大跨度鋼箱梁結(jié)構(gòu)橋面鋪裝早期破壞的分析

1、第35卷第1期2008年1月浙 江 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)(理學(xué)版Journal of Zhejiang University(Science Edition收稿日期:2006-12-15.作者簡介:潘偉兵(1978-,男,碩士,主要從事道路、橋梁建設(shè)管理與研究.大跨度鋼箱梁結(jié)構(gòu)橋面鋪裝早期破壞的分析潘偉兵(廈門路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,福建廈門361026摘 要:通過對(duì)一國內(nèi)某懸索橋的橋面鋪裝早期開裂的分析,結(jié)合現(xiàn)場裂縫檢測、鉆芯取樣試驗(yàn)得出:¹利用有限元方法進(jìn)行懸索橋橋面鋪裝應(yīng)力分析,必須考慮荷載作用下U 形肋加強(qiáng)處的負(fù)彎矩效應(yīng),通過實(shí)體單元與板單元相結(jié)合的方法模擬箱梁與橋面鋪裝;º

2、;鋼橋面板U 形肋結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)是防止橋面鋪裝早期開裂的有效方法.關(guān) 鍵 詞:懸索橋;橋面鋪裝;早期開裂;U 形肋中圖分類號(hào):T U 352 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1008-9497(200801-117-04PA N We-i bing (X iamen Road and Br idge Cons tr uction Gr oup Cor p or ation L imited ,X iamen 361026,ChinaAn analysis of premature damage of long span stee-l box -girde -bridge deck paveme

3、nt.Jo urnal o f Zhejiang U niv ersity (Science Editio n,2008,35(1:117120Abstract:A suspension br idge in China is taken as an ex ample to investig ate t he mechanical characterist ics of prema -tur e damage of lo ng span stee-l box -g irde -bridg e deck pav ement.Both t he core sampling test,field e

4、x per iment s and a 3-dimensional F E mo del for the w hole bridg e ar e used in the research.As indicated in the analysis,the stress o f deck pav ement is analy zed.It is necessary to co nsider the neg ativ e bending moment at the /U 0girder,and both the 3D so lid element and shell element ar e use

5、d to simulate the sat ee-l bo x -g ir de and the pav ement.Besides the optimiza -tion desig n of the /U 0girder is an effect ive means to prevent the pr ematur e damag e of pavement.Key words:suspension bridg e;deck pavement;premature cracking;the /U 0girder懸索橋橋面鋪裝容易出現(xiàn)開裂、滑移等早期破壞,即便采用了力學(xué)性能十分優(yōu)越的鋪裝材料(如

6、改性瀝青SM A 、環(huán)氧瀝青混合料等,仍然未能達(dá)到預(yù)期效果.懸索橋的橋面鋪裝應(yīng)力分析,涉及大尺寸結(jié)構(gòu)的細(xì)部分析問題,對(duì)此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散時(shí),通用的方法是應(yīng)用圣維南原理,將所要分析部位附近的結(jié)構(gòu)/切0出來,用事先算得的截面節(jié)點(diǎn)應(yīng)力作為外力加到截?cái)嗝嫔蟻磉M(jìn)行.為保證/切0斷后的模型能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,這種方法需要通過設(shè)置零反力約束支座來消除剛體位移,而且截?cái)嗟姆秶膊灰状_定,實(shí)際使用中有不少困難.本文采用板單元與實(shí)體單元相結(jié)合的方法1,對(duì)一3跨懸浮式懸索橋結(jié)構(gòu)的橋面鋪裝早期開裂問題進(jìn)行了分析,并結(jié)合計(jì)算結(jié)果對(duì)預(yù)防早期開裂的方法作出了建議.1 懸索橋橋面鋪裝早期開裂實(shí)測1.1 裂縫分布狀況

7、鋼橋面鋪裝在使用初期即出現(xiàn)縱向裂縫、橫向裂縫甚至環(huán)狀裂縫,且裂縫的位置多出現(xiàn)在行車道兩側(cè)輪跡帶的U 形加勁肋的肋頂以及橫隔板上方2,3.對(duì)國內(nèi)某懸索橋橋面鋪裝的調(diào)查發(fā)現(xiàn):縱向裂縫的間距在30cm 左右,與縱向U 形加勁肋的開口寬度相當(dāng).隨著交通荷載的繼續(xù)作用以及自然環(huán)境因素的影響,原有的裂紋將逐漸發(fā)展成魚骨狀甚至網(wǎng)狀,并繼而導(dǎo)致鋪裝層碎塊、坑槽等.修補(bǔ)一年后(防水膠層未修補(bǔ),重車道輪跡位置出現(xiàn)零星縱向裂縫,裂縫基本平行,逐漸發(fā)展,個(gè)別呈月牙形或網(wǎng)狀,之后產(chǎn)生坑槽.1.2 裂縫產(chǎn)生機(jī)理分析裂縫整個(gè)發(fā)展過程為開裂、發(fā)展、密集、坑槽、坑槽增大.出現(xiàn)裂縫處,鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)芯樣保持完整,面層與底層粘結(jié)牢固

8、,下面層未出現(xiàn)裂縫.超載車較少的車道,其超車道基本無病害,甚至裂縫都很少.這說明裂縫從上往下發(fā)展,行車荷載特別是重車荷載在橋面板加強(qiáng)肋處產(chǎn)生的負(fù)彎矩是橋面鋪裝早期開裂的主要因素和直接因素.2 有限元模型建立對(duì)于懸索橋此類超大結(jié)構(gòu)的橋面鋪裝開裂問題的研究,研究者普遍采用實(shí)橋荷載試驗(yàn)4,5、有限條方法6、截取某一梁段法8、模型試驗(yàn)等,上述方法可以幫助研究者獲得相關(guān)數(shù)據(jù),但無法代替整橋有鋼箱梁采用的鋼板厚度一般為12mm 左右,而其長度和寬度均在幾十米以上,因此可看作薄板結(jié)構(gòu).用于模擬懸索橋主纜和吊索的單元類型一般為:桿單元、曲線單元、懸鏈線單元及拋物線單元;但由于進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)主纜需離散為很多個(gè)

9、單元,若采用結(jié)點(diǎn)間相互鉸結(jié)的纜索單元,則整個(gè)結(jié)構(gòu)成為幾何可變體系,無法求解.為解決上述問題,采用節(jié)點(diǎn)間剛結(jié)的梁單元(梁單元的抗彎剛度很小,可以反映主纜的柔性來模擬主纜;吊索采用三維桿單元模擬,吊桿與主纜鉸結(jié).由于大跨度懸索橋結(jié)構(gòu)尺寸與橋面鋪裝厚度相差5個(gè)數(shù)量級(jí)左右,無法將整橋離散為實(shí)體單元進(jìn)行計(jì)算;而為了得到橋面鋪裝的較精確的應(yīng)力分布,必須將橋面鋪裝用實(shí)體單元離散.因此本文采用板單元模擬鋼箱梁、實(shí)體單元模擬橋面鋪裝,利用對(duì)稱性,取1/4模型進(jìn)行有限元計(jì)算.計(jì)算模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)參照國內(nèi)某懸索橋的結(jié)構(gòu)參數(shù):頂板厚12mm 、底板與橫隔板厚10m m 、U 形肋厚6mm 、主纜直徑57cm 、吊桿直徑

10、57mm.(見 圖1.圖1 三跨連續(xù)懸索橋計(jì)算模型F ig.1 T he calculation model o f 3-span continuoussuspensio n br idg e2.3 荷載與邊界條件文獻(xiàn)4的研究表明:懸索橋結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的沖擊效應(yīng)不明顯,因此本文采用靜荷載模型進(jìn)行計(jì)算.文獻(xiàn)57的研究表明:計(jì)算U 肋肋頂橋面鋪裝最大拉應(yīng)力時(shí)不必考慮同一車輛的其他軸載及相鄰車輛的軸載.為模擬重車荷載(雙輪作用下橋面鋪裝的受力,本文采用輪載接觸壓力為0.7mPa 、單輪接觸面積15cm 23cm 的均布雙輪荷載,荷載作用位置關(guān)于橋面縱軸和橋面橫軸對(duì)稱分布.進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí),將面荷

11、載按矩形單元等效結(jié)點(diǎn)力的計(jì)算方法轉(zhuǎn)換為結(jié)點(diǎn)荷載,如圖2所示.圖2 有限元模型計(jì)算荷載示意圖Fig.2 T he FEM load model本文不考慮溫度變化、風(fēng)荷載等的影響.為計(jì)算簡單,在不影響車輪荷載作用下橋面鋪裝受力的前118浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版 第35卷提下,取位移邊界條件為:主梁兩端固支;主纜兩端固支,主纜于索塔處豎向、橫向約束.3 有限元模型計(jì)算與結(jié)果分析經(jīng)過多次試算發(fā)現(xiàn),將整橋1/4模型離散為43個(gè)梁單元(主纜、40個(gè)桿單元(吊桿、10000個(gè)實(shí)體單元(橋面鋪裝、16000個(gè)板單元(鋼箱梁時(shí)計(jì)算結(jié)果收斂且滿足精度要求(對(duì)模型進(jìn)一步細(xì)分計(jì)算結(jié)果影響小于0.01%,計(jì)算結(jié)果如下.對(duì)于

12、本文2.2所建立的計(jì)算模型,由于加勁肋的作用,橋面板對(duì)車輛荷載的應(yīng)力響應(yīng)具有很強(qiáng)的局部性,橋面鋪裝在靠近荷載作用位置的第一個(gè)U 形肋處承受較大的負(fù)彎矩(橋面鋪裝頂面受拉,底面受壓,荷載作用中心承受較大的正彎矩(橋面鋪裝頂面受壓,底面受拉,應(yīng)力應(yīng)變?cè)诤奢d附近的兩個(gè)加勁肋寬度范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值.橋面鋪裝層頂面各點(diǎn)彎拉應(yīng)變沿橋面橫向分布以U 肋肋頂為支點(diǎn)呈正負(fù)交替,且很快收斂為零,如圖3、圖4所示(正值為拉應(yīng)變、負(fù)值為壓應(yīng)變,最大彎拉應(yīng)變出現(xiàn)在距離輪載中心最近的U 形肋頂,拉應(yīng)變值為2000L E ,最大壓應(yīng)變?yōu)?4600L E .4 橋面鋪裝使用壽命目前懸索橋橋面鋪裝主要采用改性瀝青SM A等材料,在

13、10.512e 的實(shí)驗(yàn)溫度下進(jìn)行的改性瀝青SM A 樣本疲勞試驗(yàn)結(jié)果見圖5,在上述計(jì)算模型的荷載作用下,橋面鋪裝的疲勞壽命為2萬次左右,從而導(dǎo)致橋面鋪裝的早期開裂 .圖5 改性瀝青SM A 抗彎拉疲勞性能示意圖Fig.5 Bending fatigue -resistant performance of the SM A5 結(jié) 論U 形肋和橫隔板加強(qiáng)處負(fù)彎矩引起的彎拉應(yīng)力使橋面鋪裝的實(shí)際抗疲勞壽命大大低于設(shè)計(jì)值.計(jì)算發(fā)現(xiàn),U 形肋的間距小于雙輪輪載的寬度時(shí),橋面鋪裝的最大拉應(yīng)變?cè)?000L E 以內(nèi),而當(dāng)U 形肋的間距大于雙輪輪載的寬度時(shí),橋面鋪裝的最大彎拉應(yīng)變將急劇增加到20003000LE

14、 以上.因此在不改變箱梁自重的前提下,U 形肋的間距、厚度、高度等參數(shù)的適當(dāng)調(diào)整是降低橋面鋪裝拉應(yīng)力的有效方法.參考文獻(xiàn)(References:1 潘偉兵.長大橋梁的裂縫影響分析J.公路交通科技,2006,23(1:67-69.PA N We-i bing.Analysis on the impact o f cr ack o f long and hug e br idge J.Journal of Highway and Transportation Research and Development ,2006,23(1:67-69.2 陳先華,黃衛(wèi),王建偉.大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝瀝青混合料

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