正交异性钢桥面板铺装层受力分析

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第4卷第2期交通工三输工程学报'Vol.4No.22004年6月JournalofTrafficandTransportationEngineeringJune2004文章编号:1671一1637(2004)02-0010-04正交异性钢桥面板铺装层受力分析钱振东剑(东南大学交通学院南京210096)摘要:针对现有铺装层常见的纵向裂缝、推移、局部拥包、搓板等破坏形式，应用有限元法分析了不同位置的荷载叶铺装层最大拉应力、最大剪应力和表面最大竖向位移的影响，并比较了单轮荷载和双轮荷载作用下铺装层受力的差异。分析表明，水平荷载对铺装层的影响主要体现在剪应力方面，且对纵向剪应力的影响很大;当以铺装层最大拉应力作为设计指标控制铺装层开裂破坏时，单轮荷载的计算结果较双轮荷载的大;当以粘结层的剪切应力作为设计指标控制铺装层的剪切破坏时，双轮荷载的计算结果较单轮荷载的大。关键词:路面工程;正交异性钢桥面板;铺装层;有限元法;竖直荷载;水平荷载中图分类号:U443.33文献标识码:APavementstressanalysisoforthotropicsteeldeckQIANZhen-dong，LUOJian(SchoolofTransportation,SoutheastUniversity,Nanjing210096，China)Abstract:Aimingatthecommondamageofsteelbridgedeckpavement，suchascracking,pushingandlocalpackingandsoon，theimpactsofpavementonorthotropicsteeldecksuchasmaximumtensilestress，maximumshearstressandmaximumdeflectionundertheactionofverticalandhorizontalloadwereanalyzedusingfiniteelementmethod，andthedifferentmechanicalresultsofpavementunderthesingle-wheelloadandunderdouble-wheelloadwerecompared.Analysisresultsshowthatthehorizontalloadhasgreateffectsonshearstressofpavement，especiallylongitudinalshearstress.Whenchosingthemaximumtensilestressofpavementasdesigncontrolindex,thesimulationresultsofsingle-typeloadarelargerthanthoseofdouble-typeload.Whenchosingthemaximumshearstressofbondcoatasdesigncontrolindex，thesimulationresultsofdouble-typeloadarelargerthanthoseofsingle-typeload.3tabs，5figs，6refs.Keywords:pavementengineering;orthotropicsteeldeck;pavement;finiteelementmethod;verticalload;horizontalloadAuthorresume:QIANZhen-dong(1969-)，female，PhD,associateprofessor，86-25-83793269，gianzd@seu.edu.cn.桥的建设中，如已经建成的江阴长江公路大桥、南京0引言长江二桥南汉斜拉桥和正在建设的润扬长江大桥、作为一种常用的加劲梁结构，采用纵向加劲肋苏通长江大桥、杭州湾大桥等。从桥梁总体上考虑，的扁平流线形钢箱梁，被广泛应用于中国大跨径钢扁平流线形钢箱梁具有跨度大，自重轻，风荷载阻力收稿日期:2003-08-05作者简介;钱振东(1969)，女，江苏南通人，东南大学副教授，博士.从事结构工程和路面结构研究.万方数据 第2期钱振东，等:正交异性钢桥面板铺装层受力分析小，油漆表面处理容易，无纵梁伸缩接头.行驶性好影响。分析模型的约束条件为:横隔板底部完全约等优点厂’〕，但其通车后桥面的破坏问题难以解决。束，横桥向边缘无横向水平位移，纵桥向边缘无纵向大量的研究和试验结果表明，这是由于桥面板是由水平位移。计算荷载选用汽车一超20级车队中重车纵向加劲肋、横隔板及面板所构成的正交异性板，纵后轴的一侧轮胎(分为单轮和双轮2种情况)，见表to向加劲肋、横隔板在提高桥梁整体结构承载力的同荷载作用面积通过轴重和标准胎压反.算得出，约为时对沥青铺装层的受力有不良的影响。目前在进行92000mm'，见图2，荷载沿纵桥向作用宽度定为200桥面铺装体系受力分析时，多采用单轮作为计算荷mmE31;当荷载为单轮荷载时，横桥向作用宽度通过计载，且不考虑水平荷载对铺装层受力的影响，这和实算为460mm，当荷载为双轮荷载时，轮胎间隙实测值际情况是有一定差别的。本文以闭口梯形加劲肋正为98mm，近似取为100mm;荷载宽度范围取为2X交异性钢桥面铺装体系作为研究对象，应用有限元230mm+100mm=560mm，水平荷载取为矩形均布方法，分析了在水平和竖直荷载作用位置沿横向变荷载，其大小等于竖向荷载乘以水平荷载系数，文中化时，沥青铺装层的受力变化规律，并比较了双轮和水平荷载系数取0..3E41.单轮荷载对铺装层受力的影响。表I计算荷载Tab.ICalculationload1计算模型车辆后轴标准胎压纵向宽度横向宽度荷载类型荷载等级1.1研究对象重/kN/MPa范围/mm范围/mm由于加劲肋的作用，桥面板对车辆荷载的应力单轮荷载130汽一超200.707200460双轮荷载130汽一超200.707200560应变响应具有很强的局部性，在荷载作用附近的2个加劲肋宽度范围内应力应变出现峰值，然后向四单轮荷载双轮荷载周迅速衰减121，故本文选取一块如图1所示的正交异性桥面板作为研究对象。桥面沿横桥向取7个梯形加劲肋，沿纵桥向取3跨，包括4块横隔板。桥面顶板厚度为14mm，铺装层分2层共600mm，铺装图2荷载作用范围(单位:mm)上层厚度为350mm，下层厚度为250mm，弹性模Fig.2Areaofload量分别是600MPa和300MPa，泊松比均为0.3;梯形加劲肋高度为280mm，肋开口宽度为300mm,2计算分析肋闭口宽度为170mm,厚度为8mm，两相邻加劲纵向保持跨中位置不变的荷载沿桥横向水平移肋中心间距为600mm,横隔板厚度为8mm;桥面动，单轮荷载共作用了4个位置[51，见表2，双轮荷顶板、加劲肋以及横隔板均采用16Mn低合金钢，弹载作用9个位置，见表3。为了便于比较单双轮的性模量为2.1X10'MPa，泊松比为0.250区别，将单双轮作用特征相同的位置取相同编号，故单轮荷位为1,3,7,90阵纵桥向阮一一一夕a200_i衰2单轮荷载作用位tTab.2Locationofsingle-tireload荷载编号荷载横向位置荷载横向位置说明对应双轮荷位.....荷载中心作用在加劲肋中I甘了口3心的正上方....荷载中心作用在加劲肋左2口甘口I侧肋的正上方图I正交异性桥面板分析模型(单位:mm)Fig.1Analysismodeloforthotropicsteeldeck.....荷载左侧边缘作用在加劲3甘甘口71.2力学分析肋右侧肋的外边缘本文采用有限元法，应用空间8节点块单元离散.....荷载中心作用在两加劲肋4分析模型，假设铺装层为完全连续的各向同性弹性甘甘口9中心的正上方体，铺装上层与铺装下层之间、铺装下层与钢板之间2.1竖直荷载对铺装层受力的影响的层间接触是完全连续的，且计算时不计结构自重的钢桥面铺装层的主要破坏类型有车道部位纵向万方数据 12交通运输工程学报2004年裂缝和波浪推移以及局部拥包、网裂、粉碎性裂缝装层破坏的主要技术指标。通过计算可知仅在竖直等[[s1。铺装层最大竖向位移、铺装层表面最大拉应荷载作用下时铺装的最大拉应力、剪应力方向均为力、最大剪应力以及粘结层最大剪应力，都是控制铺横向，不同横向荷位的计算结果见图30日.d04日、芝.静只划翅0飞杖称.︸嘱曰双轮拭口双轮厄嘱0，‘酬口单轮健…口单轮胭娜粥旧01渊粥年娜年001234567S9荷载作用位置荷载作用位置目.白04d芝芝/只长创侧0，J留把杖日双轮杖日双轮嘱嘱nZ厦口单轮谊口单轮娜娜噢旧01织娜龚娜军o01234567S9荷载作用位里荷载作用位置图3竖直荷载下铺装层的受力状态Fig.3Mechanicalanalysisundervertical由图3可以看出，当荷载沿桥横向移动时引起衰3双轮荷载作用位2铺装层最大竖向位移，铺装层表面最大横向拉应力、Tab.3Locationofdouble-tireload最大横向剪应力以及粘结层间最大横向剪应力的荷荷位标号荷载横向位置荷载作用位置说明对应单轮编号位称之为最不利荷位。单轮荷载作用下分别是荷位....双轮荷载间隙中心落在加1甘口一U23,9,1,1，双轮荷载作用下分别是荷位2,6,1,10劲肋侧肋中心正上方通过分别比较单双轮下最不利荷位处的各项力....双轮荷载右侧轮内侧落在2甘C厂v学指标可知，单轮荷载下铺装层最大竖向位移比双加劲肋右侧肋外边缘轮荷载作用下的大10%左右，双轮荷载下最不利荷....双轮荷载的间隙中心落在3甘入了口1位铺装层表面最大横向拉应力比单轮荷载作用下的加劲肋中心正上方大20%左右，双轮荷载下的铺装层表面最大横向剪.....双轮荷载右侧轮中心落在4口飞了口应力比单轮荷载下的大21%左右，双轮荷载下粘结加劲肋中心正上方层最大横向剪应力与单轮荷载下的大致相同。.曰....双轮荷载左侧轮内侧落在s甘’份一习2.2水平荷载对铺装层受力影响加劲肋左侧肋外边缘水平荷载是车辆沿桥纵向行驶而产生的摩擦....双轮荷载右侧轮外侧落在力，对铺装层竖向表面位移、横向拉应力、横向剪应6口入JU加劲肋右侧肋内边缘力以及粘结层间横向剪应力的影响并不大，对铺装....双轮荷载左侧轮外侧落在层的作用主要体现在铺装层表面与粘结层的纵向剪7、了’口口3加劲肋左侧肋外边缘应力上，计算结果见图40....日1一双轮荷载右侧轮内侧落在从图4可以看出，双轮荷载情况下引起铺装层s口一V百加劲肋左侧肋内边缘表面最大纵向剪应力、粘结层最大纵向剪应力的最不利荷位分别为荷位6,9，单轮荷载下分别为荷位...二双轮荷载的间隙中心落在9V’VV4两加劲肋中心正上方7,9。单轮荷载下最不利荷位处铺装层表面最大纵向剪应力比双轮荷载下的大22%左右，单轮荷载下最不利荷位处粘结层最大纵向剪应力比双轮荷载下万方数据 第2期钱振东，等:正交异性钢桥面板铺装层受力分析目0J加d的大10%左右。芝j秋0注15创2.3水平与竖直荷载综合作用下铺装层受力分析擂0J10水平与竖直荷载综合作用下铺装层的力学响应但口双轮漆拭n注05口单轮可以根据线弹性理论将2部分计算结果叠加生成，︸喂噢0100见图5,织龚通过图5可以看出，引起铺装层最大竖向位移、0刀95铺装层表面最大横向拉应力、最大纵向剪应力、最大.d住即荷载作用位置横向剪应力以及粘结层最大纵向剪应力、粘结层最芝、只大横向剪应力的最不利荷位分别为:单轮荷载下荷创01.5划位为3,9,7,1,9,1，双轮荷载下荷位为5,6,2,1,5,尽曰双轮瑞仪托1。通过图5与图3的比较可以看出，在水平和竖直拭口单轮崛荷载综合作用下引起铺装层最大竖向位移、铺装层旧氏05粥表面最大拉应力、最大剪应力以及粘结层最大剪应渊挥住00力的最不利荷载位置与竖直荷载作用下的完全相同，且应力增幅不大。通过图5与图刁的比较可以荷载作用位置看出，水平和竖直荷载综合作用下引起铺装表面最图4水平荷载对铺装层的影响大纵向剪应力、粘结层的最大纵向剪应力的最不利Fig.4Effectofhorizontalloadonpavement荷载位置与竖直荷载作用下完全相同，但较竖直荷.d芝04日/已只、枪创0飞划粼~谊口双轮厄曰双轮斟坏0，口单轮杖‘拭口单轮暇嘱渊旧01年粥娜塞0023456789目荷载作用位置荷载作用位里d.0月﹃芝d芝:、长、创只0今倒﹂留留疽叼双轮蒸疽么双轮拭口单轮蒸杖口单轮喂旧喂粥噢织绷年探On:l23456789荷载作用位置月荷载作用位置白署.0通d，只芝创/只留侧0.3尽称招日双轮厄口双轮杖口单轮娜0.2喇杖口单轮旧暇粥噢0.1噢想热拐军23456789荷载作用位置荷载作用位置图5竖直与水平荷载对铺装层的影响Fig.5Effectofverticalandhorizontalloadonpavement(下转第18页)万方数据 18交通运输工程学报2004年程实践中，为了保证土体有足够大的抗剪强度，应严关系，且在最佳含水量附近达到最大值;随压实度的格控制土体的含水量和压实度，确保工程正常使用。增大而增大，基本呈线性增长关系。研究表明，提高黄土路基整体稳定性的关键途4结语径，既要重视路基路面综合排水设计，严格控制土体(1)黄土压实后土体仍具湿陷性，随含水量增加含水量，又要提高路基压实度标准。而减小，随干容重和压实功减小而增大。在工程实参考文献:践中，为了防止黄土压实后土体的湿陷性，要求击实References:试验采用重型击实标准，施工现场应严格控制填料[1]刘东生.黄土与环境[M].北京:科学出版社.,1985.的含水量。〔2]中国科学院土木建筑研究所.黄土与黄土状亚枯土的建筑性质(2)含水量对黄土压实后土体的基本性质有很[M].北京:地质出版社，1956.厂卜几j大影响，表现为饱和度随含水量的增大而减小;渗透IJ刘祖典.黄土力学与工程[M].西安:陕西科学技术出版社，系数随含水量的增大在最佳含水量附近有一个峰1997.FA刁LLJ黄文熙.土的工程性质〔M].北京:水利水电出版社，1984.值;当含水量稍大于最佳含水量时，土体随含水量的LS刁L﹂陕西水利科学研究所.西北黄土的性质「M]西安:陕西人民出增加压缩性显著减小，但土体的稳定性因水分增加版社，1959.厂扣﹃而减弱。.hJ﹂GB/T50123-1999，土工试验方法标准〔S].厂l︸|(3)黄土压实后土体抗剪强度随含水量和压实.l|1JTJ051-95，公路路基设计规范【S].厂R1|L|度有一定的变化规律，表现为与含水量呈曲线变化1JTJ051-93，公路土工试验规程FS]~.一一一一一~~~、~一、一~一一一一一一一(上接第13页)分析铺装剪切破坏时，应该考虑横向剪应力与纵向载作用下应力增幅较大，尤其是粘结层的最大纵向剪应力的共同作用。剪应力增幅十分明显，平均达到90%0参考文献:3结语References:厂1门I1，L︺刘健新，胡兆同.大跨度吊桥〔M].北京:人民交通出版社，本文以正交异性钢桥面铺装体系作为研究对1995.L夕﹁象，研究荷载对铺装层应力影响，因为车辆荷载作用es.JL︸茅荃.大跨径桥梁钢桥面铺装力学特性研究ED].南京:东南具有很强的局部效应，故通过分析模型得出的规律，大学，2000.Ln-刁-n﹂可以反映桥面铺装实际受力状况。L顾兴宇.不同轮载对钢桥面沥青铺装层受力的影响〔J〕.公路交(1)作为荷载的2种接地形式单轮和双轮有着通科技，2002,19(2):56-59.GUXing-yu.Effectsofvarioustypeloadontheasphaltpave-各自的优点，其中单轮荷载作用形式较双轮荷载简mentonsteeldeck[J].JournalofHighwayandTransportation单，而双轮荷载却比单轮荷载更接近实际。荷载的ResearchandDevelopment,2002,19(2):56-59.(inChinese)选取应根据实际情况而定，当以桥面最大拉应力作邓学钧.水平荷载作用下的路面结构应力[1].岩土工程学报，为设计指标控制铺装开裂破坏时，单轮荷载的计算2002,24(4):427-431.结果较双轮荷载的大;当研究铺装层的剪切破坏时，DENGXue-jun.Thestressofroadstructureunderhorizontal双轮荷载的计算结果较单轮荷载的大。load[J].JournalofGeotechEngineering,2002,24(4):427-431.(inChinese)(2)在分析铺装层最大竖向位移和表面最大横钱振东.正交异性钢桥面铺装层的力学特性分析〔J」.交通运输向拉应力时，水平荷载的影响很小，可以忽略不记，I程学报，2002,2(3):47-51.只考虑竖直荷载的作用。QIANZhen-dong.Mechanicalpropertyanalysisofpavement(3)水平荷载对铺装层的影响主要体现在剪应onorthotropicsteeldeck[J].JournalofTrafficandTranspor-力方面，且对纵向剪应力的影响很大。在水平和竖tationEngineering,2002.2(3):47-51,(inChinese)[6]BildS.Contributiontotheimprovementofthedura-bilityof直荷载综合作用下，铺装表面与粘结层的最大横向asphaltpavementonorthotropicsteelbridgedecks[。〕.剪应力略大于相应位置的最大纵向剪应力，因此在Achen:RWTHAchen.1985.万方数据