3路径的分析省略。

2 铺装层的弯沉量计算与分析为了考察模型结构的铺装层顶面在荷载作用下的弯沉效应，根据计算结果绘制了弯沉量等值图，如图5所示。

图形显示出铺装层面的弯沉量分布，并且由于纵肋的加劲作用，使得路面弯沉量在纵向上有81 长 沙 交 通 学 院 学 报 第22卷图5 铺装层弯沉量分布一定扩散作用，这就是纵肋降低应力集中、外荷载降幅扩散现象的直观表现。

将铺装层顶面的弯沉量计算结果映射到定义的路径上，并绘制弯沉量在路径上的线性图，如图6，7所示。

根据图6，7可知，铺装层顶面的弯沉量在左右两轮载的中心处产生2个峰值点，最大弯沉量约为7mm ，荷载作用区域的相对弯沉量不超过2mm 。

根据经验判断，这样的弯沉量对铺装体系而言是可以接受的，说明桥面铺装体系结构的刚度能够满足交通要求［6］。

图6 第l 路径上的弯沉量分布图7 第2路径上的弯沉量分布!"铺装层层顶弯拉应力计算与分析在使用初期或设计年限内出现纵向裂缝和横向裂缝是钢桥面铺装的常见病害，裂缝的位置均出现在行车道两侧轮迹带梯形加劲肋的肋顶以及横隔板上方的铺装，纵向裂缝的间距与纵向梯形肋的开口宽度相当，而且沿纵肋的布置产生并发展，横缝的发生位置及延向基本与横隔板的布置位置一致［7］。

铺装层开裂的主要原因是由钢箱梁的正交异性桥面板力学结构引起的，由于面板的承载刚度不均匀，在纵向加劲肋与横隔板处刚性较大，在交通荷载作用下，铺装在加劲肋与横隔板顶端表现为负弯矩，铺装层顶产生拉应力，在交通荷载的反复作用下出现疲劳开裂。

通过对铺装层层顶弯拉应力的计算与分析，可以描绘其在结构上的分布特性，并进一步认知其导致铺装层开裂的力学机理，进而为结构优化设计和铺装层材料设计提供理论指导。

在轮载压力作用下，将铺装体系的铺装层顶弯拉应力计算结果映射到第l ，2路径上，并绘制路径分布图，如图8，9所示。

图8 第l 路径上的!!分布图9 第2路径上的!"分布9l 第4期 杨建军，周志刚，刘小燕：钢箱梁桥面柔性铺装荷载响应力学分析分析图8，9可知：在第l路径上，荷载作用位置的两侧肋缘顶部出现弯拉应力峰值，量值约为0.337 Mpa，这种弯拉应力的峰值现象是导致桥面铺装纵向裂缝产生的原因；在第2路径上，弯拉应力峰值产生于路径两端的横隔板位置，量值约为0.035Mpa，这是导致桥面铺装层在横隔板顶部出现横向裂缝的原因。

第l路径上的弯拉应力最大值要远大于第2路径上的弯拉应力最大值，由此可以判断：一般情况下，纵向裂缝应先于横向裂缝产生。

当然，第2路径上的极值大小与荷载的纵向布置有着很大关系，随着荷载向一端横隔板靠近，其值也将逐渐增大，这需要另外进行最不利荷载布置的力学分析。

!"粘结层底部的剪应力计算与分析铺装层的脱板现象（即粘结层失效）是钢桥面铺装最严重和最棘手的病害之一，在荷载作用下，为了考察桥面铺装层出现此现象的力学表征，特分析铺装的粘结层底部，即铺装与桥面板结合部的剪切应力分布，并将计算结果映射到分析路径上，绘制剪切应力分布线形图，如图l0，ll所示。

图l0 第l路径上的!!"分布图ll 第2路径上的!!#分布分析图l0，ll可知：在交通荷载作用下，铺装结构粘结层底部的主剪切应力在路径上的分布是关于荷载作用位置反对称的。

在第l路径上，!!"受纵肋加劲作用的扰动在肋的翼缘顶部出现一系列峰值，为了更清楚地显示峰值点产生的路径位置，特将第l路径上的峰值点编号标于路径结构上，如图l2所示。

由图l2可以看出，剪切应力最大值出现在荷载作用位置邻近的肋缘顶部，其值约为2.46Mpa。

第2路径上的!!#峰值出现在荷载位置附近，最大值约为0.l3Mpa，较之横向上的峰值要小。

而根据贯入式试验，普通沥青混合料的抗剪强度一般不超过l Mpa，这一强度远低于本研究中计算值的要求，似乎不可思议。

比较合理的解释为：!说明结构的设计存在着某种缺陷，导致粘结层底剪切应力在局部位置集中现象非常明显，超出了材料所能承担的范围；"由于结构的特性所致，粘结层材料在局部位置的剪切强度不足是不可避免的。

由于极限剪切应力的分布面积有限，所以邻域的粘结层仍然发挥着粘结性能，保证了铺装层不至于漂浮在桥面板上，使得桥面板与铺装层形成有先天缺陷的联结体。

图l2 第l路径上!!"峰值点在结构上的位置02长沙交通学院学报第22卷5 结 论1）铺装层顶的最大弯沉量产生于荷载作用位置的中心点，而且在荷载作用区域相对弯沉量不超过2mm ，说明计算结构的刚度是满足交通要求的。

2）通过对铺装层顶弯拉应力的计算并分析其特征路径分布、受肋板结构的约束可知，应力集中现象较为明显，在荷载作用位置邻近的肋缘顶部和横隔板顶端出现弯拉应力极值，这与工程实际中产生的纵向和横向裂缝的位置相符。

需要注意的是：铺装层顶弯拉应力极值约为0.34Mpa 的计算结果是仅考虑交通荷载的压力作用。

若考虑双轮荷载的压力分布不均衡性、行驶轮载的摩擦水平力及其他类型荷载的参与耦合作用，桥面铺装的层顶实际弯拉应力值会较该计算结果更高。

3）粘结层底的剪切应力在肋缘顶端出现一系列的峰值点，最大剪切应力出现在荷载作用位置邻近的肋缘顶部，其值约为2.46Mpa ，这一量值甚至远超过一般沥青混合料所能承受的抗剪强度，这对桥面铺装产生严重的粘结失效问题给出了初步的力学肇因。

同时也说明：钢箱梁结构设计在满足规范要求的前提下需进一步优化，正交异性钢桥面结构不仅要满足整桥结构刚度要求，而且也要符合铺面能够长期服役的力学环境要求。