杭州灣跨海大橋鋼箱梁橋面鋪裝病害分析與預(yù)測

實用文檔杭州灣跨海大橋鋼箱梁橋面鋪裝病害分析與預(yù)測引言從國內(nèi)外大型橋梁的使用經(jīng)驗來看，由于重載及超載車輛大量存在，橋面鋪裝是橋梁使用過程中最易也最早出現(xiàn)病害的部位［1］。10日前后，江漢、江淮、西南地區(qū)東部、江南大部、華南北部有一次小到中雨過程，其中江南北部和西部、華南西北部的局地大到暴雨。15日起，西北地區(qū)東部、青藏高原及中東部地區(qū)將出現(xiàn)一次較大范圍降水和降溫過程。杭州灣跨海大橋于2008年建成通車，全長36km，雙向六車道，南北航道橋采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)。根據(jù)2017年鋼橋面鋪裝病害調(diào)查結(jié)果，路面車轍深度指數(shù)RDI和路面抗滑性能指數(shù)SRI在全路段基本評價為優(yōu)，而在行二車道和行三車道鋪裝層存在不同程度的裂縫、塊裂及坑槽等病害，路面狀況指數(shù)PCI基本評價為良，進而導(dǎo)致相應(yīng)路段路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI也偏低，已經(jīng)影響到行車安全。裂縫是杭州灣跨海大橋鋼橋面鋪裝的主要病害。鋼橋面鋪裝的力學(xué)分析方法主要有解析法和數(shù)值法兩種。由于鋼橋面鋪裝的力學(xué)行為與鋼箱梁的力學(xué)特征密切相關(guān)，在行車荷載、環(huán)境條件等多因素的綜合作用下，解析法難以得出令人滿意的結(jié)果。目前國內(nèi)外研究人員多采用基于有限元的數(shù)值法，通過建立包含橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層的鋼箱梁或鋼橋面板空間三維模型，在其上施加相關(guān)作用來實現(xiàn)對實際鋪裝層荷載工況的模擬和分析，從而了解和掌握鋼橋面鋪裝的力學(xué)特點［2—3］。在對杭州灣跨海大橋鋼橋面鋪裝進行病害調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過ANSYS建立力學(xué)模型，分析鋼橋面鋪裝病害產(chǎn)生原因；結(jié)合鋼橋面鋪裝養(yǎng)護歷史、歷年檢測數(shù)據(jù)和累計交通量數(shù)據(jù)，得到杭州灣跨海大橋鋼橋面鋪裝PCI預(yù)測模型。1ANSYS模型的建立1.1鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)杭州灣跨海大橋北航道橋為鋼箱梁斜拉橋（雙塔斜拉）。位于樁號K1383+069—K1383+977之間，橋面凈寬為34.6m，中央分隔帶寬2.0m，兩側(cè)風(fēng)嘴寬為1.25m，鋼橋面板總長為908m；南航道橋為100m+160m+318m三跨連續(xù)鋼箱梁斜拉橋（單塔斜拉）。位于樁號K1395+037—K1395+615之間，橋面凈寬為34.6m，中央分隔帶寬2.0m，兩側(cè)風(fēng)嘴寬為1.25m，鋼橋面板總長為578m。北航道橋和南航道橋采用美國雙層環(huán)氧瀝青施工完成，結(jié)構(gòu)見圖1。圖1杭州灣跨海大橋鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)1.2基本假定和計算參數(shù)采用有限元方法對正交異性鋼橋面鋪裝體系進行力學(xué)分析時，遵循假定［4］：（1）環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層連續(xù)的、完整彈性的、均勻的和各向同性；（2）鋪裝層與鋼板的層間接觸完全連續(xù)；（3）為計算方便，粘結(jié)層與鋪裝層視為一體，不再分開考慮；（4）分析車輪荷載作用影響時不計正交異性鋼板和鋪裝層的自重；分析橋面鋪裝完成初期鋪裝層內(nèi)初始應(yīng)力狀態(tài)時需要考慮鋪裝層自重的影響。有限元計算主要涉及鋼材和環(huán)氧混凝土兩種材料，主要計算參數(shù)見表1。表1有限元模型材料參數(shù)項目計算參數(shù)環(huán)氧瀝青鋪裝層厚度（mm）25+25鋼板泊松比0.3環(huán)氧瀝青鋪裝層泊松比0.25鋼板彈性模量（MPa）210000環(huán)氧瀝青鋪裝層彈性模量（MPa）1000～20001.3單元劃分研究鋼箱梁受力特性是分析鋪裝結(jié)構(gòu)層力學(xué)行為的基礎(chǔ)，需要考慮橋梁的整體結(jié)構(gòu)（第Ⅰ體系）、鋼箱梁局部結(jié)構(gòu)（第Ⅱ體系）及包含縱橫橋向加勁結(jié)構(gòu)的正交異性板橋面系（第Ⅲ體系）的綜合影響。正交異性板的局部效應(yīng)很強。根據(jù)圣維南原理，在局部靜力作用下其受力主要是局部梁段結(jié)構(gòu)的影響。因此，有限元模型截取原橋3道橫隔板間的梁段（L=7.5m）為研究對象，采用板單元模擬鋼箱梁各板件，空間實體單元模擬環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層，且環(huán)氧瀝青混凝土與鋼箱梁接觸面單元共節(jié)點。由于結(jié)構(gòu)關(guān)于箱梁中心對稱，因此建模時僅建1/2鋼箱梁，對箱梁中心處各節(jié)點采用了面對稱約束；模型端部截面各節(jié)點約束其順橋向和豎向平動位移、橫橋向轉(zhuǎn)角位移。模型共81309個單元，其中板單元61309個，實體單元20000個。鋼箱梁節(jié)段模型見圖2。圖2鋼箱梁節(jié)段+環(huán)氧瀝青鋪裝復(fù)合模型1.4加載模型結(jié)合行駛車輛的實際情況，將車輛荷載按其后軸軸數(shù)及輪組數(shù)分為單后軸單輪組、單后軸雙輪組和雙后軸雙輪組三大類。鋼橋面鋪裝中輪載作用下的橫橋向應(yīng)變影響范圍一般不超過120cm，而相鄰的并行車輛輪距以及標(biāo)準(zhǔn)車輛后軸距均大于120cm，它們相互之間的影響很小，可以不予考慮；且單輪荷載模型與雙輪荷載模型計算結(jié)果有比較大的差別，采用雙輪荷載模式更符合實際。因此，計算按照單軸雙輪組模擬車輪加載工況。“喬”字是較為常見的。該字經(jīng)常用于人名、地名、姓氏、植物名，如王子喬、喬山、喬吉、連喬，亦用于表達某種美好的祝愿，如喬松。該字從其本義“高而曲”開始，在共時的演變與歷時的發(fā)展中，向著兩條線不斷的發(fā)展。一條線就是繼續(xù)往著“更高”更好的方面引申，此時喬字帶有褒揚的感情色彩，如喬桀、喬遷等。另一條線就是朝著“過高”過好的方向演變，其內(nèi)涵是有貶低的感情色彩的，如喬人物、喬家公等。依據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTGB01—2014）［5］，局部模型加載時采用550kN的車輛荷載。其最大軸載為140kN，后軸一側(cè)輪組為雙輪組，則單個輪載為35kN，按標(biāo)準(zhǔn)輪胎接地壓力0.7MPa計算，則單輪接地面積應(yīng)為0.05m2，取單輪接地寬度為20cm，相應(yīng)接地長度為25cm；兩輪側(cè)間距為10cm，雙輪矩形均布荷載幾何形式見圖3?？紤]到實際通行的車輛荷載（特別是軸載）較大，計算中考慮1.3倍的沖擊提高系數(shù)，即輪胎接地壓力取0.91MPa。圖3雙輪矩形均布荷載形式（mm）2鋼橋面裂縫產(chǎn)生機理分析根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，裂縫（特別是縱向連續(xù)裂縫）是環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝的典型病害之一。杭州灣跨海大橋鋼箱梁橋面出現(xiàn)了很多縱向、連續(xù)裂縫，且主要位于行二和行三車道輪跡帶上；通過對裂縫橫橋向位置的測量，基本確定裂縫位于U形加勁肋正上方附近，裂縫病害典型照片見圖4。同時，鋼橋面上也有不少橫向短裂縫，多位于行車道上鋼箱梁橫隔板附近鋪裝層內(nèi)。由力學(xué)分析可知，影響鋪裝層內(nèi)拉應(yīng)力大小的主要因素包括車輪荷載與加載位置、材料模量、溫度、梁體變形量（率）等?？紤]多種因素的綜合影響，對行三車道鋪裝層彈性模量E=2000MPa、車輪胎壓1.38MPa、降溫工況進行組合分析，主要計算結(jié)果見圖5～圖7。可知，在組合因素作用下，鋪裝層內(nèi)的橫橋向最大拉應(yīng)力達到了1.715MPa的水平，順橋向最大拉應(yīng)力也達到了1.175MPa的水平，而最大剪應(yīng)力在不考慮水平力因素影響的情況下也達到了0.326MPa的水平，各項應(yīng)力指標(biāo)均為單一因素分析時的3～5倍的水平。如再考慮鋼箱梁梁段大變形導(dǎo)致的次生應(yīng)力，則鋪裝層內(nèi)最大拉應(yīng)力將接近3MPa、最大剪應(yīng)力將超過0.5MPa的水平。時間白駒過隙，時代穩(wěn)步前行。新動能引擎正在打開，傳統(tǒng)動能重新煥發(fā)生機和活力。一代代企業(yè)家粉墨登場，一個個新行業(yè)雨后春筍。在常用的電視節(jié)目編輯中，采用TC碼并不陌生，特別是在線性為輔助的制作中，電視臺運用時間碼的技術(shù)占有很大的優(yōu)勢。在電視制作過程中，編輯和制作人員進行畫面剪輯的時候，容易出現(xiàn)打點不準(zhǔn)，不同步等情況，這是當(dāng)前的制作方式中常見的問題。在攝像機放相機非線性編輯系統(tǒng)等各種電視制作編輯設(shè)備中，有著不同步的情況。擁有TC碼這種功能是由于技術(shù)習(xí)慣，采用了磁信號控制，也就是TC碼在線性和非編輯線性系統(tǒng)中擁有的功能，知道了節(jié)目的位置和時間。那么使用時間碼進行編輯，要注意清零點不會復(fù)位的情況，每一個時間碼在運用上各自有著信息上的不同，但是每一個信息碼中都含有豐富的內(nèi)容。這是CTL控制磁機信號和TC時間碼的區(qū)別所在。圖4鋼橋面鋪裝的典型裂縫形式圖5組合因素作用下的鋪裝層最大橫橋向拉應(yīng)力分布（MPa）圖6組合因素作用下的鋪裝層最大順橋向拉應(yīng)力分布（MPa）圖7組合因素作用下的鋪裝層最大剪應(yīng)力分布（MPa）應(yīng)力是在“環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層是連續(xù)的、完整彈性的、均勻的和各向同性的”這一假定條件下計算得到的，與橋面鋪裝層實際的應(yīng)力水平存在一定出入，即材料的不均勻性、施工的質(zhì)量偏差、層間的局部脫離等客觀問題的存在會對鋪裝層內(nèi)的實際應(yīng)力分布及大小產(chǎn)生影響。對照表2常用環(huán)氧瀝青材料力學(xué)性能指標(biāo)和表3本橋試驗段性能指標(biāo)可知，計算得出的理論最大拉應(yīng)力和剪應(yīng)力水平均接近材料容許范圍。人的命運很奇特，一個偶然的機會就能改變一生軌跡。當(dāng)時八卦掌祖師董海川的大徒弟尹福在五王府任護院總管，宮寶田到王府送米的時候，偶爾能遇到尹福教弟子打拳。宮寶田小孩心性，看到了就忍不住在一邊觀摩比劃。尹福見他的次數(shù)多了，就問他是不是想學(xué)武。宮寶田一聽，立馬就跪下磕頭行了拜師禮。于是從此宮寶田就辭去了米房的差事，吃住都由尹福負責(zé)，專門跟著尹福開始學(xué)習(xí)八卦掌。表2常用環(huán)氧瀝青材料性能指標(biāo)性能參數(shù)類型參數(shù)值備注拉伸強度（MPa）8.21斷裂延伸率（%）22820℃抗剪強度（MPa）3.1260℃抗剪強度（MPa）0.9620℃抗拔強度（MPa）3.04破壞面位于鋪裝層內(nèi)部60℃抗拔強度（MPa）1.98破壞面位于鋪裝層內(nèi)部表3本橋試驗段材料性能指標(biāo)粘結(jié)料抗拉強度≥6.9MPa（23℃）拉伸試驗斷裂延伸率≥190%（23℃）≥2.75MPa（23℃）與鋼板涂裝的粘結(jié)強度拉拔試驗≥1.75MPa（60℃）3鋼橋面鋪裝PCI預(yù)測模型根據(jù)同濟大學(xué)孫立軍教授課題組的研究結(jié)論［6］，式（1）的衰變方程具有極好的適應(yīng)性，能正確反映路面使用性能衰變的全過程，擬合衰變的4種模式，且物理意義明確，可通過采用不同的參數(shù)取值模擬多種衰變過程。式中：PCI0—路面使用性能指標(biāo)初始值，一般為100；y—路齡；A，B—模型參數(shù)，可用方程表達：Nguyen（2012）發(fā)現(xiàn)當(dāng)首席執(zhí)行官和董事屬于同一社會網(wǎng)絡(luò)時，CEO不太可能因為業(yè)績不佳而被解雇，董事會成員和CEO之間密切的社會關(guān)系會影響董事會職能的發(fā)揮；Chahineetal.（2014）發(fā)現(xiàn)只有在控制董事會成員與高管的社交聯(lián)系后，董事會獨立性才能發(fā)揮效應(yīng)。那么關(guān)于社會關(guān)系的度量又該如何展開呢？國外大部分學(xué)者的研究集中在工作經(jīng)歷、畢業(yè)院校、老鄉(xiāng)、專業(yè)方面（Kramarzyetal.2007、Hwangetal.2009、Liu2010、Nguyen2011、Hoitash2011、Fracassietal.2012等）。式中：h—新建路面面層厚度（cm）；ESAL—標(biāo)準(zhǔn)軸次/天/車道；l0—初始彎沉（0.01mm）；λ、η、ζ、a、b、c、d—回歸系數(shù)。式（1）為路面PCI性能衰變方程，橋面鋪裝與路面最大的區(qū)別是橋跨結(jié)構(gòu)的存在，這使得橋面鋪裝結(jié)構(gòu)在橋梁縱向上（跨中、邊跨、支座等不同位置）受力特性有所不同。杭州灣跨海大橋鋼橋面PCI（主要病害為裂縫）沿橋梁縱向的分布規(guī)律見圖8，鋼箱梁在汽車荷載作用下的變形見圖9。圖8PCI沿橋梁縱向的分布規(guī)律圖9鋼箱梁在汽車荷載作用下變形通過對病害分布統(tǒng)計分析可知，在鋼箱梁橫向相對坐標(biāo)200～600m范圍的跨中附近，PCI下降較多的位置往往也是鋼箱梁在汽車荷載作用下變形幅度（含向上和向下）較大的部分，從統(tǒng)計意義上來說具有一定的規(guī)律性。因此，從鋼橋面鋪裝力學(xué)計算和實際橋面鋪裝破損的分布來看，PCI與鋼橋面所處的區(qū)段存在一定的相關(guān)性。為了較為確切的量化這種關(guān)系，研究在路面性能預(yù)測方程中引入鋼橋面區(qū)段修正系數(shù)，將其定義為某鋼橋面區(qū)段i的PCI均值與全橋PCI均值的比值。為了保證系數(shù)的規(guī)范化，對杭州灣跨海大橋鋼橋面區(qū)段的修正系數(shù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使該系數(shù)處于0～1之間，故修正系數(shù)計算見式（7），鋼橋面PCI鋪裝預(yù)測方程見式（8）。參考基于疲勞等效的鋼橋面鋪裝體系軸載換算方法的相關(guān)研究成果［7］，將杭州灣跨海大橋通車以來的累計交通流量按照不同車型分類統(tǒng)計，換算得到累計當(dāng)量軸載作用次數(shù)。根據(jù)公式，參照2017年杭州灣跨海大橋橋面鋪裝PCI檢測數(shù)據(jù)，計算杭州灣跨海大橋鋼橋面各區(qū)段修正系數(shù)。計算結(jié)果顯示，鋼橋面區(qū)段修正系數(shù)取值范圍在0.94～1.0之間，且越靠近跨中取值越小，越靠近支點取值越大。經(jīng)歷年杭州灣跨海大橋橋面鋪裝PCI檢測數(shù)據(jù)對模型標(biāo)定后，PCI預(yù)測模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.8436，見圖10。驗證結(jié)果表明，建立的鋼橋面鋪裝PCI預(yù)測模型具有較好的適用性，與歷史檢測結(jié)果吻合度較高，進一步驗證了預(yù)測模型的合理性。圖10鋼箱梁橋面PCI預(yù)測模型4結(jié)語（1）杭州灣跨海大橋鋼橋面鋪裝的主要病害為裂縫。裂縫產(chǎn)生的主要原因是鋪裝層內(nèi)最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均接近材料允許范圍。（2）鋼橋面鋪裝PCI與鋼橋面所處的區(qū)段存在一定的相關(guān)性。研究在路面性能預(yù)測方程中引入鋼橋面區(qū)段修正系數(shù)，經(jīng)標(biāo)定后得到的鋼橋面鋪裝PCI預(yù)測模型具有很好的適用性。參考文獻：［1］黃成造.鋼箱梁