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        合六葉公路橋不等厚鋪裝結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)研究

        2022-03-20 11:34:02羅偉平杜江波
        北方交通 2022年3期
        關(guān)鍵詞:公路橋行車箱梁

        羅偉平,杜江波,李 東

        (1.中鐵五局集團華南工程有限責(zé)任公司 東莞市 523160; 2.河南明珠工程管理有限公司 三門峽市 472000)

        與普通橋面鋪裝結(jié)構(gòu)相比,合六葉公路橋橋面鋪裝的形式特殊,受力情況復(fù)雜,為鋪裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計與服役期維養(yǎng)方案的制定提供指導(dǎo)意見,需對行車荷載作用下鋪裝的力學(xué)響應(yīng)進行充分分析[1-2]。擬先在MIDAS CIVIL中建立整橋分析模型,對各不等厚過渡區(qū)的受力進行力學(xué)分析,并計算受力不利箱梁的邊界條件;再在ABAQUS中建立局部箱梁的等比例模型,對行車荷載作用下的細(xì)部力學(xué)響應(yīng)進行分析。

        1 工程概況

        鋼箱梁橋具備施工便捷、抗扭剛度大且自重較小的特點,常被應(yīng)用在中、大跨徑橋梁的設(shè)計中。G312合六葉公路橋是連接合肥與六安的重要交通干線,由四座分橋組成,沿上游至下游依次為1#~4#橋,整橋以雙向八車道一級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),其主橋設(shè)計全長380m,采用100m+180m+100m的變截面連續(xù)鋼箱梁方案,橋梁縱向布置如圖1所示。

        圖1 合六葉公路橋縱橋向布置

        為減輕鋼箱梁的自重,并降低建造成本,合六葉公路橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)的頂板創(chuàng)新性地采用了不等厚設(shè)計方案,沿縱橋向共設(shè)16處不等厚過渡區(qū),厚度變化形式為1∶8線性斜坡,如圖2所示。

        圖2 合六葉公路橋不等厚過渡形式

        合六葉公路橋的上層鋪裝厚度設(shè)為2.5cm,下鋪裝層采用了與頂板對應(yīng)的厚度變化形式,以保證頂板厚度+鋪裝結(jié)構(gòu)厚度恒定為9.6cm,以2#橋與3#橋為例,匯總其頂板+橋面鋪裝的厚度組合,如表1所示。

        表1 2#橋與3#橋箱梁頂板+橋面鋪裝厚度組合

        對于常規(guī)鋼箱梁橋,鋪裝結(jié)構(gòu)受力不利區(qū)域主要有:跨中與支座彎曲應(yīng)力較大的區(qū)域、縱橫隔板上方與U型加勁肋上方。在此類區(qū)域,鋪裝結(jié)構(gòu)受到較大的剪應(yīng)力作用,在行車荷載的影響下,易產(chǎn)生開裂、脫層等鋪裝病害。合六葉公路橋不等厚結(jié)構(gòu)設(shè)計特殊,除常規(guī)受力不利區(qū)域外,不等厚過渡區(qū)上方的鋪裝層也處于不利的受力狀態(tài)。

        合六葉公路橋由四座獨立箱梁橋組成,其中2#與3#橋各設(shè)三條同向行車道,1#與4#橋各設(shè)一條行車道與非機動車道。本研究選取承受行車荷載最密集的2#與3#橋進行力學(xué)分析。

        2 整橋力學(xué)分析

        在橋梁力學(xué)分析軟件MIDAS CIVIL中建立合六葉公路橋的整橋模型,將全橋離散為空間桿系單元,共131個節(jié)點、130個單元。根據(jù)設(shè)計文件,橋梁模型材料設(shè)為Q370qD,彈性模量為2.06×108kN/m2,泊松比取0.3。車道荷載采用公路-I級均布荷載10.5kN/m,共三車道;橋梁一期恒載設(shè)為109.1 kN/m,二期恒載設(shè)為40.8 kN/m。

        對2#與3#整橋同時施加自重、二期恒重和車道荷載,考慮到合六葉公路橋不等厚過渡區(qū)關(guān)于跨中橫斷面對稱,因此只提取跨中橫斷面一側(cè)的不等厚過渡區(qū)的彎矩計算結(jié)果,匯總?cè)绫?所示。

        表2 2#與3#橋不等厚過渡區(qū)的彎矩值

        由表2可知,在車道荷載與恒載共同作用下,最大豎向正彎矩出現(xiàn)在距離橋頭170m處的厚度變化處,彎矩值為2.12×105kN·m,此處頂層鋼板厚度由22mm變化至32mm,下層鋪裝厚度由49mm變化至39mm;最大豎向負(fù)彎矩出現(xiàn)在距離橋頭96m處,彎矩值為5.01×105kN·m,此處頂層鋼板厚度由28mm變化至36mm,下層鋪裝厚度由43mm變化至35mm。彎矩值越大代表該厚度變化處的鋼板更易發(fā)生相對形變,其上方的鋪裝結(jié)構(gòu)承受更大的集中應(yīng)力,更易發(fā)生開裂、脫層等鋪裝病害。分別截取此距離橋頭96m支座附近、縱橋向長15m的不等厚處箱梁進行細(xì)部力學(xué)響應(yīng)研究。

        為模擬局部箱梁的實際服役條件,對整橋模型施加一期恒載與二期恒載,得到局部箱梁的邊界條件為彎矩值4.06×105kN·m,豎向位移0.002m。

        3 受力不利箱梁的細(xì)部力學(xué)分析

        基于第2節(jié)的整橋分析結(jié)果,在有限元分析軟件ABAQUS中建立負(fù)彎矩值最大的細(xì)部箱梁模型。合六葉公路橋擬采用“雙層EA”鋪裝體系,模型中EA鋪裝層與頂層鋼板設(shè)定為實體單元,網(wǎng)格屬性設(shè)定為六邊形-結(jié)構(gòu)網(wǎng)格;T形肋、U形肋等箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)定為殼單元,網(wǎng)格屬性設(shè)定為四邊形為主-自由,并采用進階算法。對局部箱梁施加第2節(jié)所得邊界條件,即彎矩值4.06×105kN·m,豎向位移0.002m。

        局部箱梁的主體結(jié)構(gòu)為鋼材Q370qD,密度7850kg/m3,在有限元模型中將其設(shè)定為各向同性的彈性材料,彈性模量取2.06×108kN/m2,泊松比取0.3;鋪裝層為雙2.06×108kN/m2層EA,密度取2560 kg/m3,有限元模型中將其設(shè)定為各向同性的彈性材料,彈性模量取6×106kN/m2,泊松比取0.35。依據(jù)設(shè)計文件,將材料屬性指派到各個構(gòu)件,部分構(gòu)件由殼單元建立,因此在截面指派步驟中指定各個殼單元部件的厚度,具體數(shù)據(jù)如表3所示。

        表3 殼單元部件的厚度

        為模擬實際行車荷載作用下不等厚過渡區(qū)鋪裝結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng),本研究基于Fortran語言編寫DLOAD子程序來實現(xiàn)移動行車荷載的施加,行車荷載移動速度設(shè)為100km/h。荷載大小采用公路I級荷載后軸加載,輪胎接地壓強設(shè)為1.17MPa,輪胎接地形狀簡化為矩形,如圖3所示。

        圖3 簡化后的車輛荷載

        由于橋面直接承受車輛的荷載作用,結(jié)合正交異性板的結(jié)構(gòu)特點,橋面鋪裝在橫橋向存在三種作用荷位,即I號荷位:輪載中心施加于一加勁肋正上方;II號荷位:輪載中心施加于兩加勁肋間中點的正上方;III號荷位:輪載中心施加于一加勁肋邊的正上方,如圖4所示。

        圖4 行車荷載沿橫斷面方向的不同位置

        結(jié)合已有研究,III型荷位是正交異性板的最不利加載荷位,因此本研究直接選取III型荷位作為橫橋向的加載位置[2-3]。對于合六葉公路橋不等厚特殊結(jié)構(gòu),其不等厚過渡區(qū)上的鋪裝是整體鋪裝結(jié)構(gòu)的薄弱點,設(shè)從頂層鋼板由薄變厚的方向為a,頂板厚度由厚變薄的方向為b,如圖5所示。本研究在III號橫橋向加載位置和兩種縱橋向行車方向,共2種荷載作用條件下,對不等厚過渡區(qū)上鋪裝結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)進行研究。

        圖5 加載方向示意圖

        通過設(shè)置沿縱橋向的路徑Path,輸出行車荷載通過不等厚過渡區(qū)的動力響應(yīng),如圖6所示。

        圖6 不等厚過渡區(qū)的力學(xué)響應(yīng)

        由圖6可知,不等厚過渡區(qū)承受的應(yīng)力顯著大于其他區(qū)域,且鋪裝厚度較厚區(qū)域的受力情況明顯優(yōu)于鋪裝厚度較薄區(qū)域。在a向行車與b向行車條件下,不等厚過渡區(qū)的鋪裝結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象,峰值出現(xiàn)在不等厚過渡區(qū)最薄的位置,橫向拉應(yīng)力峰值達(dá)到了1.242MPa,縱向拉應(yīng)力峰值達(dá)到了1.057MPa。不等厚過渡區(qū)的橫向拉應(yīng)力峰值為其他區(qū)域的1.66倍,縱向拉應(yīng)力峰值為其他區(qū)域的1.5倍。因此不等厚過渡區(qū)的鋪裝結(jié)構(gòu)是合六葉公路橋整體鋪裝體系的薄弱環(huán)節(jié)之一,其較大的橫、縱向拉應(yīng)力易導(dǎo)致鋪裝結(jié)構(gòu)更早出現(xiàn)開裂病害。

        4 結(jié)論

        基于合六葉公路橋的整橋力學(xué)模型與局部箱梁細(xì)部力學(xué)模型,分析了其不等厚鋪裝結(jié)構(gòu)在行車荷載作用下的力學(xué)響應(yīng),得到以下結(jié)論:

        (1)合六葉公路橋距離橋頭96m處的不等厚過渡區(qū),在整橋所有16處不等厚過渡區(qū)中受力情況最嚴(yán)峻,在一期、二期恒載與行車荷載共同作用下,其彎矩值達(dá)到了5.01×105kN·m。

        (2)在行車荷載作用下,合六葉公路橋不等厚過渡區(qū)上鋪裝結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象,其橫向拉應(yīng)力峰值達(dá)到了1.242MPa,為其他區(qū)域的1.66倍;其縱向拉應(yīng)力達(dá)到了1.057MPa,為其他區(qū)域的1.5倍。

        (3)合六葉公路橋鋪裝結(jié)構(gòu)形式特殊,縱橋向的不等厚過渡區(qū)是橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的受力不利位置,易產(chǎn)生開裂病害,需在通車后對其定期檢視,以保證鋪裝結(jié)構(gòu)長期處于較好的服役狀態(tài)。

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