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        鋼箱梁橋線形參數(shù)對(duì)組合鋪裝體系受力的影響

        2016-11-22 02:41:57李阿蒙韓大勇
        四川建筑 2016年5期
        關(guān)鍵詞:橫坡縱坡剪應(yīng)力

        李阿蒙, 韓大勇

        (中電建路橋集團(tuán)有限公司, 北京 100083)

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        鋼箱梁橋線形參數(shù)對(duì)組合鋪裝體系受力的影響

        李阿蒙, 韓大勇

        (中電建路橋集團(tuán)有限公司, 北京 100083)

        針對(duì)鄭州市隴海路市政曲線鋼箱梁橋組合鋪裝結(jié)構(gòu),采用有限元分析方法,建立曲線鋼箱梁局部梁段有限元模型,計(jì)算分析鋼箱梁橋面鋪裝結(jié)構(gòu)在不同線形條件下的力學(xué)特性變化規(guī)律,為鋼箱梁橋及鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

        鋼箱梁橋; 組合鋪裝; 有限元模型; 線性條件; 力學(xué)特性

        近年來(lái),隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn),城市交通擁堵問(wèn)題成為社會(huì)最為關(guān)注焦點(diǎn)之一。高架路作為城市擴(kuò)展道路空間,緩解交通壓力的有效手段,在城市建設(shè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在城市高架路的互通匝道工程中,曲線梁橋是實(shí)現(xiàn)各方向交通連接的必要手段。由于鋼箱梁具有跨越能力強(qiáng)、構(gòu)件質(zhì)量輕、運(yùn)送和拼裝方便、施工周期短等優(yōu)點(diǎn),在互通匝道曲線橋中應(yīng)用越來(lái)越多。然而,目前鋼箱梁橋面鋪裝技術(shù)體系還不完善,我國(guó)部分已建成的鋼橋面鋪裝在服役期內(nèi)大都出現(xiàn)了病害。據(jù)調(diào)查顯示,由于層間粘結(jié)性能不足引起的鋪裝層推移、擁包病害表現(xiàn)最為嚴(yán)重。尤其是大縱坡小半徑的匝道橋,在車(chē)輛行駛以及頻繁起制動(dòng)引起的水平力作用下,鋪裝結(jié)構(gòu)層間容易產(chǎn)生較大剪應(yīng)力,當(dāng)剪應(yīng)力超過(guò)層間剪切強(qiáng)度時(shí),就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移而發(fā)生剪切破壞。因此,有必要研究線形條件對(duì)鋼箱梁橋面鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響規(guī)律,為鋼箱梁橋及鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

        1 工程概況

        鄭州西三環(huán)隴海路立交橋位于西三環(huán)和隴海路交叉口,為鄭州市西三環(huán)快速化工程的重點(diǎn)工程。在隴海路立交橋中,ES匝道曲線半徑為65 m,其跨徑布置為(31+56+31=118) m,橫坡為2%,縱坡5%,對(duì)于這樣跨度大、曲線半徑小的立交匝道橋采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)。鋼箱梁采用單箱雙室,頂板采用I型加勁肋,底板采用豎向加勁,腹板和橫梁采用水平加勁,其箱室布置與鋼筋混凝土連續(xù)箱梁標(biāo)準(zhǔn)截面相似。鋼箱梁橋面鋪裝采用“鋼纖維混凝土(SFRC)-雙層瀝青混凝土”組合結(jié)構(gòu),其中瀝青混凝土鋪裝上層采用AC-13C瀝青混凝土,下層采用AC-16C瀝青混凝土,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 鋼箱梁橋面鋪裝結(jié)構(gòu)示意

        2 計(jì)算模型

        鄭州西三環(huán)隴海路立交橋鋼箱梁橋面鋪裝采用“鋼橋面板-鋼纖維混凝土-雙層瀝青混凝土”組合結(jié)構(gòu),其中瀝青混凝土鋪裝上層采用AC-13C瀝青混凝土,下層采用AC-16C瀝青混凝土。分析模型中橋面頂板、加勁肋、縱隔板以及橫隔板彈性模量為2.2×105MPa,泊松比為0.25;鋪裝上層的AC-16C瀝青混凝土厚度為5 cm,彈性模量為1 000 MPa;鋪裝下層的澆AC-13C瀝青混凝土厚度為4 cm,彈性模量為1 200 MPa,鋪裝上下層泊松比為0.35;鋼纖維混凝土厚度為12 cm,彈性模量為5×104MPa,泊松比為0.15,曲線鋼箱梁曲線半徑為65 m;橫坡為2 %,縱坡為5 %。鋼箱梁模型具體幾何尺寸見(jiàn)表1。

        表1 鋼箱梁模型細(xì)部尺寸 mm

        有限元模型包括鋪裝層、上下底板、縱橫隔板、縱向加勁肋,橫向加勁肋,I型肋等。橋面鋪裝層采用Solid45單元模擬,橋面板采用Shell163單元模擬,AC-13C與AC-16C,AC-16C與鋼纖維混凝土(SFRC),鋼纖維混凝土(SFRC)和鋼箱梁橋面板間采用接觸單元模擬,橋面鋪裝結(jié)構(gòu)受力計(jì)算模型如圖2所示。

        圖2 橋面鋪裝受力計(jì)算模型

        計(jì)算的車(chē)輛荷載依據(jù)JTG D60-2004《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》,采用公路-I級(jí)550 kN級(jí)的重車(chē),行車(chē)荷載為雙輪組單軸載140 kN,一個(gè)后軸車(chē)輪著地寬0.6 m,著地長(zhǎng)度為0.2 m,只取后軸的一個(gè)雙輪的作用,每個(gè)輪重70 kN,并考慮1.3的沖擊系數(shù),則每個(gè)車(chē)輪作用在橋面的均布荷載為0.758 MPa。

        3 線形條件對(duì)組合鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)特性影響分析

        3.1 橋面縱坡對(duì)組合鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響

        取橋梁曲線半徑為65 m,橫坡為2 %,分析橋面縱坡分別為0,1 %,2 %,3 %,4 %,5 %,6 %,7 %,8 %時(shí),比較分析組合鋪裝各層拉應(yīng)力及層間剪應(yīng)力的變化規(guī)律,計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

        從圖3可知,隨著橋面縱坡坡度的增大,組合鋪裝各層的最大橫向拉應(yīng)力、最大縱向拉應(yīng)力以及最大剪應(yīng)力均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。在不同橋面縱坡條件下,從圖3(a)可知,AC-13C層橫向拉應(yīng)力值均為最大,AC-16C層較大,SFRC層最小。從圖3(b)可知,AC-13C層縱向拉應(yīng)力值均為最大,AC-16C層較大,SFRC層最小。從圖3(c)可知,SFRC和鋼橋面層間剪應(yīng)力均為最大,AC-16C和SFRC層間剪應(yīng)力較大,AC-13C和AC-16C層間剪應(yīng)力最小。

        3.2 橋面橫坡對(duì)組合鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響

        取橋梁曲線半徑為65 m,縱坡5 %,在組合鋪裝結(jié)構(gòu)受到最不利荷載作用下,改變橋面橫坡比較分析組合鋪裝各層拉應(yīng)力及層間剪應(yīng)力的變化規(guī)律,計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

        從圖4可知,隨著橋面縱坡坡度的增大,組合鋪裝各層的最大橫向拉應(yīng)力、最大縱向拉應(yīng)力以及最大剪應(yīng)力均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。在不同橋面橫坡條件下,從圖4(a)可知,AC-13C層橫向拉應(yīng)力值均為最大,AC-16C層較大,SFRC層最小。從圖4(b)可知,AC-13C層縱向拉應(yīng)力值均為最大,AC-16C層較大,SFRC層最小。從圖4(c)可知,SFRC和鋼橋面層間剪應(yīng)力均為最大,AC-16C和SFRC層間剪應(yīng)力較大,AC-13C和AC-16C層間剪應(yīng)力最小。

        3.3 曲線半徑對(duì)組合鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響

        取橋面橫坡為2 %,縱坡5 %,在組合鋪裝結(jié)構(gòu)受到最不利荷載作用下,改變橋面曲線半徑,比較分析組合鋪裝各層拉應(yīng)力及層間剪應(yīng)力的變化規(guī)律,計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

        圖3 不同橋面縱坡度對(duì)組合鋪裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響規(guī)律

        從圖5可知,隨著橋面曲線半徑的增大,組合鋪裝各層的最大橫向拉應(yīng)力、最大縱向拉應(yīng)力以及最大剪應(yīng)力均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。在不同曲線半徑條件下,從圖5(a)可知,AC-13C層橫向拉應(yīng)力值均為最大,AC-16C層較大,SFRC層最小。從圖5(b)可知,AC-13C層縱向拉應(yīng)力值均為最大,AC-16C層較大,SFRC層最小。從圖5(c)可知,SFRC和鋼橋面層間剪應(yīng)力均為最大,AC-16C和SFRC層間剪應(yīng)力較大,AC-13C和AC-16C層間剪應(yīng)力最小。

        圖4 不同橋面橫坡對(duì)組合鋪裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響規(guī)律

        4 結(jié)論

        通過(guò)建立有限元模型,計(jì)算分析曲線鋼箱梁坡度和曲線半徑對(duì)組合鋪裝結(jié)構(gòu)的受力影響,由分析計(jì)算結(jié)果可知:

        (1)在不同橋面縱坡、橫坡、曲線半徑條件下,AC-13C層縱、橫向拉應(yīng)力值均為最大,AC-16C層較大,鋼纖維混凝土(SFRC)層最?。籗FRC和鋼橋面層間剪應(yīng)力均為最大,AC-16C和SFRC層間剪應(yīng)力較大,AC-13C和AC-16C層間剪應(yīng)力最小。

        (2)鋼箱梁橋面縱橫坡、曲線半徑等線形條件對(duì)組合鋪裝各層的最大橫向拉應(yīng)力、最大縱向拉應(yīng)力以及最大剪應(yīng)力影響明顯,故在設(shè)計(jì)鋼箱梁橋時(shí),應(yīng)綜合考慮鋼箱梁橋鋪裝體系受力情況,合理選擇線形參數(shù)。

        圖5 不同橋面曲線半徑對(duì)組合鋪裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響規(guī)律

        [1] 崔海軍. 鋪裝層正交異性鋼橋面板有限元分析[J]. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),2011(9).

        [2] 趙鋒軍,李宇峙. 匝道鋼橋面瀝青鋪裝簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法[J]. 公路交通科技,2009(12).

        [3] 李雪連,陳宇亮,周志剛,等.正交異性鋼橋面新型復(fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)研究[J].公路交通科技,2010(1).

        [4] 李昶.大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝深入研究[D].東南大學(xué),2002.

        [5] 胡光偉,黃衛(wèi),張曉春.潤(rùn)揚(yáng)大橋鋼橋面鋪裝層力學(xué)分析[J].公路交通科技,2002,19(4).

        [6] 潘友強(qiáng),郭忠印.大縱坡小半徑鋼橋面瀝青鋪裝設(shè)計(jì)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012(9).

        李阿蒙(1988~),男,碩士,在職博士,工程師,研究方向?yàn)檫吰路€(wěn)定分析理論及新型支護(hù)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用;韓大勇(1982~),男,碩士,工程師,研究方向?yàn)楣饭こ淌┕ぜ夹g(shù)。

        U443.33

        A

        [定稿日期]2016-06-13

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