单室混凝土箱梁铺装层内部应力特征和影响因素研究

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1、单室混凝土箱梁铺装层内部应力特征和影响因素研究　　摘要：采用局部模型研究了单箱单室箱梁混凝桥的铺装层在车载作用下的应力特征及影响因素，对典型的桥梁模型进行了两层次的有限元分析，整桥在车载作用下的受力分析和铺装层在轮载作用下的局部受力分析。分析了荷载位置、超载重量和铺装厚度等对铺装层的受力影响。通过本文研究，确定此类箱梁的危险车载位置，得到了最危险应力随相关参数的变化规律，这为铺装层的疲劳损伤及其使用寿命研究打下了基础。关键词：子模型法；超载；连续刚构箱梁桥；铺装层；弯拉应力；有限元法Abstract:Toinvestigatethestresscharact

2、eristicsandtheinfluencefactoroftheconcretebridgepavementundertrafficload,atwo-levelfiniteelementanalysiswasconducted:thestressanalysisofthewholebridgeunderheavyvehiclesandthelocalstressanalysisofthepavementlayerunderwheelloads.Theinfluenceoftheloadlocation,10loadmagnitudeandthethic

3、knessofthepavementonthestressdistributionofthepavementlayerwasstudied.Throughthisstudythemostdangerouslocationofsuchvehicle-girderandthemostdangerousstresswiththevariationofparameterswereallclear.Thispaperlaythefoundationforthestudyofthefatiguedamageandthelifeassessmentofthepavemen

4、tonsimilarbridges.Keywords:submodelingtechnique；overload；continuousrigidframeboxgirderbridge；pavement；flexural-tensilestress；finiteelementmethod.中图分类号：[TQ178]文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）1前言桥面铺装是桥梁结构的重要组成部分，直接承受车轮疲劳荷载和周围环境因素的作用，是分散车轮荷载、保护行车道板不可缺少的部分。混凝土铺装层养护完成后含有微裂纹和微缺陷，在车载和环境因素作用下，铺

5、装层内的微裂纹与微缺陷将扩大成宏观裂纹或缺陷，最终导致疲劳破坏[1]。未开裂混凝土铺装层抵抗车轮荷载作用主要依靠横向弯曲效应，开裂后主要依靠起拱效应[2]。10对于大跨桥梁，建立整桥三维模型对计算机和软件的性能要求又太高，对于轮载作用附近区域，网格太稀疏不能得到满意的结果，如果全桥采用高密度网格，则计算成本过高。子模型法能够较为有效地解决这一问题[3]，它基于圣维南原理，先计算采用较稀疏网格的整体模型，再对关注的局部区域进行加密网格划分，再施加以整体模型计算得到的局部模型边界条件和荷载作用来进行关注区域的计算和分析。2.车载作用下有限元模型2.1几何尺寸整体

6、模型选自文献[4]工程实例。该桥为三跨连续刚构变截面箱梁桥，全长160m，其中边跨跨径40m，中跨跨径80m；采用直腹板单箱单室结构，顶面宽12m，三车道，单车道宽3.5m，两边各留0.75m作为护栏宽度。下部箱体宽度6.5m，最小梁高2.5m，桥墩顶部梁高4.5m，主梁高度采用二次抛物线变化。纵桥向整体模型如图1所示。图1桥梁整体有限元模型2.2整体模型纵桥向车载加载位置10梁体、铺装层均采用有限元软件ANSYS中20节点实体单元solid95模拟。整桥模型纵桥向单元网格尺寸0.5m,车载按照集中荷载施加。集中荷载取规范[5]中公路-Ⅰ级汽车荷载，纵桥向最

7、不利位置计算选用ANSYS中梁单元进行瞬态计算，求解不同加载位置的桥梁响应。计算结果取使跨中截面取得最大竖向位移荷载位置为纵桥向最不利位置[4]，车载分布如表1所示。表1纵桥向最不利荷载布置根据圣维南原理，子模型法线性内插边界条件需离局部荷载较远，因此局部模型沿纵桥向选取整体坐标为77m至85m的部分（从整桥模型最左端算起），即公路-Ⅰ级汽车荷载两后轴（各140kN）作用位置前后共8.0m的区间，局部模型铺装层顶面和箱梁截面网格尺寸为0.2m，铺装层按厚度等分为五层单元，横桥向按全桥模型施加面荷载。局部面荷载考虑：竖向压力、冲击力、制动力[6]，公路-Ⅰ级汽

8、车后轴轴载140kN，按照文献[5]，第四轴、第五轴