混凝土桥桥面铺装力学分析_汪东杰.pdf

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HNSHAIGHIAHWGsAY⑧混凝土桥桥面铺装力学分析’,2,2汪东杰王晓磊黄晓明(浙江省交通投资集团有限公司’东南大学交通学院2)摘:,,要针对钢管混凝土系杆拱桥的受力特点建立力学分析模型对桥面铺装体系进行受力分析找出铺装层的最不利荷载位置,,,和加载方式研究该位置和加载方式下铺装层的应力应变规律确定铺装层设计的各个控制指标为桥面铺装。层设计提供力学理论依据:;;关健词钢管混凝土系杆拱桥桥面铺装力学分析0概述随着我国公路建设的不断发展,各种形式的桥梁。不断涌现钢管混凝土系杆拱桥以其良好的力学性能,。和施工的优越性能促进了拱桥体系施工方式的进展,,。该桥结构新颖造型优美得到了广泛应用桥面铺装。层性能的好坏直接影响拱桥的使用性一能目前针对钢,,管混凝土拱桥沥青铺装层还没有相应的设计规范并且桥面铺装层在行车荷载和整桥变形的共同作用下受。,力状态十分复杂因此有必要通过建立钢管混凝土拱桥桥面铺装体系的有限元分析模型,分析铺装层应力,应变的分布规律为桥面铺装的设计和科研提供理论。支持本文所计算的钢管混凝土拱桥纵桥向计算跨径95.5m,桥面净宽为19.37m。采用双层铺装结构,桥面m,板为1c2厚C50素水泥混凝土其上现浇csm厚C4O钢。纤维水泥混凝土图2设计荷载轮胎接地几何尺寸/mm1计算模型。,表分析计算时采用系杆拱桥的实际模型建模时以1桥面各层有限元计算参数,,桥面铺装层顶面的一个角点为原点xy层号材料名称厚度为横桥向轴为人cIm回弹模量刀MaP泊松比拜竖向,z轴为顺桥向。计算时假设沥青铺装层和桥面板lAC一131改性沥青混凝土422X()0.252AC一201改性沥52仪刃0.25、、,。青混凝土都为均匀连续各向同性材料模型如图1所示考虑.3C40钢纤维水泥混凝土8350(Xj015,,到桥在实际受力时一端为固定支座另一端为滑动支4C50素水泥混凝土l235峨洲洲)0.15,座在有限元计算模型中纵桥向一端固定三个方向的、,,。因桥纵横向具有对称性故只在半桥的相邻两个位移另一端固定竖向和纵桥向位移有限元模型计算,。,:参数见表1计算荷载采用后轴为lokN标准轴载即车道上施加工况横向13列从桥外侧到第二行车道...、、、,o8885m(纵肋处)l6885m24885m(纵肋处)单侧垂直荷载为50kN将轮胎接地面积等效为正方形.、.、.、.面积,保持两轮中心距不变。水平摩擦因数户0.2,即水32885m40885m(纵肋处)48885m56885m(纵肋、.、.、.、.平荷载取o.2x50=10kN。荷载示意如图2所示。处)64885m72885m(纵肋处)80885m88885m(纵..、96885:一一17肋处)m和104885m(纵肋处)处(共有7处是在收稿日期20()610上吟么岭No·`“07 ··S····1⑧二型预制板纵肋上);排:8一纵向作用位置从桥头到跨铺2装层受力分析中,依次为12.25m、17.575m、22.9m(中横梁处)、28.225m、2.1最不利荷位3.3m、3.85、587m42m(中横梁处)和4.775m处(共有2本文对104种荷位下铺装层的纵横向拉应力和剪,。,。处在中横梁上);共组合成104种工况如图3所示应力进行了计算计算结果见图4和图5所示ll.,l二一止」L七二电r口脚目LJ目Zm最。C油()撰姗8280684...`曰.还三口.目三.`日U.目仁卫..不/;二X(m).日.三曰.目三.二U.曰.自月一仁~,口自口二圣..三利`.,目娜`」娜.,口自口`~,口肠月二圣..圣荷-价日二目目`」.横{..三.汇,.三,内幽r内.口U目L.娜、二二.心.-.仁,.桥96885.日.-任曰r~幽三二-U`向104885120885二13.688515.288516.888518488519.37,一图3104个荷载作用位里分布情况(b)纵向(b)纵向图4各工况下各铺装层最大拉应力图5各工况下各铺装层最大剪应力No.l207上够么峨43 S···`S“⑧一:计算结果可知(1)荷载作用于两横梁间时取得最大主应力、最大。横向拉应力和最大纵向拉应力纵向剪应力在两种工况下最大值、绝对值大小区别不是很明显,即最大纵向剪应力绝对值大小基本不受荷载是否作用于有中横梁。的铺装层影响(2)铺装层的最大拉应力是在荷载作用下桥边缘。纵肋上的铺装层的工况时取得的(3)荷载作用在横桥向0.8885m、纵桥向47.75m(跨,二二中)的情况是全桥的最不利荷位(其坐标为.08885m_,.,。z广0拼775m)如图3所示.22最不利加载方式,因此加载方式有两类:一类设计荷载是双轮荷载是以双轮荷载中心点作为控制点;另一类是以双轮荷(b)第二种加载方式,如图。图7车轮附近的节点应力云圈(变形放大1000倍)载中一个轮载的中心点作为控制点6所示。层的开裂破坏以双轮荷载中心点作为控制点作用在口比以双轮荷载中一个轮载的中最不利荷位上得到~心点作为控制点作用在最不利荷位上的口翔川大31.2%,故以双轮荷载中心点作为控制点是控制铺装层拉应力,的最不利加载方式即双轮荷载中心点作用在跨中靠a()第一类加载方式。边缘的纵肋顶上是铺装层拉应力最不利荷位口口口口曰口口口口门口口曰口口口表2不同加载方式下铺装层的最大拉应力与拉应变曰口口口口口口口歌口口口口曰口口口加载方式以双轮荷载中心以双轮荷载中一个轮载应力应变指标点作为控制点的中心点作为控制点卜一一一一望虹一一一}一最大横向拉应力氏回服Pa0.10470.0798b()第二类加载方式最大横向拉应变`Jl护4030“”.图6两种不同加载方式(O表最不利荷位单位mm)最大纵向拉应力口~服aP.00648.00671七3030最大纵向拉应变`夕10由图,,7可知两种加载方式下轮胎附近节点上应,。力分布规律是类似的:并且最大值均发生在车轮附近由图8可知,,所以在进行铺装层内部及层间控制指标分析时可以在车轮正下方横桥向正应力为负即产生的是压.、。,z统一取以双轮中心为形心横桥向14m顺桥向Zm的长应力除在两轮中心偏前(车轮行进方向为前即轴正方形范围为研究对象,对两种布载方式下各指标变化向).005m处有个最大拉应力.17M,在最大值的O04aP外。,规律进行对比研究横断面方向离车轮外缘.005m处还有两个拉应力比最.23层内及层间控制指标分析。大拉应力小的峰值均约.0ol6MaP所以铺装层表面有.23.,层内拉应力应变分析三个位置容易出现拉裂破坏。,根据图7所示的两种加载方式对车轮附近的铺装.2.32铺装双层间最大剪应力分析,。,,层体系进行计算结果如表2所示可知铺装层内的最根据表3中的计算结果可以看出铺装层内的纵,,了了大横向拉应力与最大主应力大小几乎相等且横向最向最大剪应力~均明显大于横向最大剪应力~则。,,大拉应力均明显大于纵向最大拉应力因此将横桥方铺装层层间剪应力的控制方向是顺桥方向铺装层向作为铺装层拉应力的主要控制方向,将横向拉应力层间粘结破坏的主要控制指标就是层间的纵向剪应,。作为铺装层设计的一个重要控制指标进而控制铺装力气。上么.l207哆峨No ······1⑧S一,小相当峰值出现在另一个车轮的前缘中心即靠近桥。梁边缘左轮也是比较容易发生剪切破坏的位置(2)在行进车轮作用下可能发生铺装层层间破坏、。的范围是包括车轮作用面积的横桥向.08m顺桥向.07m,(3)纵向剪应力随着深度增加而增大并在层间结。合处有明显的突变第二层的AC一161与水泥混凝土桥。面板的层间结合处的突变尤为显著c.沿纵断面图8铺装层横向正应力在最大值点的分布圈表3不同加载方式下铺装层层间最大剪应力与剪应变加载方式以双轮荷载中心以双轮荷载中一个轮载c.沿纵断面应力应变指标点作为控制点的中心点作为控制点图9铺装层层间纵向剪应力在最大值点的分布图最大横向剪应力r颐JMaP0.10750.1096最大横向剪应变、副10七130130最大纵向剪应力、JMaP0.16170.1624.2.33铺装下层与水泥混凝土桥面板间最大剪应力最大纵向剪应变,%副l护l9l9分析根据表,4中的计算结果可以看出铺装层与桥面板由图:9可知的纵向最大剪应力乞~均明显大于横向最大剪应力、,,(l)层间纵向剪应力剪应变最大值出现在第一层丁却砚则层间剪应力的控制方向是顺桥方向铺装层与,层底且靠近行车道中线的右轮前缘中心此处便是铺混凝土桥面板的层间粘结破坏的主要控制指标就是层。,装层间最容易发生剪切破坏的位置同时另外一个大。间的纵向剪应力爪No.12007上哆么峨45 S··`S“一一一」唾翻自-⑧一一一表一4不同加载方式下铺装层与桥面板—层间—(2)行进车—轮作用下可能发生铺装层与桥面板层最大剪应力与剪应变间破坏的范围是包括车轮作用面积的横桥向、.09m顺加载方式以双轮荷载中心以双轮荷载中一个轮载桥向0·gmo应力应变指标点作为控制点的中心点作为控制点最大横向剪应力下~朋P0133101460(3)行a进车轮作用下发生铺装层与桥面板层间破,最大横向剪应变、夕1护130130坏的可能性是明显大于铺装层间可能发生的破坏其最大纵向剪应力仁0174301753a奋MP中第二层铺装层底受到的最大剪应力比第一层铺装层最大纵向剪应变扎1护190190。底大8%所以保证铺装层与桥面板之间不发生剪切破由图:10可知。坏是最为关键的(l)铺装层与桥面板层间纵向剪应力、剪应变最大24不同超载情况对各指标的变化规律值出现在第二层层底且靠近行车道中线的右轮前缘中本文考虑到我国高速公路大型超载车辆较多这一。,心同时还有另外一个大小相当峰值出现在另一个车,实际情况计算分析超载30%和超载60%两种桥面铺,轮即靠近桥梁外缘的左轮前缘中心也是比较容易发,,装层受力情况并与不超载情况进行对比以说明超载。生剪切破坏的位置,。车对桥面铺装层受力的影响分析结果如表5表5不同超载下的各控制指标值应力应变指标不超载超载3介汤超载60%最大拉应力口`加aP0.10470.1670.2051佑43587l最大拉应变,耐10最大层间剪应力`奋MaP0.17530.50230.6182币!571703最大层间剪应变孔奋1090,,随着超载率的增加各控制指标值均迅速增大远。,远超过了超载系数的增加的情况其中受超载影响最。大是铺装层与桥面板层间最大剪应力(变)2.5不同水平摩擦因数对各指标的变化规律,桥面铺装在实际承载时竖向荷载与水平制动荷,。载是祸合作用的故受力分析二者需同时考虑桥面铺。装层在营运过程中所承受的水平荷载是变化的一般,认为汽车紧急刹车状态的水平摩擦因数是.05在缓慢。制动时取.02本文为更好地寻找出水平荷载与铺装层,、各控制指标的关系分别取.02.03和.05三个摩擦因数,。值进行分析结果如表6所示表63个不同水平康擦系数下的各控制指标值应力应变指标摩擦因数摩擦因数摩擦因数..户0.2户刃3问.5最大拉应力几澎MaP0.10470.11250.1282最大拉应变`Jl沪43394最大层间剪应力了~朋aP0.17530.23530.3864最大层间剪应变。书留1护190267439,。c()沿纵断面随摩擦因数的增大各控制指标值均有所增大其图,0铺装层与桥面板层间纵向剪应力在中,受摩擦因数影响最大的也是铺装层与桥面板层间最大值点沿纵断面的分布图。,,最大剪应力(变)另外据分析的结果可知摩擦因数,,的越大出现最大层间剪应力(变)越靠近轮胎后缘但46上吟么曦No·`207 S······1⑧一。是出现的层位仍旧是第二层层底(铺装层与桥面板的(5)超载会导致桥面铺装层各力学指标急速增大。结合面处)并且铺装下层与混凝土桥面板间剪应力对超载最为敏。感表面水平摩擦因数的增大也会导致层间剪应力变。结论3化显著,(、、(l)通过对桥面铺装体系的力学计算分析可知铺6)本文分析的整个过程是在包括梁拱肋吊杆装层的最大拉应力是当荷载作用在桥边缘纵肋上时取和桥面铺装等部分的整体桥梁结构上实现的,因此能。、。得的全桥最不利荷位为横桥向.08885m纵桥向更加准确地反映桥面铺装层的真实受力状态计算结47.75m(跨中)处。果可供同类型桥梁设计施工参考。(2)将横向拉应力作为铺装层设计控制指标,并且:荷载最不利加载方式为双轮荷载中心点作用在跨中靠参考文献,.。l1[河南省新乡至郑州高速公路建设有限公司长沙理工大学边缘的纵肋顶上时通过对层内拉应力的计算得知铺.。特大型混凝土桥梁沥青铺装层应用技术研究「RJ河南省交装层表面有三个位置容易出现拉裂破坏通厅科技项目研究报告.2005.(3)将铺装双层间纵向剪应力作为层间粘结破坏,黄晓明,.大跨径桥梁沥青混凝土桥面铺装层。2[]高雪池许涛的主要控制指标通过对层间纵向剪应力的计算得知.力学分析田公路交通科技,2X()5(.l)。铺装层有两个位置容易出现剪切破坏3[]石玉华.混凝土桥桥面沥青混凝土铺装体系试验研究与受(4)将铺装下层和混凝土桥面板间纵向剪应力作力分析[D].武汉:武汉理工大学硕士学位论文,2X()4.。为层间粘接破坏的主要指标通过对层间纵向剪应力l4[李彩霞.钢管混凝土拱桥动力特性的研究田1.武汉:武汉理。.的计算得知铺装层也有两个位置容易出现剪切破坏,一工大学20(抖。这两个位置与层间剪切破坏位置相同(上接第36页)杨始燕.改善轮胎接地面垂直压力分布的研究【J].橡胶工,.,,业1992(11)(2)超载超压越严重非均布性越明显作用于路酒井秀男.关于橡胶以及轮胎接触压力分布的测定和图像面的各项应力应变指标也会比均匀分布时有更大的增...,,。,处理研究【J]管建民译橡胶工业l995(l)幅在控制车辆超载超压的同时更应该在铺装结构设AkasakaT,KatokM,niheis,HiwaM.Two一Dim睡nsional,,iar计中考虑超载超压的影响仍使用双圆荷载作为设计ContmetP阳ssueriDstuirbutionofaRadi习iTer田.iT。。,荷载显然已不合适同时进一步弄清轮胎在不同车辆.eeneeanenoo,,SideThlgyl99()18(2),..各种负荷情形下的接地压力分布对更准确的计算铺催胜明,汽车轮胎行驶性能与:657[余群测试【M]北京机械工。装结构的力学响应是十分必要的业出版社,1995...庄继德汽车轮胎学【:,M〕北京北京理工大学出版社199.6参考文献:陆金燕.轮胎接地面三向力的动态测量【J].橡胶工业,1992..l[]沙庆林高速公路沥青路面早期破坏现象预防MI]北京:人(10).民交通出版社.201.No.l207上么47够岭 AfaCt:ThepeerofA4印sa川foeuseonor即川eeoutiaonbeeenhi。ndoearoay`wensatooeneefor。odondofhu罗hyubllddbetrojoverunctw~gh们秘e阮.oven,reersareinterc。inctiagn印saintow却dit出。.肠dsrfe二ncfoin川pctdesignstruconojrKeydr:sconlpletein比址c9o;earc~hov吧印。pect;。veprasdesignwocor翻ve印asesronojr~Ef印tOnPCstrUCtU阳5otSh日日rdeform日iton·································4·······················,······,·································································································1············……厂涣NGya一ife(31).aneeeonoseeecuee,enoe鱿md:Ddond叩ar玉eredbyshardefoitflapanpCsT。助pth鱿ra吓ofdfoiton公即肠。onTim仍hkbmodlisbAeformacterma呼tuturesvrormaeam.apPiledtoev目uatehteueeofhseardonofpreedeonereteboxer咖enefoigrdKeywolds:Presdeoncreteboxigrder,sitmatheardeformadstreontreseMhiResnseofPhPavementonB闻geDecksuerNon一un湘而DiatnbutLdingw比hDremIntedayerntaclCond吮ionsecan喇peSA欧耐咖Oa饰OC...···········..........··...........··.......··....·········......······...........·········································································一日UX泊.0JIALu,SUNL日Un(34)Aract:Tho3DMiseld00an习y二htemehcainc公ronseoftpvaementonbird罗dee七undernon一un山stirbuitonloadingidntinetrlayer网EF帅voe呷vas同而。iwhtferer.eonteoniditonsedstshhtatit坛neeyrtoeirhtenon一uniofd贻tirbuitonloadintheeiralaldseedesiof山etpavementonbirdgeacthTesr、~onsde二amtutrutr,aSP同..decikThechan罗ofhteinetyeonattCeoniditonsWil】leadthestre“.ndsninasph习tlayertoinceraseanderntbuetItwil】ea仍emoersveeresinh习t山知面山etr神-PaveentmK川S:韶pha]七patonbird罗de;non一unifo`buload;ioetjraoonoct;3d6ni比e]eot即wo~。cks二面喇veremDeveloPmentandmPairsonofhicularl扮eIOadSonhighwaybirdg.inouruntyrcoveo·············`’`·``’·`····································································································二”“……二“.……W口门g,Go-Jun,介EaYXIONGieJetal(37)ract:.nlae,ureeeecee,ceeenseeteeecrAeofrm即如dmlitplepesntd押a而foadwanceof夕ihdarivlloedwhihbleed认罗n司odesfobsthT阮osrandalo话aer面usvhahtr.d曰1坛waybirdg侣andeeofdiernthistoirpodsinreeentyea巧inthehom。巨ndepo、。ofhteseleeetdsctUerw卜ichusedby,h止cu】ar石ve助Ofghvul巾fecalierbTesrutraeraor.loadseon1Paratlvetematic目】y胡司yZedandcomParedinhtePaPerearitonaliytofhteuP一to一eihcuhrilveloadsandthedeveloPingtrendfQhtecodohaveaerly卿二hTdatve-beencdandsuotedidsusegse,co.vecuar,resKeyow闭:birdgdehi】ivleloadPonseMechaniAnalysisotConc旧teBridgeDkPvaement喇ec’’·`’`’···········`””`’“`””`’’·`’`’,’’`’·’’··,···········································,“”“““””“””“”“一……Wn八N6DOg刁短W八N6叉妇-oile,H以NG为a-omign(42).eeecteocecen,teecaeesentseroeeatrac:tForhtmb二snitcsfCFsTarhbirdgdekPvaemmhanial”15modl15atbilshdihip叩e傲卯sitns二dmha习bA司hcar耐hTwomcconnero:coeeeentareeeesoan,ecroeeocrteotrld。,floidngmbninbirdgdkpvaem脚ndothhturlfstresdsinitwhihanpvidesomhteritalfoundaOonsfohanr~iaO1nt.desiofCFSThbirdgeekPavegnacrdeemntKeyr:CFsTacrhbirdge;bird罗deckPvaement:meehalic习却目”iswodsStumperhensi丁郎hn0IyandLd川GardeEXa找atotB月dgedyOncoiveeRnfo阴OgOaaCes阴························“’`’`’·``·’“’`···`’·`’···`’`·`·····`·········································,,···········,,”“””“””…………es丫日片NX们UXu卜wetC日ENGiyPgaCi(48)一.r,e1ercoarer一oaeerceentenesAract:B`h山hoBird罗ofHuboioir孚ydesi,dasd一丘扣dhbird赓5fok一ld20andt`lld一100tosnThm`d侧ddi即bstarbnaligracr湘fon.senorecaneecaoeenroceoonccra,ehouldbdoneiderot二hteloady尹dothteihhgw钾elas1ThethinquesPliwhtstel一bondedstr多hoinng15intdud析htiton免thsutr.birdgespreadedwihtreinforcedconeereterandhtetecqueoferfon”atlonaPpiledtoth。。砂d一丘eacrhbird帅俪aer现笋eneenreeroeconerete;re,rercoentKey:ir一血mehbir;setl一bodedninng;itl盯ferinfocrditonofiwdgbird罗infomwodsr咖acrdgesetrghtefonartoAflexu阁rigid勺malideieationm以hforlong一sPeominuous91川erbirdgeod#ntodan·’’·`’·····························`’··`······························································································,……“…““……nes门一义丫日鸿NOHgy们口八,物g妇gn(5l)Art:Ale一squaresoluitonteperinidrectaentmehtodofleirgidytidenit五caitonmehtodforlong一spaneontinuousrderbirdgeisdeolopedbybstaCastiwht俪owdjusmtxualrig.uslnglowermeasuredaccueThenumeirc习an习vsisanddvnanlic一itetotveirifcaitonth:一sealethree一sPaneontinuousbeamofGuan解hou一Bndgehabebeenartmo七asto汕.doneinodrerotidenitfeairidytofsetU二dotve石esesniitviytofmerederooThean习yZedresult,hoathtemethcouldbequitesatjs6edwith夕htxeu司igutr二斤htasuwshtod·en乡neenngrequirenl匕即Keodrs:lon印anconitnuousrder;meeritigdiyt;iteporinidrectleastsaer;initifeonmehtodyw『igmb助weiwht明deiatOtPimizationofRCBirdgeBasonHiearcrh沁目OesignofExirmentsedpe·····················································································································································,,···……yIY口n一kun,义俩OR卜hCeng(55)Abstract:epaperumesrhtedosageofelbartmSPee近cadon店hteb“roneandputs自剐.rdamehtod一hjhje.ld“iexp。forp口ca]仆ashtaste即肠卯of阴m即山opitn刀aZoon,wihch15basedonhtefoaSumPdonandaiheacriheal冲Proaehofbird罗eomPonenstaccordjngtofocre一atrnserarcfemngPath.It巧tesitifedbyanex目nplehtatmer.htemehtodean罗taodesid优cehtewooadofopt”luaZdonforaeolexbird罗iartnal幼anduklr哪K.ywodr:Pitc目;focre一汀知s丘irp;iheihdofeeenst;RCbirdgeacr叩ntum飞aht~国esl幼却unr