杭州湾跨海大桥钢箱梁桥面铺装病害分析与预测

实用文档杭州湾跨海大桥钢箱梁桥面铺装病害分析与预测引言从国内外大型桥梁的使用经验来看，由于重载及超载车辆大量存在，桥面铺装是桥梁使用过程中最易也最早出现病害的部位［1］。10日前后，江汉、江淮、西南地区东部、江南大部、华南北部有一次小到中雨过程，其中江南北部和西部、华南西北部的局地大到暴雨。15日起，西北地区东部、青藏高原及中东部地区将出现一次较大范围降水和降温过程。杭州湾跨海大桥于2008年建成通车，全长36km，双向六车道，南北航道桥采用钢箱梁结构。根据2017年钢桥面铺装病害调查结果，路面车辙深度指数RDI和路面抗滑性能指数SRI在全路段基本评价为优，而在行二车道和行三车道铺装层存在不同程度的裂缝、块裂及坑槽等病害，路面状况指数PCI基本评价为良，进而导致相应路段路面行驶质量指数RQI也偏低，已经影响到行车安全。裂缝是杭州湾跨海大桥钢桥面铺装的主要病害。钢桥面铺装的力学分析方法主要有解析法和数值法两种。由于钢桥面铺装的力学行为与钢箱梁的力学特征密切相关，在行车荷载、环境条件等多因素的综合作用下，解析法难以得出令人满意的结果。目前国内外研究人员多采用基于有限元的数值法，通过建立包含桥面铺装结构层的钢箱梁或钢桥面板空间三维模型，在其上施加相关作用来实现对实际铺装层荷载工况的模拟和分析，从而了解和掌握钢桥面铺装的力学特点［2—3］。在对杭州湾跨海大桥钢桥面铺装进行病害调查的基础上，通过ANSYS建立力学模型，分析钢桥面铺装病害产生原因；结合钢桥面铺装养护历史、历年检测数据和累计交通量数据，得到杭州湾跨海大桥钢桥面铺装PCI预测模型。1ANSYS模型的建立1.1钢桥面铺装结构杭州湾跨海大桥北航道桥为钢箱梁斜拉桥（双塔斜拉）。位于桩号K1383+069—K1383+977之间，桥面净宽为34.6m，中央分隔带宽2.0m，两侧风嘴宽为1.25m，钢桥面板总长为908m；南航道桥为100m+160m+318m三跨连续钢箱梁斜拉桥（单塔斜拉）。位于桩号K1395+037—K1395+615之间，桥面净宽为34.6m，中央分隔带宽2.0m，两侧风嘴宽为1.25m，钢桥面板总长为578m。北航道桥和南航道桥采用美国双层环氧沥青施工完成，结构见图1。图1杭州湾跨海大桥钢桥面铺装结构1.2基本假定和计算参数采用有限元方法对正交异性钢桥面铺装体系进行力学分析时，遵循假定［4］：（1）环氧沥青混凝土铺装层连续的、完整弹性的、均匀的和各向同性；（2）铺装层与钢板的层间接触完全连续；（3）为计算方便，粘结层与铺装层视为一体，不再分开考虑；（4）分析车轮荷载作用影响时不计正交异性钢板和铺装层的自重；分析桥面铺装完成初期铺装层内初始应力状态时需要考虑铺装层自重的影响。有限元计算主要涉及钢材和环氧混凝土两种材料，主要计算参数见表1。表1有限元模型材料参数项目计算参数环氧沥青铺装层厚度（mm）25+25钢板泊松比0.3环氧沥青铺装层泊松比0.25钢板弹性模量（MPa）210000环氧沥青铺装层弹性模量（MPa）1000～20001.3单元划分研究钢箱梁受力特性是分析铺装结构层力学行为的基础，需要考虑桥梁的整体结构（第Ⅰ体系）、钢箱梁局部结构（第Ⅱ体系）及包含纵横桥向加劲结构的正交异性板桥面系（第Ⅲ体系）的综合影响。正交异性板的局部效应很强。根据圣维南原理，在局部静力作用下其受力主要是局部梁段结构的影响。因此，有限元模型截取原桥3道横隔板间的梁段（L=7.5m）为研究对象，采用板单元模拟钢箱梁各板件，空间实体单元模拟环氧沥青混凝土铺装层，且环氧沥青混凝土与钢箱梁接触面单元共节点。由于结构关于箱梁中心对称，因此建模时仅建1/2钢箱梁，对箱梁中心处各节点采用了面对称约束；模型端部截面各节点约束其顺桥向和竖向平动位移、横桥向转角位移。模型共81309个单元，其中板单元61309个，实体单元20000个。钢箱梁节段模型见图2。图2钢箱梁节段+环氧沥青铺装复合模型1.4加载模型结合行驶车辆的实际情况，将车辆荷载按其后轴轴数及轮组数分为单后轴单轮组、单后轴双轮组和双后轴双轮组三大类。钢桥面铺装中轮载作用下的横桥向应变影响范围一般不超过120cm，而相邻的并行车辆轮距以及标准车辆后轴距均大于120cm，它们相互之间的影响很小，可以不予考虑；且单轮荷载模型与双轮荷载模型计算结果有比较大的差别，采用双轮荷载模式更符合实际。因此，计算按照单轴双轮组模拟车轮加载工况。“乔”字是较为常见的。该字经常用于人名、地名、姓氏、植物名，如王子乔、乔山、乔吉、连乔，亦用于表达某种美好的祝愿，如乔松。该字从其本义“高而曲”开始，在共时的演变与历时的发展中，向着两条线不断的发展。一条线就是继续往着“更高”更好的方面引申，此时乔字带有褒扬的感情色彩，如乔桀、乔迁等。另一条线就是朝着“过高”过好的方向演变，其内涵是有贬低的感情色彩的，如乔人物、乔家公等。依据《公路工程技术标准》（JTGB01—2014）［5］，局部模型加载时采用550kN的车辆荷载。其最大轴载为140kN，后轴一侧轮组为双轮组，则单个轮载为35kN，按标准轮胎接地压力0.7MPa计算，则单轮接地面积应为0.05m2，取单轮接地宽度为20cm，相应接地长度为25cm；两轮侧间距为10cm，双轮矩形均布荷载几何形式见图3。考虑到实际通行的车辆荷载（特别是轴载）较大，计算中考虑1.3倍的冲击提高系数，即轮胎接地压力取0.91MPa。图3双轮矩形均布荷载形式（mm）2钢桥面裂缝产生机理分析根据现场调查，裂缝（特别是纵向连续裂缝）是环氧沥青混凝土铺装的典型病害之一。杭州湾跨海大桥钢箱梁桥面出现了很多纵向、连续裂缝，且主要位于行二和行三车道轮迹带上；通过对裂缝横桥向位置的测量，基本确定裂缝位于U形加劲肋正上方附近，裂缝病害典型照片见图4。同时，钢桥面上也有不少横向短裂缝，多位于行车道上钢箱梁横隔板附近铺装层内。由力学分析可知，影响铺装层内拉应力大小的主要因素包括车轮荷载与加载位置、材料模量、温度、梁体变形量（率）等。考虑多种因素的综合影响，对行三车道铺装层弹性模量E=2000MPa、车轮胎压1.38MPa、降温工况进行组合分析，主要计算结果见图5～图7。可知，在组合因素作用下，铺装层内的横桥向最大拉应力达到了1.715MPa的水平，顺桥向最大拉应力也达到了1.175MPa的水平，而最大剪应力在不考虑水平力因素影响的情况下也达到了0.326MPa的水平，各项应力指标均为单一因素分析时的3～5倍的水平。如再考虑钢箱梁梁段大变形导致的次生应力，则铺装层内最大拉应力将接近3MPa、最大剪应力将超过0.5MPa的水平。时间白驹过隙，时代稳步前行。新动能引擎正在打开，传统动能重新焕发生机和活力。一代代企业家粉墨登场，一个个新行业雨后春笋。在常用的电视节目编辑中，采用TC码并不陌生，特别是在线性为辅助的制作中，电视台运用时间码的技术占有很大的优势。在电视制作过程中，编辑和制作人员进行画面剪辑的时候，容易出现打点不准，不同步等情况，这是当前的制作方式中常见的问题。在摄像机放相机非线性编辑系统等各种电视制作编辑设备中，有着不同步的情况。拥有TC码这种功能是由于技术习惯，采用了磁信号控制，也就是TC码在线性和非编辑线性系统中拥有的功能，知道了节目的位置和时间。那么使用时间码进行编辑，要注意清零点不会复位的情况，每一个时间码在运用上各自有着信息上的不同，但是每一个信息码中都含有丰富的内容。这是CTL控制磁机信号和TC时间码的区别所在。图4钢桥面铺装的典型裂缝形式图5组合因素作用下的铺装层最大横桥向拉应力分布（MPa）图6组合因素作用下的铺装层最大顺桥向拉应力分布（MPa）图7组合因素作用下的铺装层最大剪应力分布（MPa）应力是在“环氧沥青混凝土铺装层是连续的、完整弹性的、均匀的和各向同性的”这一假定条件下计算得到的，与桥面铺装层实际的应力水平存在一定出入，即材料的不均匀性、施工的质量偏差、层间的局部脱离等客观问题的存在会对铺装层内的实际应力分布及大小产生影响。对照表2常用环氧沥青材料力学性能指标和表3本桥试验段性能指标可知，计算得出的理论最大拉应力和剪应力水平均接近材料容许范围。人的命运很奇特，一个偶然的机会就能改变一生轨迹。当时八卦掌祖师董海川的大徒弟尹福在五王府任护院总管，宫宝田到王府送米的时候，偶尔能遇到尹福教弟子打拳。宫宝田小孩心性，看到了就忍不住在一边观摩比划。尹福见他的次数多了，就问他是不是想学武。宫宝田一听，立马就跪下磕头行了拜师礼。于是从此宫宝田就辞去了米房的差事，吃住都由尹福负责，专门跟着尹福开始学习八卦掌。表2常用环氧沥青材料性能指标性能参数类型参数值备注拉伸强度（MPa）8.21断裂延伸率（%）22820℃抗剪强度（MPa）3.1260℃抗剪强度（MPa）0.9620℃抗拔强度（MPa）3.04破坏面位于铺装层内部60℃抗拔强度（MPa）1.98破坏面位于铺装层内部表3本桥试验段材料性能指标粘结料抗拉强度≥6.9MPa（23℃）拉伸试验断裂延伸率≥190%（23℃）≥2.75MPa（23℃）与钢板涂装的粘结强度拉拔试验≥1.75MPa（60℃）3钢桥面铺装PCI预测模型根据同济大学孙立军教授课题组的研究结论［6］，式（1）的衰变方程具有极好的适应性，能正确反映路面使用性能衰变的全过程，拟合衰变的4种模式，且物理意义明确，可通过采用不同的参数取值模拟多种衰变过程。式中：PCI0—路面使用性能指标初始值，一般为100；y—路龄；A，B—模型参数，可用方程表达：Nguyen（2012）发现当首席执行官和董事属于同一社会网络时，CEO不太可能因为业绩不佳而被解雇，董事会成员和CEO之间密切的社会关系会影响董事会职能的发挥；Chahineetal.（2014）发现只有在控制董事会成员与高管的社交联系后，董事会独立性才能发挥效应。那么关于社会关系的度量又该如何展开呢？国外大部分学者的研究集中在工作经历、毕业院校、老乡、专业方面（Kramarzyetal.2007、Hwangetal.2009、Liu2010、Nguyen2011、Hoitash2011、Fracassietal.2012等）。式中：h—新建路面面层厚度（cm）；ESAL—标准轴次/天/车道；l0—初始弯沉（0.01mm）；λ、η、ζ、a、b、c、d—回归系数。式（1）为路面PCI性能衰变方程，桥面铺装与路面最大的区别是桥跨结构的存在，这使得桥面铺装结构在桥梁纵向上（跨中、边跨、支座等不同位置）受力特性有所不同。杭州湾跨海大桥钢桥面PCI（主要病害为裂缝）沿桥梁纵向的分布规律见图8，钢箱梁在汽车荷载作用下的变形见图9。图8PCI沿桥梁纵向的分布规律图9钢箱梁在汽车荷载作用下变形通过对病害分布统计分析可知，在钢箱梁横向相对坐标200～600m范围的跨中附近，PCI下降较多的位置往往也是钢箱梁在汽车荷载作用下变形幅度（含向上和向下）较大的部分，从统计意义上来说具有一定的规律性。因此，从钢桥面铺装力学计算和实际桥面铺装破损的分布来看，PCI与钢桥面所处的区段存在一定的相关性。为了较为确切的量化这种关系，研究在路面性能预测方程中引入钢桥面区段修正系数，将其定义为某钢桥面区段i的PCI均值与全桥PCI均值的比值。为了保证系数的规范化，对杭州湾跨海大桥钢桥面区段的修正系数进行标准化处理，使该系数处于0～1之间，故修正系数计算见式（7），钢桥面PCI铺装预测方程见式（8）。参考基于疲劳等效的钢桥面铺装体系轴载换算方法的相关研究成果［7］，将杭州湾跨海大桥通车以来的累计交通流量按照不同车型分类统计，换算得到累计当量轴载作用次数。根据公式，参照2017年杭州湾跨海大桥桥面铺装PCI检测数据，计算杭州湾跨海大桥钢桥面各区段修正系数。计算结果显示，钢桥面区段修正系数取值范围在0.94～1.0之间，且越靠近跨中取值越小，越靠近支点取值越大。经历年杭州湾跨海大桥桥面铺装PCI检测数据对模型标定后，PCI预测模型的相关系数R2=0.8436，见图10。验证结果表明，建立的钢桥面铺装PCI预测模型具有较好的适用性，与历史检测结果吻合度较高，进一步验证了预测模型的合理性。图10钢箱梁桥面PCI预测模型4结语（1）杭州湾跨海大桥钢桥面铺装的主要病害为裂缝。裂缝产生的主要原因是铺装层内最大拉应力和最大剪应力均接近材料允许范围。（2）钢桥面铺装PCI与钢桥面所处的区段存在一定的相关性。研究在路面性能预测方程中引入钢桥面区段修正系数，经标定后得到的钢桥面铺装PCI预测模型具有很好的适用性。参考文献：［1］黄成造.钢箱梁