代勤杰,劉羽翼

(1．武義縣建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站,浙江武義 321200; 2．西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031)

0 引言

橋面鋪裝層作為保護(hù)層,直接承受各種車輛荷載以及環(huán)境因素作用,一方面可分散橋面板受到的車輛荷載,另一方面可連接各主梁共同受力[1-3]。近年來(lái),隨著交通量的增加與軸載的增大,一些混凝土橋的鋪裝層出現(xiàn)了大量的病害,導(dǎo)致鋪裝層發(fā)生壅包、車轍、脫落、橋面板與鋪裝層間滑移等破損,不僅嚴(yán)重阻礙了交通、縮短了橋梁的使用壽命,而且?guī)?lái)了不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土橋面瀝青鋪裝層的研究主要停留在施工及鋪裝材料的改性方面,不論是材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)組合、整體設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)都未形成一個(gè)類似于瀝青路面設(shè)計(jì)的完整體系。但隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展以及有限元理論在道路、橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用,可以更多地從橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的層面分析影響鋪裝層受力的因素。通過(guò)建模計(jì)算分析,可研究橋梁上部各結(jié)構(gòu)對(duì)橋面鋪裝層受力的影響,從而優(yōu)化橋面鋪裝層的設(shè)計(jì)[4-9]。

本文以實(shí)際工程為研究背景,借助ANSYS通用有限元軟件,建立了單跨簡(jiǎn)支箱梁橋的計(jì)算分析模型。通過(guò)改變鋪裝層與橋面板之間的摩擦系數(shù),模擬不同的鋪裝層與橋面板的層間結(jié)合能力。在自重、車輛軸載和制動(dòng)力作用下,通過(guò)對(duì)比頂板設(shè)置預(yù)埋鋼筋與不設(shè)置預(yù)埋鋼筋的2種情況,研究了預(yù)制小箱梁頂板預(yù)埋鋼筋對(duì)橋面鋪裝層受力的影響。

1 工程概況

本研究依托成都市益州大道南延線工程團(tuán)壩子大橋。團(tuán)壩子大橋是孔跨布置為28×35 m的多跨簡(jiǎn)支箱梁橋,道路全寬60 m,分四幅修建,每幅橋橋墩均采用雙柱墩。取中間一幅為對(duì)象該幅跨中截面構(gòu)造如圖1所示,橋面寬17.05 m,主道橋濕接縫寬為0.62 m。上部結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支小箱梁,小箱梁使用C50混凝土,梁高1.8 m,邊梁寬2.575 m,中梁寬2.2 m,采用了先張法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉,其配筋如圖2所示。

圖1 跨中橫截面(單位:mm)

圖2 預(yù)埋鋼筋構(gòu)造(單位:mm)

裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋面采用 10 cm厚的C50混凝土現(xiàn)澆層+橋梁專用防水層+10 cm瀝青混凝土鋪裝層。橋面防水層采用2 mm厚聚合物改性瀝青防水涂料。預(yù)制梁混凝土經(jīng)過(guò)鑿毛處理,鑿毛方法為在梁頂板混凝土表層鑿去5～10 mm,使施工面粘結(jié)更為牢固。橋面防水層與橋面現(xiàn)澆層及瀝青混凝土鋪裝層間的粘結(jié)強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度大于1 MPa。

針對(duì)一般預(yù)制小型箱梁頂板與橋面的連接問(wèn)題,在設(shè)計(jì)上通常采取將頂板預(yù)埋鋼筋預(yù)埋在梁板頂面,外露預(yù)制梁頂板5 cm的方法,同時(shí)也解決了控制保護(hù)層厚度和橋面鋼筋網(wǎng)鉸接等問(wèn)題。但預(yù)埋鋼筋的露出部分,因其“[”的形狀,時(shí)常導(dǎo)致鉤鞋、鉤褲腳或絆倒人等嚴(yán)重的安全問(wèn)題[10]。因此,在本次施工過(guò)程中對(duì)箱梁頂板預(yù)埋鋼筋作了扳倒處理,見(jiàn)圖3。頂板預(yù)埋鋼筋作為箱梁頂板設(shè)計(jì)的一部分,在完成其自身功能的同時(shí),是否還對(duì)橋面鋪裝層的受力產(chǎn)生影響是本文關(guān)注的問(wèn)題。

圖3 梁頂預(yù)埋鋼筋扳倒處理

2 有限元模型

2.1 模型基本假定

選取團(tuán)壩子大橋兩高墩之間的橋跨作為分析對(duì)象,取半結(jié)構(gòu)(含3片箱梁)作為模型基礎(chǔ)進(jìn)行分析。采用ANSYS有限元分析軟件,建立跨徑34.84 m、橋面寬8.59 m、鋪裝層厚10 cm的預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支箱梁橋空間有限元模型。橋梁上部結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖4,中梁及邊梁立面圖見(jiàn)圖5、圖6。為更加有效地將模型應(yīng)用于橋面鋪裝層的力學(xué)分析,對(duì)模型的結(jié)構(gòu)特征和材料特性做假定:

圖4 有限元模型

圖5 中梁立面(單位:mm)

圖6 邊梁立面(單位:mm)

(1)僅考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算,不考慮橋梁下部結(jié)構(gòu)的變形。

(2)各結(jié)構(gòu)層材料為均勻連續(xù)、各向同性的彈性材料。

(3)鋪裝層與橋面板層間完全連續(xù)接觸。

(4)不計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)自重和混凝土開(kāi)裂影響。

2.2 材料參數(shù)

本模型中,瀝青混凝土鋪裝層、箱梁、橫隔板均采用SOLID65實(shí)體單元模擬。其中,3片箱梁及橫隔板采用C50混凝土,彈性模量取34.5 GPa,泊松比取0.2;瀝青混凝土鋪裝層采用C30混凝土,彈性模量取30.0 GPa,泊松比均取0.2。小箱梁頂板中的預(yù)埋鋼筋采用COMBIN14單元模擬,所用鋼筋型號(hào)為HRB400,直徑為φ8 mm,彈性模量取2×105MPa,泊松比取0.3。

2.3 接觸和邊界條件模擬

橋面鋪裝層與主梁頂面采用全接觸模擬。根據(jù)ANSYS軟件接觸分析中,目標(biāo)面和接觸面選擇的基本原則,選取強(qiáng)度等級(jí)較低的鋪裝層作為接觸面,采用CONTA174單元進(jìn)行模擬;選取強(qiáng)度等級(jí)較高的箱梁頂面作為目標(biāo)面,采用TARGE170單元進(jìn)行模擬[11]。邊界條件考慮為簡(jiǎn)支。

2.4 計(jì)算荷載

本次分析考慮2種荷載工況。荷載工況一:主力;荷載工況二:主力+附加力。主力包括梁體自重及車輛靜活載;附加力僅考慮制動(dòng)力的影響(因制動(dòng)力沿縱橋向水平作用在鋪裝層上,對(duì)層間相互作用具有影響)。其中,梁體混凝土容重為25 kN/m3;該橋段汽車活載設(shè)置為公路—Ⅰ級(jí),對(duì)應(yīng)為一輛總重550 kN的標(biāo)準(zhǔn)車,車輛荷載的作用位置縱橋向按跨中最大彎矩原則布置,橫橋向沿橋梁中心線對(duì)稱布置,其軸重分布及各車輪的軸距如圖7、圖8所示。

圖7 軸重布置(單位:kN)

圖8 車輪軸距(單位:m)

制動(dòng)力取為165 kN。并按照前、中、后軸重力標(biāo)準(zhǔn)值的比例將制動(dòng)力分配給前、后、中輪,制動(dòng)力方向與行車方向一致。制動(dòng)力荷載布置情況如圖9所示。

圖9 制動(dòng)力分布圖(單位:kN)

3 理想狀態(tài)下橋面鋪裝力學(xué)性能

3.1 主力作用

理想狀態(tài)是指,鋪裝層與橋面板采用完全粘結(jié)的形式(即在ANSYS模型中兩者接觸面不考慮接觸分析),兩者共同承受車輛軸載帶來(lái)的作用,不產(chǎn)生相對(duì)滑移,且頂板設(shè)置預(yù)埋鋼筋。圖10為僅在主力作用下的計(jì)算結(jié)果,由圖10可知:鋪裝層內(nèi)各應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在車輛車輪作用位置。在車輛軸載作用下,34.84 m預(yù)制小箱梁橋的第一主應(yīng)力(σ1)最大值為0.564 MPa,出現(xiàn)在車輛中輪處,考慮橋梁跨中設(shè)置有橫隔板,減弱了車輛軸載產(chǎn)生的影響,所以其最大值并未出現(xiàn)在更重的后輪處;第三主應(yīng)力(σ3)最大值為0.847 MPa,出現(xiàn)在車輛的后輪位置;橫橋向正應(yīng)力(σx)最大為0.583 MPa;橫橋向剪應(yīng)力(τxy)為0.128 MPa;順橋向剪應(yīng)力(τyz)最大值為0.205 MPa;橋面板與鋪裝層間剪應(yīng)力(τxz)最大值為0.314 MPa。

圖10 主力作用下層間應(yīng)力分布

3.2 主力+附加力作用

同為理想狀態(tài),在主力+附加力作用下鋪裝層的各類應(yīng)力云圖見(jiàn)圖11。由圖11可以看出:第一主應(yīng)力(σ1)最大值為0.642 MPa,也出現(xiàn)在車輛中輪處;第三主應(yīng)力(σ3)最大值為0.853 MPa,出現(xiàn)在車輛的后輪位置;橫橋向正應(yīng)力(σx)最大值為0.609 MPa;橫橋向剪應(yīng)力(τxy)為0.118 MPa;順橋向剪應(yīng)力(τyz)最大值為0.229 MPa;橋面板與鋪裝層間剪應(yīng)力最大值為(τxz)為0.335 MPa。

圖11 主力+附加力作用下層間應(yīng)力分布

4 不同粘結(jié)狀態(tài)下橋面鋪裝受力對(duì)比

通過(guò)改變鋪裝層與橋面板之間的摩擦系數(shù),模擬不同的鋪裝層與橋面板的層間結(jié)合能力,即不同的粘結(jié)狀態(tài)。對(duì)比不同粘結(jié)狀態(tài)以及是否設(shè)有頂板預(yù)埋鋼筋的各類工況下,橋面鋪裝層的各應(yīng)力最大值,分析預(yù)制小箱梁頂板預(yù)埋鋼筋對(duì)橋面鋪裝層受力的影響。由表1可以看出,在車輛軸載作用下,無(wú)預(yù)埋鋼筋且拉毛質(zhì)量“較好”(摩擦系數(shù)μ取1.0)與有預(yù)埋鋼筋拉毛質(zhì)量“一般”(摩擦系數(shù)μ取0.5)2種情況相比,2種工況下各類應(yīng)力相差均在0.1 MPa以內(nèi),且有預(yù)埋鋼筋時(shí),橋面鋪裝層的各類應(yīng)力均稍大于無(wú)預(yù)埋鋼筋。其中,兩者的第一主應(yīng)力相差最大,差值為0.9 MPa。無(wú)預(yù)埋鋼筋且拉毛質(zhì)量“一般”(摩擦系數(shù)μ取0.5)與有預(yù)埋鋼筋拉毛質(zhì)量“一般”(摩擦系數(shù)μ取0.5)2種情況在車輛荷載作用下,兩者各類應(yīng)力差值均在0.2 MPa以內(nèi),相差甚微。后者各類應(yīng)力稍大于前者,其中差值最大的為第三主應(yīng)力,差值為0.16 MPa。由此可以看出,在車輛軸載作用下,頂板預(yù)埋鋼筋對(duì)橋面鋪裝層的影響不大,且有預(yù)埋鋼筋會(huì)略微增大橋面鋪裝層的受力,增幅在0.01～0.2 MPa之間,可忽略不計(jì)。

表1 不同粘結(jié)狀態(tài)下橋梁鋪裝受力對(duì)比(主力作用) 單位：MPa

表2為制動(dòng)力作用下,在不同粘結(jié)狀態(tài)以及是否設(shè)有頂板預(yù)埋鋼筋的各類工況下,橋面鋪裝層的各應(yīng)力狀態(tài)。由表中數(shù)據(jù)可以看出,無(wú)預(yù)埋鋼筋且拉毛質(zhì)量“較好”(摩擦系數(shù)μ取1.0)與有預(yù)埋鋼筋拉毛質(zhì)量“一般”(摩擦系數(shù)μ取0.5)2種情況相比,橋面鋪裝層各類應(yīng)力的差值同樣是在0.1 MPa以內(nèi),且均為前者稍大于后者。其中,兩者的第三主應(yīng)力相差最大,差值為0.085 MPa。無(wú)預(yù)埋鋼筋且拉毛質(zhì)量“一般”(摩擦系數(shù)μ取0.5)與有預(yù)埋鋼筋拉毛質(zhì)量“一般”(摩擦系數(shù)μ取0.5)2種情況相比,兩者橋面鋪裝層的各類主應(yīng)力差值均在0.3 MPa以內(nèi),差值稍大于表1中在車輛軸載下兩者的差值。其中差值最大的為第三主應(yīng)力,數(shù)值為0.163 MPa,且均為后者大于前者。由此可見(jiàn),在制動(dòng)力作用下的情況與在車輛軸載單獨(dú)作用下的情況類似,頂板預(yù)埋鋼筋對(duì)橋面鋪裝層的影響不大,預(yù)埋鋼筋會(huì)略微增大橋面鋪裝層的受力,增幅在0.02～0.3 MPa之間。

表2 不同粘結(jié)狀態(tài)下橋梁鋪裝受力對(duì)比(主力+附加力作用) 單位：MPa

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算分析的結(jié)果可得出結(jié)論:

(1)在車輛軸載作用下,箱梁頂板設(shè)置預(yù)埋鋼筋相對(duì)于不設(shè)置預(yù)埋鋼筋而言,橋面鋪裝層的各類應(yīng)力稍大于后者,但兩者的差值較小,差值范圍為0.01～0.2 MPa。即在車輛軸載作用下,預(yù)制小箱梁頂板預(yù)埋鋼筋對(duì)橋面鋪裝層的受力影響不大。

(2)在制動(dòng)力作用下,箱梁頂板設(shè)置預(yù)埋鋼筋時(shí),橋面鋪裝層的各類應(yīng)力稍大于不設(shè)置預(yù)埋鋼筋的情況。對(duì)比兩種情況下橋面鋪裝層的各類應(yīng)力,兩者的差值較小,差值在0.02～0.3 MPa之間。頂板預(yù)埋鋼筋在制動(dòng)力作用下,對(duì)橋面鋪裝層的受力影響不大。

預(yù)制小箱梁預(yù)埋鋼筋對(duì)橋面鋪裝層的受力影響十分微小,因此在對(duì)鋪裝層出現(xiàn)破損問(wèn)題時(shí),可忽略預(yù)埋鋼筋造成的影響。在以后的研究中可以考慮橋面鋪裝層的厚度、兩結(jié)構(gòu)層所使用的材料種類、橋梁結(jié)構(gòu)類型等因素的影響,以優(yōu)化簡(jiǎn)支梁橋混凝土橋面鋪裝層的設(shè)計(jì)。