趙會(huì)雨,何庭蕙,劉澤佳,湯立群

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東 廣州 510640)

我國(guó)近年來(lái)建成的大跨徑鋼橋,一般采用懸索橋和斜拉橋形式,這些橋梁又大都采用鋼箱梁.鋼橋面鋪裝計(jì)算方法有解析法和數(shù)值法兩種[1].P-E法是解析法中比較常用的計(jì)算方法,隨著有限元方法的日益成熟,數(shù)值法已成為正交異性鋼橋面鋪裝系力學(xué)分析的主要方法之一.應(yīng)用有限元數(shù)值分析方法分析正交異性板鋼橋面鋪裝系受力時(shí),需要考慮橋梁的整體結(jié)構(gòu)(第Ⅰ 體系)、鋼箱梁的局部結(jié)構(gòu)(第Ⅱ體系)及有縱橫加勁結(jié)構(gòu)的正交異性板橋面系(第Ⅲ 體系)的綜合影響[2].由文獻(xiàn) [2]可知,正交異性板的局部效應(yīng)很強(qiáng),根據(jù)圣維南原理,在局部靜力作用下其受力主要是局部梁段結(jié)構(gòu)的影響,受整橋的影響較小,故本文僅以第Ⅲ體系為研究對(duì)象分析正交異性板鋼橋面鋪裝層受力.根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[3],將車(chē)輛荷載按其后軸軸數(shù)及輪組數(shù)分為單后軸單輪組、單后軸雙輪組與雙后軸雙輪組 3大類(lèi)[4],本文僅研究雙后軸雙輪組車(chē)輛荷載對(duì)鋼橋面鋪裝層受力的影響.通過(guò) ANSYS分析在鋼橋面鋪裝中材料的力學(xué)行為,確定材料在鋼箱梁鋪裝層中橫向最不利荷載位置,重點(diǎn)研究不同車(chē)載模式對(duì)鋪裝層受力的影響,得到了各個(gè)主要力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律,為今后進(jìn)一步開(kāi)展鋪裝和箱梁結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ).

1 有限元模型描述

1.1 有限元各基本參數(shù)描述

1)單元選取.用彈性殼單元(SHELL63)模擬箱梁頂板、橫隔板和 U型加勁肋;用三維彈性實(shí)體單元(SOLID45)來(lái)模擬橋面鋪裝層建立三維模型[5].

2)模型材料選擇.鋪裝層采用改性瀝青 SMA鋪裝材料[6],彈性模量取 1000 MPa,泊松比取 0.25,鋪裝層厚度取 60 mm;正交異性板鋼材彈性模量取 206 GPa,泊松比取 0.3.

本模型認(rèn)為：鋪裝層與鋼橋面之間是完全連續(xù)的,各種材料都是線(xiàn)彈性的.不計(jì)鋼橋面和鋪裝層的自重.為了計(jì)算的方便,將粘結(jié)層和鋪裝層視為一體,不再分開(kāi)考慮.

3)邊界條件.在橫隔板底部完全固結(jié),鋪裝層和鋼橋面板在橫向的兩個(gè)邊界橫向約束[7].本模型鋼箱梁參數(shù)取自珠江黃埔大橋北汊主橋鋼箱梁參數(shù)[8].

1.2 車(chē)輪荷載描述

車(chē)輪荷載根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)[9]中公路-Ⅰ級(jí)采用的 550kN車(chē)輛荷載后軸軸重 140kN進(jìn)行加載.單輪加載時(shí),將每側(cè)雙輪轉(zhuǎn)化為單輪軸重 70kN,車(chē)輛與鋪裝層的接地面積為600 mm(橫向)× 200 mm(縱向),考慮 30% 的沖擊系數(shù),輪壓為 0.758 M Pa;雙輪加載時(shí),輪胎間隙取值 100 mm,荷載橫向作用范圍為 300+100+300 mm,輪壓仍為 0.758 M Pa.模型如圖 1,圖 2所示.

圖1 單輪荷載模型圖Fig.1 Model of the single wheel load

圖2 雙輪荷載模型圖Fig.2 Model of the double wheel load

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)[9]規(guī)定的公路-Ⅰ級(jí)和公路-Ⅱ級(jí)汽車(chē)荷載所采用的車(chē)輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值,后軸車(chē)輪縱向間距 1.4 m,橫向間距 1.8 m.后軸車(chē)輪平面布置如圖 3所示.

圖3 后軸車(chē)輪布置圖Fig.3 Position of the wheels with the rear bearing

圖4 荷位圖Fig.4 Loading positions

由文獻(xiàn) [10]可知,鋼橋面鋪裝中橫向應(yīng)變的影響距離為 120 cm左右,而相鄰的并行車(chē)輛輪距以及標(biāo)準(zhǔn)車(chē)后軸輪距均大于 120 cm,它們相互間的影響極小,可以不予考慮.故模型加載中,不考慮后軸橫向兩個(gè)輪子的荷載.模型中采用荷載：荷載 1為僅作用一個(gè)單輪荷載;荷載 2為縱向作用兩個(gè)單輪荷載,且縱向間距為 1.4 m;荷載 3為僅作用一個(gè)雙輪荷載;荷載 4為縱向作用兩個(gè)雙輪荷載,且縱向間距為1.4 m.其中：荷載 1,3,荷載 2,4平面作用位置相同.

1.3 不同荷位介紹

根據(jù)正交異性鋼橋面板的幾何特性,并且考慮車(chē)載相對(duì)加勁肋不同橫向位置對(duì)鋪裝層有不同的影響,荷載位置按圖 4所示分 3種情況[1],即：荷位 1車(chē)載中心施加于兩加勁肋之間中心位置的正上方;荷位 2車(chē)載中心施加于一加勁肋邊位置的正上方;荷位 3車(chē)載中心施加于一加勁肋中心位置的正上方.

2 模型計(jì)算結(jié)果分析

2.1 不同車(chē)輪荷載模型作用下正交異性板鋼橋面鋪裝層受力分析

分析不同輪載模型作用下鋼橋面鋪裝中鋪裝層主要力學(xué)指標(biāo)的變化情況,計(jì)算結(jié)果如表 1所示.

表1 不同荷位、不同輪載模型作用下各主要力學(xué)指標(biāo)值Tab.1 Main mechanics indexes under different loading positions and different models of wheel load

由表 1的計(jì)算結(jié)果可以看出,最大橫向拉應(yīng)力(應(yīng)變)遠(yuǎn)大于最大縱向拉應(yīng)力(應(yīng)變),因此在鋪裝結(jié)構(gòu)表面層時(shí)常常會(huì)首先出現(xiàn)縱向裂縫,故對(duì)于最大拉應(yīng)力(應(yīng)變)控制指標(biāo),最大橫向拉應(yīng)力起控制作用.層間最大橫向剪應(yīng)力遠(yuǎn)大于層間最大縱向剪應(yīng)力,故對(duì)于層間剪應(yīng)力這一力學(xué)指標(biāo),層間橫向剪應(yīng)力起控制作用,即層間的剪切破壞——鋪裝層局部橫向推移主要是層間橫向最大剪應(yīng)力引起的.

在 3個(gè)荷位上不同輪載模型作用下所對(duì)應(yīng)的各主要力學(xué)指標(biāo)值變化趨勢(shì)：荷載 2值＞荷載 4值＞荷載 1值＞荷載 3值.即單輪荷載模式計(jì)算所得各主要力學(xué)指標(biāo)值比雙輪荷載模型計(jì)算所得值要大一些.這是因?yàn)檎划愋园逵泻軓?qiáng)的局部性.模型加載中,雙輪荷載模型作用下輪壓中間有 10 cm的間隔,相對(duì)單輪荷載作用下輪壓分散,故而所引起的鋪裝層主要力學(xué)指標(biāo)值相對(duì)小一些.

在荷位 1,2,3中,對(duì)比荷載 2與荷載 1,荷載 4與荷載 3作用下各主要力學(xué)指標(biāo)值可知,考慮兩個(gè)后軸作用時(shí)各主要力學(xué)指標(biāo)值要大于考慮單個(gè)后軸作用時(shí)的值,雖然正交異性板具有很強(qiáng)的局部效應(yīng),但兩個(gè)輪載還是有一定的疊加作用.對(duì)比荷載 3與荷載 1,荷載 4與荷載 2作用下各主要力學(xué)指標(biāo)值可得,雙輪荷載模型與單輪荷載模型作用下,各主要力學(xué)指標(biāo)有比較大的差異,雙輪荷載計(jì)算所得主要力學(xué)指標(biāo)值要比單輪荷載值相對(duì)較小,但雙輪荷載更接近實(shí)際情況,故而在有限元建模分析中建議優(yōu)先采用雙輪荷載模型.

2.2 橫向最不利荷位分析

針對(duì)荷載 3作用下不同荷載位置,分析改性瀝青 SMA鋼橋面鋪裝中的橫向最不利荷載位置,計(jì)算結(jié)果如圖 5所示.

由圖 5中可見(jiàn),對(duì)應(yīng)于最大橫向拉應(yīng)力、層間最大橫向剪應(yīng)力、最大橫向拉應(yīng)變這 3項(xiàng)力學(xué)指標(biāo),荷載位置 3對(duì)應(yīng)于橫向最不利荷載位;對(duì)應(yīng)于鋪裝層表面的最大豎向位移值力學(xué)指標(biāo),荷載位置 3值略小于荷載位置 2值,但大于荷載位置 1.綜上所述可知,對(duì)應(yīng)于各主要控制指標(biāo),荷載位置 3對(duì)應(yīng)于鋼橋面鋪裝受力分析的橫向最不利荷載位置,即車(chē)載中心施加于一加勁肋中心位置的正上方.荷載作用下加勁肋對(duì)正交異性橋面板鋪裝層受力具有很強(qiáng)的局部效應(yīng),加勁肋肋頂處易產(chǎn)生開(kāi)裂是與該處的應(yīng)力集中密切相關(guān)的,這也與實(shí)際情況相符.

圖5 荷載 3作用下各荷位主要力學(xué)指標(biāo)值Fig.5 Main mechanics indexes varied with the load positions

3 結(jié) 論

1)正交異性板鋪裝層橫向受力最不利荷位為車(chē)載中心施加于一加勁肋中心位置正上方;

2)正交異性板鋪裝層主要在輪載作用的范圍內(nèi)受力,局部特征明顯;

3)單輪荷載模型與雙輪荷載模型計(jì)算結(jié)果有比較大的差別,采用雙輪荷載模式更符合實(shí)際,因此建議有限元模型采用雙輪荷載加載模式.

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