季冻区中小跨径钢桥面铺装的力学响应

张利东，曹 健，张羽彤，纵瑾瑜，曹延峰

(1.吉林省高等级公路建设局，吉林 长春 130012； 2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112)

0 引 言

近年来，随着中国交通基础设施迅猛发展，桥梁建设事业突飞猛进，钢桥由于具有自重轻、跨越能力大、架设方便、施工周期短、桥型新颖等诸多优点，被广泛应用于跨江越海的大型桥梁和城市立交桥工程中。国内学者对于钢桥面铺装已进行广泛而深入的研究，并取得了一系列丰硕的成果[1-3]。然而，现阶段国内对于钢桥面铺装的研究多针对大跨径桥梁，且集中在温暖或炎热气候地区；对于中小跨径桥梁，尤其是季冻气候地区的钢桥面铺装研究一直未得到足够的重视，相关研究也鲜见报道。据统计资料显示，截至2018年，在中国高速公路建设中，中小跨径桥梁约占桥梁总长的93%，占桥梁总数的59%。其中，在独立大桥中，以引桥形式出现的中小跨径桥梁长度超过桥梁总长度的一半以上[4]。此外，为化解中国现阶段钢铁行业产能严重过剩的现状，国务院颁发的《关于钢铁行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》中要求：以供给侧结构性改革加快推进公路钢结构桥梁建设。可以预见，在未来的桥梁建设中，钢结构桥梁，尤其是中小跨径钢结构桥梁的建设规模将逐步扩大。因此，对于中小跨径钢结构桥梁桥面铺装的系统性研究具有重要的现实意义[5]。

不同于温暖或炎热气候地区的大跨径桥梁，季冻区钢桥面铺装的极端使用温度低于-30 ℃，与国内已建成钢桥面铺装工程有显著区别，对钢桥面铺装材料提出更加苛刻的设计要求。且中小跨径桥梁中重要的结构形式——匝道桥一般设计为纵坡弯道形式，研究表明，离心力的存在和现行设计方法的不足是导致桥面弯道铺装结构成为薄弱环节的原因[6-7]。然而以往的大量研究将车辙和推移视为同种成因[8]，而两者由于病害表现形式不同，力学成因并不一致[9]。本文以东丰至双辽公路(吉林段)敖卜互通枢纽主线桥钢桥面铺装为例，开展季冻区中小跨径钢桥面铺装的相关研究，通过有限元分析软件ANSYS对其钢桥面铺装受力特性进行模拟分析，确定钢桥面铺装的关键控制指标，为中国季冻区中小跨径钢桥面铺装设计提供参考。

1 有限元模型的建立

1.1 基本假设

(1)铺装层材料和钢箱梁桥面板是完全弹性、均匀、连续且各向同性的线弹性材料。

(2)铺装层上下层之间、铺装层和钢桥面板的界面均为全接触。

(3)不单独考虑钢桥面板上的剪力钉。

1.2 模型的建立

车轮荷载作用对正交异性钢桥面板铺装层具有很强的局部效应，即当车轮荷载作用在铺装层表面时，只有围绕车轮荷载位置的很小范围内的桥面系具有明显的应力、应变等力学响应，距离车轮荷载位置超过某个值时，桥面系的应力、应变等力学响应值衰减很快。因此，在敖卜枢纽互通式立交主线桥钢桥面铺装层中截取横向上包括5个U形加劲肋、纵向上包括4个横隔板之间的三跨顶板范围，建立有限元计算分析模型，模型尺寸及参数见表1、2，局部分析的有限元模型见图1。

表1 有限元模型尺寸

表2 有限元模型参数

图1 局部分析有限元模型

1.3 荷载及边界条件

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)，计算时所施加车轮荷载采用公路-Ⅰ级汽车荷载的标准车后轴(轴载为140 kN)的一侧轮胎加载，并将双轮简化为单轮荷载，即每侧双轮转化为单轮重70 kN，同时考虑30%冲击系数，则单轮总重为91 kN，计算时保持车轮与铺装层的接触面积为600 mm×200 mm不变，得到施加的轮胎压力为0.758 MPa，冲击虽然增大了铺装层上的车轮作用力，但是不改变荷载面积。具体荷载及边界条件见表3、4。

表3 计算荷载

表4 边界条件

2 最不利荷位

2.1 荷位布置

车轮荷载在铺装层上的布置分为横桥向最不利荷载位置与纵桥向最不利荷载位置。根据本项目钢箱梁的结构特点，制定如下荷位。

分析横桥向最不利荷位时，根据U形加劲肋和正交异性钢桥面板的几何尺寸特性，并且考虑车轮荷载相对加劲肋不同横向位置对铺装层的影响，车轮荷载按图2、3所示分5种情况。

图2 横向荷位1、2、3示意

图3 横向荷位4、5示意

(1)荷位1，均布荷载合力作用中心与U形加劲肋中心重合。

(2)荷位2，均布荷载合力作用中心穿过U形加劲肋侧肋顶部。

(3)荷位3，均布荷载合力作用中心与2个U形加劲肋的中心重合。

(4)荷位4，均布荷载合力作用中心穿过纵向隔板。

(5)荷位5，均布荷载合力作用中心穿过纵向隔板左侧的U形加劲肋顶部。

分析纵桥向的最不利荷位时，将相邻横隔板间距离定义为一跨，行车荷载中心点分别置于横隔板顶端(0 mm)、1/4跨位置(距横隔板375 mm)、跨中位置(距横隔板750 mm)3个特征位置进行纵向荷位加载的应力分析，荷载移动方向如图4所示，从横隔板顶端向跨中方向移动。

图4 纵向荷位布置示意

2.2 计算结果及分析

所建梁端模型在上述15个荷位下的纵、横向最大拉应力、应变及竖向位移计算结果见表5所示。

表5 各荷位下铺装层最大应力应变及竖向位移计算结果

分析表4的数据可以得到以下结论。

(1)在相同横向荷位下，随着纵向荷位由横隔板顶端向跨中方向移动，铺装层表面最大竖向位置呈逐渐增大的趋势，并在竖向荷位3处产生最大竖向位移；而在相同纵向荷位下，横向荷位4处的竖向位移最小，横向荷位1处的竖向位移最大。

(2)在设定的3个纵向荷位下，铺装层间最大纵向剪应力均在横向荷位1处出现最大值；而在任一横向荷位下，铺装层间最大纵向剪应力从大到小依次为纵向荷位2、纵向荷位3、纵向荷位1。

(3)铺装层表面最大拉应力与拉应变表现出相同的变化规律，即横向最大拉应力与拉应变均在横向荷位5、纵向荷位3处最大，而纵向最大拉应力与拉应变均在横向荷位1、纵向荷位3处最大。

综合上述分析，本研究中钢桥面铺装各性能指标最不利荷位如表6所示。

表6 季冻区中小跨径钢桥面铺装最不利荷位

3 影响因素分析

3.1 荷载条件

在服役过程中，钢桥面铺装层将直接承受行车荷载作用，荷载对于铺装层具有最直接、最显著的影响，因此分析荷载条件对钢桥面铺装层的力学响应尤为重要[10-11]。基于现阶段国内重载超载现象普遍的现状，本文将荷载条件分别设定为常载、超载50%、超载75%、超载100%和超载120%，分析铺装层在相应荷载下不同界面的剪应力变化情况。

由表7及图5可以看出，铺装层间及铺装层与钢桥面板间剪应力均与行车荷载具有较好的线性相关性，当行车荷载增加(即超载比例增大)时，无论铺装层间最大剪应力还是铺装层与钢桥面板间最大剪应力，均呈线性增长，该特征与张桂学[12]的研究成果相一致。在超载情况下，铺装结构中的黏结层将面临严峻考验。此外，铺装层与钢桥面板间剪应力

表7 不同荷载条件下的铺装层剪应力值

图5 不同荷载条件下的铺装层剪应力值

大于铺装层间剪应力，但由于铺装下层与钢桥面板间通过剪力钉及钢筋网相连，根据田启贤、杜新喜[13]的研究成果，Φ16 mm×35 mm剪力钉单钉抗剪承载能力约为120 kN，按每平方米内布置9个剪力钉计算，则铺装层与钢桥面间的抗剪强度为1.08 MPa，远大于层间最大剪应力0.521 0 MPa。因此，在该铺装方案中，铺装层间黏结层的抗剪强度是关键控制指标。若黏结层材料设计不合理，铺装层间极易发生剪切滑移破坏，病害形式主要以推移拥包及横向裂缝为主。

3.2 汽车制动力

汽车行驶在匝道等具有大纵坡特点的中小跨径钢桥时，不仅受垂直于铺装层的竖向应力影响，也将承受由于汽车制动而产生的平行于铺装层的水平应力，尤其在重载情况下的紧急制动，将对铺装层产生较大的剪切应力[14-15]。而在考虑大纵坡和车辆制动效应基础上提出相关设计指标的研究很少，并且中国现行规范中也未提出明确的设计指标要求。因此，本文设定摩擦系数f分别为0、0.25、0.50、0.75，模拟不同制动情况下铺装层剪应力值变化，结果见表8。

由表8的数据可知，随着制动力的增大，各剪应力指标均逐渐增大，其中以铺装层表面及铺装层间剪应力增长最为明显。可见，在进行钢桥面铺装设计时，应充分考虑重载车辆紧急制动对铺装层抗剪性能的要求。

表8 不同摩擦系数下的铺装层剪应力值

3.3 温度条件

由于钢箱梁的封闭性，在夏天，箱梁内部及钢桥面铺装的温度比气温高25 ℃～35 ℃[16-17]，极端高温接近60 ℃；在冬季，钢桥面铺装极端使用温度可低于-30 ℃。因此，需要对钢桥面铺装在极端温度下的受力特性展开研究，明确铺装层的高低温性能指标要求，为铺装层材料的设计指明方向。根据中国季冻区气候特点，本研究将铺装层温度区间设置为-40 ℃～60 ℃，并借鉴长安大学纪小平等人[18]提出的桥面铺装温度计算模型及同济大学贾璐[19]提出的不同温度下沥青混合料回弹模量预估模型，结合材料在20 ℃的回弹模量，计算确定不同层位沥青混合料的弹性模量，结果见表9。不同温度下铺装层的力学分析结果见表10。

表9 不同温度下的沥青铺装层弹性模量

表10 不同温度下的铺装层最大应力、应变及竖向位移

由上述结果可知，低温条件下(-40 ℃～0 ℃)，沥青铺装层弹性模量较大，铺装层整体刚度较大，铺装层表面竖向位移较小，但此时铺装层表面拉应力较大。因此，在低温条件下(-40 ℃～0 ℃)，应以铺装层表面拉应力为控制指标进行铺装层材料设计，以防由于铺装层的低温抗裂性能不足而产生裂缝病害。反之，在高温条件下(40 ℃～60 ℃)，沥青铺装层弹性模量、整体刚度较小，此时铺装层竖向位移较大。故在此温度条件下(40 ℃～60 ℃)应以铺装表面竖向位移为控制指标，并重点预防铺装层材料产生变形类病害。

4 结 语

本文借助ANSYS有限元分析软件，模拟了钢桥面铺装在不同工况下(不同纵、横向荷位布置)的受力特性，研究荷载条件、汽车制动力、温度条件对铺装层力学响应的影响，主要结论如下。

(1)铺装层表面竖向位移、铺装层表面纵向拉应力与拉应变的最不利荷载位置为横向荷位1及纵向荷位3，铺装层表面横向拉应力与拉应变的最不利荷载位置为横向荷位5及纵向荷位3，而铺装层间最大纵向剪应力最不利荷载位置为横向荷位1及纵向荷位2。

(2)超载对铺装层性能影响显著，铺装层间及铺装层与钢桥面板间剪应力随行车荷载的增加而线性增长，铺装层间黏结的抗剪强度是关键控制指标。随着制动力的增大，各剪应力指标均逐渐增大，其中铺装层表面及铺装层间剪应力增长最为明显，设计时应重点考虑界面抗剪强度。在低温条件下(-40 ℃～0 ℃)，铺装层表面拉应力较大，应以铺装层表面拉应力为控制指标进行铺装层材料设计；而在高温条件下(40 ℃～60 ℃)，铺装层竖向位移较大，在此温度条件下应以铺装表面竖向位移为控制指标。