漆世虎，杜展展，祁浩東

(1.南京城市建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，南京 210006；2.東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 211189)

鋼箱梁結(jié)構(gòu)由于具有自重輕、承載大、側(cè)向抗風(fēng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被我國橋面體系普遍采用。作為鋼橋的重要組成部分，鋼橋面鋪裝直接鋪設(shè)于橋面板之上，同時(shí)具有保護(hù)橋面鋼板和服務(wù)交通的功能，其工程質(zhì)量關(guān)系道路的通行能力、行車的安全性及橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，從而影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

在行車荷載的作用下，由于正交異性剛橋面板的局部變形的復(fù)雜性，相比較于其他類型的橋面鋪裝，鋼箱梁橋面鋪裝層的受力狀況更為復(fù)雜。特別當(dāng)前市政工程建設(shè)中為了盡量減小對(duì)交通流的影響，縮短工程建設(shè)期限，一般在重要交叉口節(jié)點(diǎn)的高架橋區(qū)域均傾向采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，對(duì)鋼箱梁橋面鋪裝的工程建設(shè)需求越來越多。這些鋼箱梁具有典型的“彎、坡、斜”的特點(diǎn)，使得鋪裝層除承受垂直荷載作用外，還將承受水平分力的綜合作用，其受力和變形更加復(fù)雜; 部分橋梁在通車后不久，橋面鋪裝便出現(xiàn)較為嚴(yán)重的病害，嚴(yán)重影響行車舒適性與安全性，并花費(fèi)大量的維修養(yǎng)護(hù)資金。

研究依托紅山路和燕路快速化改造工程SG3標(biāo)段，鋪裝對(duì)象為城市立交橋，主橋第二聯(lián)和部分匝道采用鋼箱梁，匝道最大縱坡5.2%。主橋鋼橋雙幅獨(dú)立，單幅寬12.2 m三車道。論文開展市政彎坡組合鋼箱梁橋面瀝青鋪裝層力學(xué)響應(yīng)研究，以明確項(xiàng)目鋼箱梁橋受力特點(diǎn)。

1 橋面鋪裝有限元分析模型

1.1 模型的建立與材料參數(shù)

ABAQUS有限元模型如圖1所示，鋼箱梁頂面寬度12.2 m、縱向取四跨3.0×4=12.0 m。橋梁頂板、底板、腹板及橫隔板厚度均為16 mm。根據(jù)所設(shè)計(jì)的橋梁和鋪裝層結(jié)構(gòu)，對(duì)每一結(jié)構(gòu)層均建立實(shí)體型。腹板采用16 mm厚度板式加勁肋，間距380 mm；頂板采用6 mm厚度U型肋加勁，間距300 mm，在腹板兩側(cè)加勁肋間距有所減小，內(nèi)外側(cè)分別為222 mm和235 mm；腹板跨中采用T形加勁肋。鋪裝上層采用4 cm厚SMA，下層采用3.5 cm厚AC，模型材料參數(shù)見表1。

表1 有限元模型材料參數(shù)

1.2 荷載及邊界條件

模型固結(jié)兩端底板，限制腹板兩端板的水平向位移，鋪裝層與橋面板采用TIE約束；車輛荷載簡化為矩形均布荷載，兩個(gè)矩形的橫向尺寸取為20 cm，由軸重和胎壓0.70 MPa，計(jì)算縱向長度為25 cm，兩個(gè)矩形內(nèi)側(cè)邊緣的間距為10 cm。彎坡斜鋼箱梁與一般鋼箱梁橋最大的不同之處是力學(xué)計(jì)算時(shí)要考慮車輛以不同速度在曲線上行駛時(shí)的離心力以及由鋼箱梁的縱、橫坡產(chǎn)生的縱橫向水平力[1]。勻速行駛時(shí)縱向水平力系數(shù)采用0.1[2]，方向與車輛行駛方向相反；橫向水平力系數(shù)以60 km/h速度在半徑250 m的彎道上為計(jì)亦采用0.1[3]。以下不加以說明情況下均采用此水平力系數(shù)。

2 最不利荷位確定

由以往的計(jì)算知縱向U型加勁肋一側(cè)正上方為橫向最不利荷位[4]，但考慮到腹板處受力相似，先分別確定腹板與U形肋的最不利縱向荷位，再比較它們?cè)诟髯宰畈焕晌幌碌捻憫?yīng)值，取大者作為全橋的最不利荷位進(jìn)行后續(xù)分析。選取的縱向計(jì)算荷位以橫隔板正上方荷位為1，荷載中心依次向橫隔板移動(dòng)150 mm(1/20跨)至下一荷位，直到荷載中心位于下一道橫隔板正上方的第21個(gè)荷位。不同縱向荷位的計(jì)算結(jié)果見圖2。

由圖2可知，腹板和U肋橫向拉應(yīng)變與剪應(yīng)力均于荷位11即跨中取得最大值；其中橫向拉應(yīng)變由跨中向兩側(cè)逐漸減小，橫向剪應(yīng)力由跨中向兩側(cè)先逐漸減小但在接近橫隔板時(shí)有所增大?？v向分量在距橫隔板較近處取得最大值，但其值相對(duì)橫向較小；其中縱向拉應(yīng)變?cè)?0號(hào)荷位取得最大值，此時(shí)縱向荷載由橫隔板指向跨中；縱向剪應(yīng)力在2號(hào)荷位取得最大值，縱向荷載由跨中指向橫隔板。雖然腹板剛度比U肋大，但腹板上力學(xué)響應(yīng)量基本小于U肋，分析其原因是腹板兩側(cè)U肋間距較小，在一定程度上分擔(dān)了受力。因此，最終選定U肋上方荷位11作為橫向分量的荷載作用位置，2號(hào)荷位作為最大縱向剪應(yīng)力作用荷位，20號(hào)荷位作為最大縱向拉應(yīng)變作用荷位。

3 影響因素分析

3.1 結(jié)構(gòu)模量

常溫下AC和SMA鋪裝層模量一般取值1 500 MPa，特種材料澆筑式和環(huán)氧鋪裝一般取3 000 MPa，而隨著溫度的變化，鋪裝層的模量也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的較大變化，從而影響鋪裝結(jié)構(gòu)層的力學(xué)響應(yīng)[5,6]。采用500 MPa、1 500 MPa、3 000 MPa、5 000 MPa四種模量進(jìn)行上下鋪裝層組合，探索模量對(duì)其力學(xué)響應(yīng)影響，結(jié)果見表2。

表2 不同模量組合下鋪裝力學(xué)響應(yīng)

由表2可知，鋪裝層整體模量的升高(溫度的降低)可以減小拉應(yīng)變，但同時(shí)增大了層間剪應(yīng)力。鋪裝上層模量的增大可以降低縱橫向拉應(yīng)變，但作用越來越小，特別是對(duì)于縱向拉應(yīng)變?cè)谏蠈幽Ａ窟_(dá)到1 500 MPa后基本不變；鋪裝下層模量從500 MPa增長到1 500 MPa對(duì)拉應(yīng)變有較大幅度降低，但其后作用效果不明顯。上面層模量對(duì)橫向剪應(yīng)力影響不大，而對(duì)縱向剪應(yīng)力基本沒有影響；下面層模量對(duì)縱橫向剪應(yīng)力均有較大影響，隨著下面層模量上升剪應(yīng)力迅速增加。為了達(dá)到剪應(yīng)力和拉應(yīng)變均達(dá)到較小的平衡，下面層模量應(yīng)略小于1 500 MPa，上面層模量應(yīng)取較大值。

3.2 縱向制動(dòng)力

汽車行駛在彎坡組合橋梁時(shí)，由于受力和視線等原因制動(dòng)頻率遠(yuǎn)高于普通路段[7]。在國內(nèi)高溫重載使用環(huán)境下，制動(dòng)將對(duì)鋪裝層造成較大的剪切應(yīng)力，導(dǎo)致鋪裝層出現(xiàn)推移開裂等破壞。根據(jù) 《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，面層剪應(yīng)力的水平力系數(shù)，一般行駛路段為 0.5，緩慢制動(dòng)路段為 0.2，最終選取水平力系數(shù)分別為0.2、0.4和0.6，力學(xué)響應(yīng)結(jié)果見表3。

表3 不同制動(dòng)荷載下的力學(xué)響應(yīng)

由表3可知，汽車制動(dòng)力增大，對(duì)鋪裝層橫向分量影響不大，但在一定程度增大了縱向分量。當(dāng)制動(dòng)產(chǎn)生的縱向力系數(shù)達(dá)到0.6時(shí)，最大拉應(yīng)變?cè)龃罅?2%，剪應(yīng)力增大了8%。此增大幅度雖然遠(yuǎn)小于模量的影響，但考慮到車輛制動(dòng)的頻繁性，亦會(huì)帶來頻繁制動(dòng)下的疲勞破壞。因此，對(duì)于較大縱坡的鋼箱梁橋，其鋪裝層設(shè)計(jì)應(yīng)更加重視鋪裝層的抗裂性以及層間防水粘結(jié)層的抗剪性能。

3.3 橫向向心力

在小半徑橋梁上由于離心力的存在車輛對(duì)鋪裝層產(chǎn)生了橫向的作用力，影響鋪裝層的使用壽命，而橋梁本身所設(shè)置的橫坡也會(huì)對(duì)這部分離心力有所抵消[9]。假定鋼箱梁橫坡2%，采用60 km/h和90 km/h兩種車輛運(yùn)行速度，忽略軸載兩側(cè)的不均勻性，對(duì)不同車輛行駛半徑下所產(chǎn)生的橫向力進(jìn)系數(shù)行計(jì)算，不同橫向作用下的力學(xué)響應(yīng)結(jié)果見表4。

表4 不同橫向力下的力學(xué)響應(yīng)

由表4可知，橫向力的作用對(duì)鋪裝層縱向分量的影響不大，但卻在一定程度上放大了橫向分量。隨著行車速度的增大和行車半徑的減小，橫向力不斷增大，鋪裝層橫向分量也不斷增大。在以60 km/h的速度250 m的半徑變?yōu)?0 km/h的速度100 m的半徑下，橫向拉應(yīng)變?cè)龃罅?.5%，橫向剪應(yīng)力增大了4.6%。這一變化加重了橋面鋪裝橫向抗裂和抗剪的不利狀況，使得其更容易產(chǎn)生橫向裂縫。

4 結(jié) 論

a.對(duì)于鋼橋面鋪裝層的縱向最不利荷位，鋪裝上層橫向最大拉應(yīng)變和鋪裝下層與鋼板間橫向剪應(yīng)力位于跨中；鋪裝上層縱向最大拉應(yīng)變和鋪裝下層與鋼板間縱向剪應(yīng)力的縱向?yàn)榭拷鼨M隔板一側(cè)，縱向荷載分別指向跨中和橫隔板。

b.鋪裝層模量對(duì)力學(xué)響應(yīng)有較大影響。鋪裝上層模量的增大可以降低上層最大縱橫向拉應(yīng)變，而隨著下面層模量上升鋪裝層和鋼板間剪應(yīng)力迅速增加，綜合考慮下下面層模量應(yīng)略小于1 500 MPa。

c.制動(dòng)力在一定程度上加大了鋪裝層的縱向響應(yīng)，而橋梁平曲線的較小半徑也會(huì)增大橫向響應(yīng)。因此對(duì)于彎坡組合橋梁的鋪裝設(shè)計(jì)更應(yīng)重視鋪裝面層混合料的抗裂性能與防水粘結(jié)層的抗剪性能。