车辆荷载下钢箱梁沥青混凝土铺装受力分析-

1、第31卷第6期2001年11月东南大学学报(自然科学版JOURNA L OF S OUTHE AST UNIVERSITY (Natural Science Edition V ol 131N o 16N ov.2001车辆荷载下钢箱梁沥青混凝土铺装受力分析顾兴宇邓学钧周世忠周建林(东南大学交通学院,南京210096(江苏扬子大桥股份有限公司,南京210004摘要:本文参照实际工程中钢桥面沥青混凝土铺装疲劳开裂这一主要破坏形式,应用有限条基金项目:国家自然科学基金资助项目(59878014.交通部重庆公路科学研究所.交通部重点科技项目特大跨径桥梁铺装层与正交异性桥面板的受力分析和理论研究.国外

2、专题情报资料,1999.2830,3542.大跨径钢桥一般采用扁平流线型钢箱梁和薄层沥青混凝土铺装,这有利于减轻桥梁恒载重量,提高结构承载力,从而可以进一步加大桥梁的跨径.但是,桥面板是由钢箱梁盖板、纵向加劲肋、横隔板以及沥青铺装层组合而成的,结构的特性决定了其受力的特殊性,因此,对于直接承受行车荷载的铺装层,不应仅仅从材料的角度来考虑,而应该在结构分析的基础上,结合材料特性,设计适合桥面结构特性的铺装层结构.根据近年来钢桥桥面铺装的破坏情况看,由于纵向加劲肋的作用,铺装层顶面局部承受较大的负弯矩,在车载的长期反复作用下,铺装层表面出现疲劳裂缝的情况较多.裂缝的产生导致雨水渗入,引发钢桥面板锈

3、蚀,使得桥梁结构整体性能下降、寿命缩短,因此必须预测及限制裂缝的产生.从现有的国内外关于钢桥面桥面铺装的研究情况来看,研究内容主要集中在材料方面1,即利用各种手段改善材料的性质或者研究发展新的铺装材料,而对于钢桥面铺装层的受力特性的研究较少.由文献知,除了通过加载试验研究外2,3,一般根据两端固端的梁理论来近似模拟加劲肋的支撑作用.即使利用有限元方法进行分析,在桥梁横截面方向有限元模型中仅仅选取56个加劲肋,也不能完全说明问题.本文以江阴大桥桥面铺装为研究对象,运用有限条法分析桥面铺装层的受力机理,为合理确定钢桥面铺装层的结构设计提供理论参考.1计算模型1.1桥面系力学模型图1桥面系统计算模型

4、由图1所示的桥面系计算模型来看,由于桥面的各部分几何形态比较规则,可以采用有限条法进行分析,将面板在纵向加劲肋支撑处离散为若干个矩形条,每一根加劲肋则离散为3根有限条元,横向隔板可以看作简支处理,桥面系统条元划分见图2.为了提高分析精度,对于每一根条元,采用具有中间辅助结线的高阶有限条,每根结线具有挠度及转角2个自由度.在荷载作用下,其同时具有平面内位移和平面外弯曲2种变形,在线弹性范围内,可以假定平面应力作用与弯曲作用互不耦联,所以可以分别对待处理.根据文献1,弯曲条元的位移函数为W (x ,y =rm =1(a 1+a 2x +a 3x 2+a 4x 3+a 5x 4+a 6x 5Y m

5、(y 图2桥面系统条元划分114为条元号,为结线号平面应力条元的位移函数为U (x ,y =rm =1(a7+a 8x Y um y V (x ,y =rm =1(a9+a 10x Y vm y桥面几何尺寸见表1,设计荷载见表2.表1几何尺寸m箱梁顶板尺寸宽厚横隔板间距U 肋尺寸上口宽中到中间距沥青铺装层厚度29.50.0123.20.30.60.05表2设计荷载荷载等级标准车质量/kN 总后轴轮胎标准压力/MPa轮胎接地长度/m纵向横向汽超20级2001300.7070.20.46图 3桥面板加载位置示例图2计算分析2.1加载位置对铺装层的受力影响车辆在桥面板横向有许多种加载位置,但与纵向加

6、劲肋的相对位置大致有图3所示的4种;在桥面板纵向的加载位置一般取两横隔板跨中和1/4跨2种.针对横向4种加载方式,具体计算铺装层表面各点的应变,比较它们的大小,结果如图4所示.分别在两横隔板跨中及1/4跨处加载,具体计算铺装层表面各点的应变,比较它们的大小,结果如图5所示.由图4、图5可以得出以下结论:1加载位置对铺装层内的应变大小有一定的影响,在横向位置上,加载方式4引起的铺装层上表面横向最大拉应变值最大;纵向位置上,跨中加载较为不利.2铺装层上表面各点横向应变沿横向分布以U 肋肋顶为支点呈正负交替、且很快收敛为零的趋势.拉应变的影响距离为120cm 左右.由图6可以看出,与荷载相临的7号肋

7、线上的纵向应变在数值上很小且大多数为正值,对铺装层上表面产生裂缝影响很小,横向应变均为负值且数值较大,这有力地证明了钢桥面沥青铺装层易出现纵向裂缝这一工程现象.91第6期顾兴宇等:车辆荷载下钢箱梁沥青混凝土铺装受力分析2.3横向车辆荷载对铺装层受力的影响大跨径钢桥桥面一般有6个车道,交通繁忙时会出现2辆或3辆重车并排运行情况,车辆荷载相互交差作用,对铺装层的受力的影响,可以通过计算来分析.2辆并排行使的汽20标准车.一般情况下,车辆间距如图7所示,即相邻车后轴外侧轮距为1.95m ,标准车自身后轴轮距为1.8 m.图6铺装层中纵向、横向应变图7标准车与相邻车轮距布置根据得出的结论,横向应变的影

8、响距离为120cm 左右,而相邻的并行车辆轮距以及标准车后轴轮距均大于120cm ,它们相互间的影响极小,可以不予考虑.3结论1由于U 型肋的加劲作用,桥面系统几何正交异性特性明显,铺装层在车轮作用下纵向应变明显小于横向应变,横向应变起控制作用.2在桥面横断面上临近车轮荷载的U 型肋一侧肋线上出现横向最大拉应变.3由于U 型肋的支撑作用,车轮荷载的影响范围一般不超过120cm ,因此不必考虑同一车辆的其他轴载及相邻车辆的轴载.参考文献Mechanics Analysis of Asphalt P avingon Steel Box G irder U nder V ehicle Loading

9、sG u X ingyu 1Deng 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 influence of steel deck on asphalt pa