常用的3种典型桥梁结构的桥面铺装整体力学分析

常用的3种典型桥梁结构的桥面铺装整体力学分析
郭新高
【摘要】以40 m跨预应力混凝土T梁、30 m跨预应力混凝土箱梁和115 m跨预应力混凝土连续刚构为例,采用有限元分析方法,对常用的3种典型桥梁结构的桥面铺装结构进行整体力学分析;通过对典型铺装体系结构的力学分析,掌握其力学状态,为桥面铺装的结构设计提供理论依据.
【期刊名称】《山西交通科技》
【年(卷),期】2018(000)002
【总页数】4页(P49-52)
【关键词】典型桥梁结构;桥面铺装;力学分析;有限元
【作者】郭新高
【作者单位】中海建路桥建设有限公司,山西太原 030012
【正文语种】中文
【中图分类】U443.33
桥面铺装作为桥面系的重要保护功能层，主要起到桥梁承重结构层的保护、桥面安全性、行车舒适性等作用。

因此，桥面铺装层的性能好坏与否，直接影响到桥梁结构的使用年限和车辆的行车安全舒适性。

目前，桥面铺装层常见的病害有裂缝、坑槽、破碎等现象，且发生频率颇高、范围极大，从而导致桥梁结构寿命大大缩减和行车安全隐患加大[1]。

近年来，随着经济的快速增长，各等级公路的交通量增长速度极快，交通特点也不尽相同，铺装层的破坏已成为桥梁的主要病害之一[2]。

为此，从力学和结构角度
出发，采用有限元分析方法，对常用的几种典型桥梁结构的桥面铺装进行分析研究，以掌握铺装层的受力特点。

根据荷载作用形式的不同，分别采用整体分析的模式对桥面铺装进行力学计算分析。

1 力学分析模型的建立
a）理论体系弹性层状体系理论；
b）分析模型有限元力学分析模型；
c）分析软件迈达斯2015。

运用三维有限元分析方法分析荷载作用对“常用的3种典型桥梁结构”内部及铺
装体系的层间应力响应。

1.1 桥梁结构主要尺寸及参数（见表1）
1.2 力学分析参数
1.2.1 40 m T梁和30 m箱梁
a）荷载等级公路-I级；
b）车道荷载系数 2（车道荷载）×1（横向折减系数）×1.25（偏载增大系数）；表1 常见的3种桥型结构主要尺寸及参数桥型和结构体系简支变连续40 m预应
力混凝土T梁简支变连续30 m预应力混凝土箱梁预应力混凝土连续刚构主梁混凝土桥跨布置/m 40+40=80 30+30=60 62+115+62=239梁高/m 2.5 2.8（跨中）、7.3（根部）单T翼缘板宽/m 1.7 —顶板/底板宽度/m —— 12/5.5顶板
厚度/cm —— 30底板厚度/cm —— 30（跨中）、100（根部）C50 C55 26
26 34 500 35 500 0.2 0.2强度等级容重/kN·m-3弹性模量/MPa泊松比沥青铺装容重/kN·m-3弹性模量/MPa泊松比层厚/cm 24 1 050、2 100、4 200 三种
0.25 5、7（3+4）
c）冲击系数 40 m T梁 u=0.153；30 m箱梁u=0.211。

1.2.2 115 m连续刚构
a）荷载等级公路-I级；
b）车道荷载系数 2（车道荷载）×1（横向折减系数）×1.15（偏载增大系数）；c）冲击系数 u取0.05。

2 桥面铺装整体力学分析
整体力学分析中，对简支变连续预应力混凝土T梁桥、简支变连续预应力混凝土箱梁桥及连续刚构桥分别按照《规范》施加公路-I级车道荷载，得到关键截面的最大弯矩和最大剪力。

在此基础上，应用材料力学方法分析截面不同高度即铺装层处的正应力或剪应力。

简支变连续体系桥选用两跨连续体系为分析对象（分析表明，两跨连续体系的内力大于三跨体系，属于最不利体系）。

2.1 结构有限元单元划分
有限元结构单元为空间梁单元，以主梁轴线为基准线划分结构离散图。

40 m T梁共划分30个单元，30 m箱梁共划分32个单元，连续刚构桥全桥主梁共划分74个单元，桥墩46个单元，结构有限元模型如图1～图3所示。

图1 40 m T梁结构离散图
图2 30 m箱梁结构离散图
图3 115 m连续刚构结构离散图
2.2 结构内力计算
通过影响线加载，最不利荷载位置（跨中截面和墩顶截面）的梁体结构内力见表2（弯矩使梁底下缘受拉为正，剪力使梁体顺时针旋转为正，内力正负号规定见图4）。

表2 跨中和墩顶截面内力桥型位置轴力-x/kN最大剪力-Fz/kN 最大弯矩-
My/kN·m 40 m T梁跨中 - 238.96 2 866.76墩顶 - -464.39 -2 444.15 30 m箱
梁跨中 - 160.07 1 550.59墩顶 - -321.75 -1 194.53连续刚构跨中 -146.39 -865.72 17 219墩顶 -116.21 4 401.18 -48 831.3
图4 空间梁单元局部坐标系下内力方向
2.3 正应力和层间剪应力
图5 换算截面铺装示意图
如图5换算截面铺装示意图所示，按照合力大小不变以及形心距中性轴距离不变的原则，将沥青铺装材料转换成与主梁等同的材料，铺装厚度不变[3]，宽度 b1 为：
按照材料力学方法计算换算截面的面积、计算位置距中性轴距离y、截面抗弯惯性矩Iyy、铺装层面积对中性轴的净矩S，根据式（2）、（3）计算沥青铺装层的正应力和层间剪应力（式中，My为弯矩，Fz为剪力）。

计算结果见表3～表8。

表3 40 m连续T梁环氧沥青铺装层正应力（拉为正，压为负）铺装类型位置弹性模量/MPa E1=4 200 E2=2 100 E3=1 050 10 cm水泥混凝土+7 cm环氧沥青（跨中）沥青上缘 -0.367 -0.186 -0.094沥青下缘 -0.344 -0.174 -0.088混凝土上缘 -2.824 -2.865 -2.886混凝土下缘 -2.547 -2.585 -2.605 10 cm水泥混凝土+7 cm环氧沥青（墩顶）沥青上缘 0.276 0.140 0.070沥青下缘 0.260 0.131 0.066混凝土上缘 2.133 2.157 2.169混凝土下缘 1.938 1.961 1.972 10 cm水泥混凝土+5 cm环氧沥青（跨中）沥青上缘 -0.364 -0.184 -0.092沥青下缘 -
0.347 -0.175 -0.088混凝土上缘 -2.848 -2.877 -2.892混凝土下缘 -2.570 -
2.597 -2.611 10 cm水泥混凝土+5 cm环氧沥青（墩顶）沥青上缘 0.273 0.138
0.069沥青下缘 0.261 0.132 0.066混凝土上缘 2.147 2.164 2.173混凝土下缘
1.951 1.967 1.976
表4 40 m连续T梁环氧沥青铺装层间剪应力铺装类型位置弹性模量/MPa E1=4 200 E2=2 100 E3=1 050 10 cm水泥混凝土+7 cm环氧沥青（跨中）沥青铺装与混凝土铺装之间 0.002 08 0.001 05 0.000 53 10 cm混凝土铺装与主梁之间0.024 46 0.023 77 0.023 41 10 cm水泥混凝土+7 cm环氧沥青（墩顶）沥青铺装与混凝土铺装之间 -0.003 56-0.001 80-0.000 91 10 cm混凝土铺装与主梁之间 -0.042 23-0.040 92-0.040 25 10 cm水泥混凝土+5 cm环氧沥青（跨中）沥青铺装与混凝土铺装之间 0.001 48 0.000 75 0.000 38 10 cm混凝土铺装与主梁之间 0.024 06 0.023 56 0.023 31 10 cm水泥混凝土+5 cm环氧沥青（墩顶）沥青铺装与混凝土铺装之间 -0.002 54-0.001 28-0.000 64 10 cm混凝土铺装与主梁之间 -0.041 47-0.040 53-0.040 06
表5 30 m连续箱梁环氧沥青铺装层正应力（拉为正，压为负）铺装类型位置弹性模量/MPa E1=4 200 E2=2 100 E3=1 050 10 cm水泥混凝土+7 cm环氧沥青（跨中）沥青上缘 -0.277 -0.141 -0.071沥青下缘 -0.249 -0.127 -0.064混凝土上缘 -2.047 -2.082 -2.100混凝土下缘 -1.718 -1.750 -1.767 10 cm水泥混凝土+7 cm环氧沥青（墩顶）沥青上缘 0.203 0.103 0.052沥青下缘 0.184 0.093 0.047混凝土上缘 1.511 1.536 1.549混凝土下缘 1.288 1.310 1.322 10 cm水泥混凝土+5 cm环氧沥青（跨中）沥青上缘 -0.272 -0.138 -0.069沥青下缘 -
0.252 -0.127 -0.064混凝土上缘 -2.068 -2.093 -2.106混凝土下缘 -1.737 -
1.760 -1.772 10 cm水泥混凝土+5 cm环氧沥青（墩顶）沥青上缘 0.199 0.101
0.051沥青下缘 0.186 0.094 0.047混凝土上缘 1.526 1.544 1.552混凝土下缘
1.301 1.317 1.325
表6 30 m连续箱梁环氧沥青铺装层间剪应力铺装类型位置弹性模量/MPa E1=4 200 E2=2 100 E3=1 050 10 cm水泥混凝土+7 cm环氧沥青（跨中）沥青铺装与混凝土铺装 0.001 90 0.000 97 0.000 49 10 cm混凝土铺装与主梁 0.021 33
0.020 75 0.020 45 10 cm水泥混凝土+7 cm环氧沥青（墩顶）沥青铺装与混凝
土铺装 -0.003 65-0.001 85-0.000 93 10 cm混凝土铺装与主梁 -0.041 34-
0.040 18-0.039 59 10 cm水泥混凝土+5 cm环氧沥青（跨中）沥青铺装与混凝土铺装 0.001 35 0.000 68 0.000 34 10 cm混凝土铺装与主梁 0.020 99 0.020
57 0.020 36 10 cm水泥混凝土+5 cm环氧沥青（墩顶）沥青铺装与混凝土铺装-0.002 59-0.001 31-0.000 66 10 cm混凝土铺装与主梁 -0.040 67-0.039 84-
0.039 42
表7 连续刚构桥环氧沥青铺装层正应力（拉为正，压为负）7 cm环氧沥青（跨中）7 cm环氧沥青（墩顶）5 cm环氧沥青（跨中）5 cm环氧沥青（墩顶）铺装类型位置弹性模量/MPa E1=4 200 E2=2 100 E3=1 050沥青上缘 -0.241 -0.122 -0.061沥青下缘 -0.225 -0.114 -0.057沥青上缘 0.137 0.069 0.035沥青下缘
0.134 0.068 0.034沥青上缘 -0.238 -0.120 -0.060沥青下缘 -0.226 -0.114 -
0.057沥青上缘 0.136 0.069 0.035沥青下缘 0.134 0.068 0.034
表8 连续刚构桥环氧沥青铺装层剪应力7 cm环氧沥青（跨中）7 cm环氧沥青（墩顶）5 cm环氧沥青（跨中）5 cm环氧沥青（墩顶）铺装类型位置弹性模量/MPa E1=4 200 E2=2 100 E3=1 050沥青铺装与主梁 -0.000 81-0.000 41-
0.000 21沥青铺装与主梁 0.000 86 0.000 43 0.000 22沥青铺装与主梁 -0.000 58-0.000 29-0.000 15沥青铺装与主梁 0.000 61 0.000 31 0.000 15
2.4 正应力和层间剪应力变化规律
a）连续梁及连续刚构跨中截面的环氧沥青铺装层承受压应力，而连续梁负弯矩区及连续刚构墩顶截面的环氧沥青层承受拉应力[4]。

随着环氧沥青弹性模量的减小，环氧沥青铺装承受的正应力或剪应力逐渐减小，其减小幅度与弹性模量成正比。

b）环氧沥青铺装层上缘承受的拉应力（墩顶部位）大于下缘，当模量为4 200 MPa时，对应于铺装厚度7 cm和5 cm铺装上缘的拉应力：40 m T梁为0.276
MPa和0.273 MPa，30 m箱梁为0.203 MPa和0.199 MPa，115 m连续刚构为 0.137 MPa和0.136 MPa。

当铺装材料的抗拉强度小于铺装层中的计算拉应力时，桥面铺装表面就会产生荷载型裂缝。

本计算模型中铺装层拉应力最大值为0.276 MPa。

c）环氧沥青铺装层的剪应力很小，其最大值为0.003 65 MPa（30 m箱梁墩顶部位）。

7 cm环氧沥青铺装层的剪应力比5 cm环氧沥青铺装层的剪应力要相对大一些，变化幅度基本与厚度成正比。

3 结语
通过桥梁结构整体力学分析，可以得出桥面铺装层在连续梁负弯矩区产生拉应力、在跨中位置产生压应力的结论。

在3种代表性桥型结构中，铺装层中最大拉应力为0.276 MPa，最大压应力为0.367 MPa，均产生于40 m T梁，4 200 MPa模量情况下。

由此说明，当铺装层沥青混合料的抗拉强度小于0.276 MPa时，桥面铺装表面就会产生荷载型裂缝，当铺装层沥青混合料的抗压强度小于0.367 MPa时，桥面铺装层就会产生挤压破坏。

大量的试验数据表明，密级配沥青混凝土常温下的抗拉、抗压强度均大于1.0 MPa，因此不会在铺装层中产生荷载型裂缝和挤压破坏。

【相关文献】
[1]沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象预防[M].北京：人民交通出版社，2001.
[2]交通部公路科学研究所.高速公路早期病害预防措施的研究（总报告）[R].2004.
[3]山西省交通规划勘察设计院，山西路翔交通科技咨询有限公司.国产环氧沥青混凝土桥面铺装技术研究[R].2011.
[4]祝隆中.水泥混凝土桥耐久性复合式铺装试验与分析[D].南京：东南大学，2010.。