大跨度鋼箱梁結(jié)構(gòu)橋面鋪裝早期破壞的分析_圖文

1、第35卷第1期2008年1月浙 江 大 學 學 報(理學版Journal of Zhejiang University(Science Editionhttp:/ww Vol.35No.1Jan.2008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)集團有限公司,福建廈門361026摘 要:通過對一國內(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、鉆芯取樣試驗得出:¹利用有限元方法進行懸索橋橋面鋪裝應力分析,必須考慮荷載作用下U 形肋加強處的負彎矩效應,通過實體

2、單元與板單元相結(jié)合的方法模擬箱梁與橋面鋪裝;º鋼橋面板U 形肋結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)化設(shè)計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:T U 352 文獻標識碼:A 文章編號: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

3、 -girde -bridge deck pavement.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

4、 core sampling test,field ex 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

5、 and shell element ar e used 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

6、移等早期破壞,即便采用了力學性能十分優(yōu)越的鋪裝材料(如改性瀝青SM A 、環(huán)氧瀝青混合料等,仍然未能達到預期效果.懸索橋的橋面鋪裝應力分析,涉及大尺寸結(jié)構(gòu)的細部分析問題,對此類結(jié)構(gòu)進行有限元離散時,通用的方法是應用圣維南原理,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)點應力作為外力加到截斷面上來進行.為保證/切0斷后的模型能反映實際結(jié)構(gòu)的力學性能,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,而且截斷的范圍也不易確定,實際使用中有不少困難.本文采用板單元與實體單元相結(jié)合的方法1,對一3跨懸浮式懸索橋結(jié)構(gòu)的橋面鋪裝早期開裂問題進行了分析,并結(jié)合計算結(jié)果對預防早期開裂的方法作出了建

7、議.1 懸索橋橋面鋪裝早期開裂實測1.1 裂縫分布狀況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.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,并繼而導致鋪裝層碎塊、坑槽等.修補一年后(防水膠層未修補,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,個別呈月牙形或網(wǎng)狀,之后產(chǎn)生坑槽.1.2 裂縫產(chǎn)生機理分析裂縫整個發(fā)展過程為開裂、發(fā)展、密集、坑槽、坑槽增大.出

8、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,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肋處產(chǎn)生的負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,研究者普遍采用實橋荷載試驗4,5、有限條方法6、截取某一梁段法8、模型試驗等,上述方法可以幫助研究者獲得相關(guān)數(shù)據(jù),但無法代替整橋有限元模型下橋面鋪裝的應力分析.2.1 主梁與橋面鋪裝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).頂板在荷載作用下的

9、主要效應是板的彎曲,為了考慮鋼板和橋面鋪裝的共同作用,在進行有限元計算時,按疊加抗彎剛度的方法來處理頂板上帶鋪裝的單元,將各鋪裝層和鋼板層的抗彎剛度疊加,得到一個總和的等效抗彎剛度.按剛度值相等的原則,以單層鋼板來代替多層材料構(gòu)成的板進行單元剛度矩陣的計算.2.2 主纜與吊桿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;但由于進行有限元計算時主纜需離散為很多個單元,若采用結(jié)點間相互鉸結(jié)的纜索單元,則整個結(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

10、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個數(shù)量級左右,無法將整橋離散為實體單元進行計算;而為了得到橋面鋪裝的較精確的應力分布,必須將橋面鋪裝用實體單元離散.因此本文采用板單元模擬鋼箱梁、實體單元模擬橋面鋪裝,利用對稱性,取1/4模型進行有限元計算.計算模型的結(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57mm.(見 圖1.圖1 三跨連續(xù)懸索橋計算模型F ig.1 T he calculation model o f 3-span continuoussuspensio n br idg e2.3

11、荷載與邊界條件文獻4的研究表明:懸索橋結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的沖擊效應不明顯,因此本文采用靜荷載模型進行計算.文獻57的研究表明:計算U 肋肋頂橋面鋪裝最大拉應力時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稱分布.進行有限元計算時,將面荷載按矩形單元等效結(jié)點力的計算方法轉(zhuǎn)換為結(jié)點荷載,如圖2所示.圖2 有限元模型計算荷載示意圖Fig.2 T he FEM load model本文不考慮溫度變化、風荷載等的影響.為計算簡單,在不影響車輪

12、荷載作用下橋面鋪裝受力的前118浙江大學學報(理學版 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個梁單元(主纜、40個桿單元(吊桿、10000個實體單元(橋面鋪裝、16000個板單元(鋼箱梁時計算結(jié)果收斂且滿足精度要求(對模型進一步細分計算結(jié)果影響小于0.01%,計算結(jié)果如下.對于本文2.2所建立的計算模型,由于加勁肋的作用,橋面板對車輛荷載的應力響應具有很強的局部性,橋面鋪裝在靠近荷載作用位置的第一個U 形肋處承受較大的負彎矩(橋面鋪裝頂面受拉,底面受壓,荷載作用中心承受較大

13、的正彎矩(橋面鋪裝頂面受壓,底面受拉,應力應變在荷載附近的兩個加勁肋寬度范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值.橋面鋪裝層頂面各點彎拉應變沿橋面橫向分布以U 肋肋頂為支點呈正負交替,且很快收斂為零,如圖3、圖4所示(正值為拉應變、負值為壓應變,最大彎拉應變出現(xiàn)在距離輪載中心最近的U 形肋頂,拉應變值為2000L E ,最大壓應變?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10.512e 的實驗溫度下進行的改性瀝青SM A 樣本疲勞試驗結(jié)果見圖5,在上述計算模型的荷載作用下,橋面鋪裝的疲勞壽命為2萬次左右,從而導致橋面鋪裝的早期開裂 .圖5 改性瀝青SM A 抗彎拉疲勞

14、性能示意圖Fig.5 Bending fatigue -resistant performance of the SM A5 結(jié) 論U 形肋和橫隔板加強處負彎矩引起的彎拉應力使橋面鋪裝的實際抗疲勞壽命大大低于設(shè)計值.計算發(fā)現(xiàn),U 形肋的間距小于雙輪輪載的寬度時,橋面鋪裝的最大拉應變在2000L E 以內(nèi),而當U 形肋的間距大于雙輪輪載的寬度時,橋面鋪裝的最大彎拉應變將急劇增加到20003000LE 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)的適當調(diào)整是降低橋面鋪裝拉應力的有效方法.參考文獻(References:1 潘偉兵.長大橋梁的裂縫影響分析J.公路交通科技,20

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