钢-混凝土组合梁桥沥青混凝土铺装层力学响应.pdf

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1、桥梁工程钢-混凝土组合梁桥沥青混凝土铺装层力学响应贺大朋，苗英豪（北京工业大学城市交通学院，北京100124）摘要：采用有限元分析方法，在考虑桥梁整体变形与局部车轮荷载共同作用的条件下，对钢-混凝土组合梁桥桥面铺装体系进行了力学分析，并与普通路面结构计算模型进行对比，总结出钢-混凝土组合梁桥桥面铺装受力特点，找出了最不利轮载作用位置，确定了铺装层设计控制指标，为钢-混凝土组合梁桥桥面铺装受力分析提供了理论基础。关键词：钢-混凝土组合梁桥；桥面铺装；有限元分析；力学响应中图分类号：U416.2文献标志码：B文章编号：1009

2、-7767（2015）02-0070-04MechanicalResponseofAsphaltConcreteDeckPavementofSteel-concreteCompositeBeamBridgeHeDapeng，MiaoYinghao桥面铺装与一般路面在受力模式上有显著差异，其工作状态既有路面工程的特点，又有桥梁工程的特征。我国近年修建的桥梁，铺装层出现了很多早期病[1-2]害，造成了巨大的经济损失。钢-混凝土组合梁桥作为新兴桥梁类型，在大、中跨径桥梁中有广泛应用。然而，现行桥梁和路面设计规范对这类桥梁的铺装层

3、设计均没有明确的规定。笔者结合京台高速公路（北京段）工程，采用有限元分析方法，综合考虑桥梁整体变图1主梁横断面（cm）形与局部车轮荷载的共同作用，分析了桥面铺装结构荷载最不利作用位置，探讨了桥面铺装材料力学性能控制指标。1工程概况京台高速公路（北京段）工程的一段钢-混凝土组合连续梁桥共5跨，主梁35m+35m+54m+31.5m+31.5m，全长187m。主桥范围单幅桥面宽20.3m。桥面图2主梁立面及桥墩位置（m）铺装体系由混凝土桥面板、防水层和沥青混凝土铺装组成。钢梁采用Q345钢，桥面板采用C50混凝土，沥青铺装层与

4、桥面板层间完全连续，没有相对位移。混凝土铺装下层为6cm中粒式沥青混凝土（AC-20C），为保证分析的精确度，采用全桥建模，铺装层采用上层为4cm沥青玛蹄脂碎石（SMA-16）。桥梁横断面六面体单元，钢-混凝土组合梁采用四面体单元，0号、如图1所示，桥梁立面及桥墩位置如图2所示。5号墩支座约束纵向、横向、竖向位移，1号、2号、3号、2桥面铺装有限元分析模型4号墩支座约束横向、竖向位移。计算模型如图3所示。采用通用有限元分析软件ABAQUS，以弹性理论假定沥青铺装层为弹性，弹性模量取20℃对应的为基础，运用三维有限元法对桥面

5、铺装的层间剪应力回弹模量，铺装层及桥梁结构材料参数如表1所示。及铺装层内部应力、应变进行计算分析。分析中假定JTGD50—2006《公路沥青路面设计规范》中的标桥梁工程对于每种横向的荷位，沿纵桥向在2号墩墩顶、1～2号墩跨中布置2种纵向荷位。3.2铺装层表面最大纵向拉应力（拉应变）最不利荷位在单次轮载作用下，铺装层所受纵向拉应力超过它的抗拉能力时便会出现横向裂缝；多次轮载作用下，铺装层顺桥向（纵向）拉应力较大时，也易产生横向疲劳裂缝。因此，铺装层表面最大纵向拉应力可以作为[4]控制铺装层表面开裂的一项重要控制指标。确定铺装

6、层表面最大纵向拉应力、拉应变以及对应的荷载位置具有重要意义，图5和图6分别给出了不同荷载位图3计算模型置对应的沥青混凝土铺装上层和下层表面最大纵向拉应力和最大纵向拉应变，并同时给出了铺装上层的表1材料参数一览表层底拉应力做对比分析。项目弹性模量/MPa泊松比厚度/cm铺装上层（SMA-16）12000.354铺装下层（AC-20C）11000.36混凝土桥面板（C50）345000.2钢梁（Q345）2060000.28准轴载为单轴双轮组100kN，轮胎接地为双圆垂直均布荷载，压力0.7MPa。由于有限元建模中圆形荷载的建

7、立较困难，因此根据规范中标准轴载的定义，将轮胎接地荷载简化为2个方形均布荷载，单轮作用范围图5铺装层表面最大纵向拉应力曲线[3]取为18.9cm×18.9cm，双轮中心距32cm。为了模拟机动车刹车情况，分析中还将轮胎与路面间的水平摩擦力纳入计算模型，摩擦系数取0.5。由于钢-混凝土组合梁桥跨径较大，桥梁整体变形会影响铺装层的受力状态，这种影响是不可忽略的，因此在考虑局部轮压荷载的同时，计入整桥车道荷载引起的桥梁变形的影响。将整体车道荷载通过受力影响线加载的方式作用于桥面，以使对应的铺装层位置达到最不利的受力状态。3桥面铺

8、装体系最不利荷载位置分析图6铺装层表面最大纵向拉应变曲线沥青混凝土桥面铺装层的破坏主要与桥面铺装层的应力状态有关。为较准确地分析局部应力状态的由图5、6可见，轮载作用在墩顶位置时，沥青混分布特性和变化规律，需要找出最不利的荷载位置。凝土铺装上、下层表面最大纵向拉应力和拉应变均大3.1荷载布置位置于轮载作