大跨度钢箱梁结构桥面铺装早期破坏的分析_图文

1、第35卷第1期2008年1月浙 江 大 学 学 报(理学版Journal of Zhejiang University(Science Editionhttp:/ww Vol.35No.1Jan.2008收稿日期:2006-12-15.作者简介:潘伟兵(1978-,男,硕士,主要从事道路、桥梁建设管理与研究.大跨度钢箱梁结构桥面铺装早期破坏的分析潘伟兵(厦门路桥建设集团有限公司,福建厦门361026摘 要:通过对一国内某悬索桥的桥面铺装早期开裂的分析,结合现场裂缝检测、钻芯取样试验得出:¹利用有限元方法进行悬索桥桥面铺装应力分析,必须考虑荷载作用下U 形肋加强处的负弯矩效应,通过实体

2、单元与板单元相结合的方法模拟箱梁与桥面铺装;º钢桥面板U 形肋结构参数的最优化设计是防止桥面铺装早期开裂的有效方法.关 键 词:悬索桥;桥面铺装;早期开裂;U 形肋中图分类号:T U 352 文献标识码:A 文章编号:1008-9497(200801-117-04PA N We-i bing (X iamen Road and Br idge Cons tr uction Gr oup Cor p or ation L imited ,X iamen 361026,ChinaAn analysis of premature damage of long span stee-l box

3、 -girde -bridge deck pavement.Jo urnal o f Zhejiang U niv ersity (Science Editio n,2008,35(1:117120Abstract:A suspension br idge in China is taken as an ex ample to investig ate t he mechanical characterist ics of prema -tur e damage of lo ng span stee-l box -g irde -bridg e deck pav ement.Both t he

4、 core sampling test,field ex per iment s and a 3-dimensional F E mo del for the w hole bridg e ar e used in the research.As indicated in the analysis,the stress o f deck pav ement is analy zed.It is necessary to co nsider the neg ativ e bending moment at the /U 0girder,and both the 3D so lid element

5、 and shell element ar e used to simulate the sat ee-l bo x -g ir de and the pav ement.Besides the optimiza -tion desig n of the /U 0girder is an effect ive means to prevent the pr ematur e damag e of pavement.Key words:suspension bridg e;deck pavement;premature cracking;the /U 0girder悬索桥桥面铺装容易出现开裂、滑

6、移等早期破坏,即便采用了力学性能十分优越的铺装材料(如改性沥青SM A 、环氧沥青混合料等,仍然未能达到预期效果.悬索桥的桥面铺装应力分析,涉及大尺寸结构的细部分析问题,对此类结构进行有限元离散时,通用的方法是应用圣维南原理,将所要分析部位附近的结构/切0出来,用事先算得的截面节点应力作为外力加到截断面上来进行.为保证/切0断后的模型能反映实际结构的力学性能,这种方法需要通过设置零反力约束支座来消除刚体位移,而且截断的范围也不易确定,实际使用中有不少困难.本文采用板单元与实体单元相结合的方法1,对一3跨悬浮式悬索桥结构的桥面铺装早期开裂问题进行了分析,并结合计算结果对预防早期开裂的方法作出了建

7、议.1 悬索桥桥面铺装早期开裂实测1.1 裂缝分布状况钢桥面铺装在使用初期即出现纵向裂缝、横向裂缝甚至环状裂缝,且裂缝的位置多出现在行车道两侧轮迹带的U 形加劲肋的肋顶以及横隔板上方2,3.对国内某悬索桥桥面铺装的调查发现:纵向裂缝的间距在30cm 左右,与纵向U 形加劲肋的开口宽度相当.随着交通荷载的继续作用以及自然环境因素的影响,原有的裂纹将逐渐发展成鱼骨状甚至网状,并继而导致铺装层碎块、坑槽等.修补一年后(防水胶层未修补,重车道轮迹位置出现零星纵向裂缝,裂缝基本平行,逐渐发展,个别呈月牙形或网状,之后产生坑槽.1.2 裂缝产生机理分析裂缝整个发展过程为开裂、发展、密集、坑槽、坑槽增大.出

8、现裂缝处,钻芯取样发现芯样保持完整,面层与底层粘结牢固,下面层未出现裂缝.超载车较少的车道,其超车道基本无病害,甚至裂缝都很少.这说明裂缝从上往下发展,行车荷载特别是重车荷载在桥面板加强肋处产生的负弯矩是桥面铺装早期开裂的主要因素和直接因素.2 有限元模型建立对于悬索桥此类超大结构的桥面铺装开裂问题的研究,研究者普遍采用实桥荷载试验4,5、有限条方法6、截取某一梁段法8、模型试验等,上述方法可以帮助研究者获得相关数据,但无法代替整桥有限元模型下桥面铺装的应力分析.2.1 主梁与桥面铺装钢箱梁采用的钢板厚度一般为12mm 左右,而其长度和宽度均在几十米以上,因此可看作薄板结构.顶板在荷载作用下的

9、主要效应是板的弯曲,为了考虑钢板和桥面铺装的共同作用,在进行有限元计算时,按叠加抗弯刚度的方法来处理顶板上带铺装的单元,将各铺装层和钢板层的抗弯刚度叠加,得到一个总和的等效抗弯刚度.按刚度值相等的原则,以单层钢板来代替多层材料构成的板进行单元刚度矩阵的计算.2.2 主缆与吊杆用于模拟悬索桥主缆和吊索的单元类型一般为:杆单元、曲线单元、悬链线单元及抛物线单元;但由于进行有限元计算时主缆需离散为很多个单元,若采用结点间相互铰结的缆索单元,则整个结构成为几何可变体系,无法求解.为解决上述问题,采用节点间刚结的梁单元(梁单元的抗弯刚度很小,可以反映主缆的柔性来模拟主缆;吊索采用三维杆单元模拟,吊杆与主

10、缆铰结.由于大跨度悬索桥结构尺寸与桥面铺装厚度相差5个数量级左右,无法将整桥离散为实体单元进行计算;而为了得到桥面铺装的较精确的应力分布,必须将桥面铺装用实体单元离散.因此本文采用板单元模拟钢箱梁、实体单元模拟桥面铺装,利用对称性,取1/4模型进行有限元计算.计算模型的结构参数参照国内某悬索桥的结构参数:顶板厚12mm 、底板与横隔板厚10m m 、U 形肋厚6mm 、主缆直径57cm 、吊杆直径57mm.(见 图1.图1 三跨连续悬索桥计算模型F ig.1 T he calculation model o f 3-span continuoussuspensio n br idg e2.3

11、荷载与边界条件文献4的研究表明:悬索桥结构在动荷载作用下的冲击效应不明显,因此本文采用静荷载模型进行计算.文献57的研究表明:计算U 肋肋顶桥面铺装最大拉应力时不必考虑同一车辆的其他轴载及相邻车辆的轴载.为模拟重车荷载(双轮作用下桥面铺装的受力,本文采用轮载接触压力为0.7mPa 、单轮接触面积15cm 23cm 的均布双轮荷载,荷载作用位置关于桥面纵轴和桥面横轴对称分布.进行有限元计算时,将面荷载按矩形单元等效结点力的计算方法转换为结点荷载,如图2所示.图2 有限元模型计算荷载示意图Fig.2 T he FEM load model本文不考虑温度变化、风荷载等的影响.为计算简单,在不影响车轮

12、荷载作用下桥面铺装受力的前118浙江大学学报(理学版 第35卷提下,取位移边界条件为:主梁两端固支;主缆两端固支,主缆于索塔处竖向、横向约束.3 有限元模型计算与结果分析经过多次试算发现,将整桥1/4模型离散为43个梁单元(主缆、40个杆单元(吊杆、10000个实体单元(桥面铺装、16000个板单元(钢箱梁时计算结果收敛且满足精度要求(对模型进一步细分计算结果影响小于0.01%,计算结果如下.对于本文2.2所建立的计算模型,由于加劲肋的作用,桥面板对车辆荷载的应力响应具有很强的局部性,桥面铺装在靠近荷载作用位置的第一个U 形肋处承受较大的负弯矩(桥面铺装顶面受拉,底面受压,荷载作用中心承受较大

13、的正弯矩(桥面铺装顶面受压,底面受拉,应力应变在荷载附近的两个加劲肋宽度范围内出现峰值.桥面铺装层顶面各点弯拉应变沿桥面横向分布以U 肋肋顶为支点呈正负交替,且很快收敛为零,如图3、图4所示(正值为拉应变、负值为压应变,最大弯拉应变出现在距离轮载中心最近的U 形肋顶,拉应变值为2000L E ,最大压应变为-4600L E .4 桥面铺装使用寿命目前悬索桥桥面铺装主要采用改性沥青SM A等材料,在10.512e 的实验温度下进行的改性沥青SM A 样本疲劳试验结果见图5,在上述计算模型的荷载作用下,桥面铺装的疲劳寿命为2万次左右,从而导致桥面铺装的早期开裂 .图5 改性沥青SM A 抗弯拉疲劳

14、性能示意图Fig.5 Bending fatigue -resistant performance of the SM A5 结 论U 形肋和横隔板加强处负弯矩引起的弯拉应力使桥面铺装的实际抗疲劳寿命大大低于设计值.计算发现,U 形肋的间距小于双轮轮载的宽度时,桥面铺装的最大拉应变在2000L E 以内,而当U 形肋的间距大于双轮轮载的宽度时,桥面铺装的最大弯拉应变将急剧增加到20003000LE 以上.因此在不改变箱梁自重的前提下,U 形肋的间距、厚度、高度等参数的适当调整是降低桥面铺装拉应力的有效方法.参考文献(References:1 潘伟兵.长大桥梁的裂缝影响分析J.公路交通科技,20

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