1、 福建建设科技 市政交通 型加劲肋钢顶板 纤维混凝土组合桥面板力学性能研究周连荣 林 财 杨建军 陈康明(.厦门路桥百城建设投资有限公司 福建厦门.中建海峡建设发展有限公司 福建福州.中铁十八局集团第一工程有限公司 河北保定.福州大学 福建福州)摘 要 针对钢桥面柔性铺装病害频发的问题提出采用纤维混凝土替代部分沥青柔性铺装通过有限元分析软件 建立 型加劲肋钢顶板 纤维混凝土组合桥面板实体有限元分析模型选取纤维混凝土厚度、钢顶板厚度、肋翼缘板厚度及横隔板间距 个参数进行力学性能分析 研究表明:纤维混凝土层的厚度及 肋翼缘板厚度的改变对组合桥面板的刚度影响显著纤维混凝土层和钢顶板的厚度变化均对其影
2、响较大随着纤维混凝土及钢顶板厚度的增加界面剪应力明显下降增大横隔板间距对各力学指标的影响不太明显在 跨径下的 型加劲肋钢顶板 纤维混凝土组合桥面各构造参数的合理范围如下:纤维混凝土层厚度宜为、钢顶板厚度宜为 肋厚度宜为、横隔板间距应取 关键词 型加劲肋有限元纤维混凝土组合桥面板力学性能 :作者简介:周连荣(.)男本科高级工程师现从事市政道路和桥梁建设管理工作 引言国内外常以沥青混凝土柔性铺装材料作为钢桥面铺装但传统钢桥面柔性铺装存在着两个工程难题一是因其需承受车轮荷载的直接作用再加上局部效应明显结构构造复杂等因素导致钢桥面板疲劳损伤问题突出较易发生疲劳开裂二是钢桥面板和柔性铺装材料间的弹性模量
3、差异较大荷载作用下变形协调性差导致沥青铺装层极易开裂破损每隔几年需进行修复造成严重的经济损失邓鸣等针对天津海河大桥的铺装层病害和钢桥面疲劳破坏问题提出了采用 加固钢桥面的方法其研究发现在长期重载作用下桥梁刚度不足易导致钢桥面出现铺装层破坏和疲劳开裂采用 铺装加固可大幅度提高桥面板刚度显著降低其应力水平减少新增裂缝的产生陈斌等通过对某座采用薄层 铺装层的桥梁进行有限元分析计算得出采用该铺装层形成组合桥面板后车轮荷载作用下的钢桥面应力水平大幅减小同时薄层 面板较高的抗拉强度可满足组合桥面板最大拉应力要求张龙威以佛陈新桥为背景针对受力复杂的横隔板弧形切口进行车载试验和有限元分析研究得到了最不利弧形切
4、口位置同时表明采用 铺装层可较沥青铺装层显著降低结构疲劳细节的应力值傅梅珍等通过有限元分析方法对采用刚性铺装的正交异性组合桥面结构进行参数分析其研究结果表明在轮载作用下该组合桥面板刚度显著提高结构细节应力降低并给出了刚性基层厚度和弹性模量对结构的影响程度叶华文通过有限元分析方法针对城轨钢箱梁正交异性桥面板的疲劳应力问题进行正交化参数分析其研究结果得出了车轮荷载作用下的影响范围和最不利加载位置并基于顶板厚度、横隔板高度、横隔板间距、轨下纵肋高度及开口形式等设计参数的影响分析通过正交化方法得到正交异性桥面板结构细节的疲劳应力计算公式总体而言采用纤维混凝土替代部分沥青混凝土形成复合铺装体系可以较明显
5、降低桥面板在汽车荷载下的响应并可通过数值分析方法得到较好模拟本文通过有限元分析软件 建立 型加劲肋钢顶板 纤维混凝土组合桥面板实体有限元分析模型选取纤维混凝土厚度、钢顶板厚度、肋翼缘板厚度及横隔板间距 个参数对车轮荷载下组合桥面板体系的受力性能进行分析 实体有限元模型 有限元模型简化 型加劲肋钢顶板 纤维混凝土组合桥面板的构造参数取自厦门某改造项目中跨径为 的简支钢箱梁桥桥面宽市政交通福建建设科技 度为 梁高为 横隔板间距为 钢箱梁标准横断面如图 所示图 桥梁横断面图(单位:)模型的简化建立过程中横向取钢箱梁一室宽度 (个 肋)纵向取一跨长度为(个横隔板间距)箱梁高度为 模型的几何尺寸汇总如表
6、 所示模型各部件均采用 节点六面体(号单元)单元模拟 模型示意图详见图 表 实体有限元模型构造尺寸表(单位)部件模型顶板板厚横隔板板厚腹板厚 肋连接缀板厚顶板 型加劲肋腹板高腹板厚翼缘板厚翼缘板宽间距底板 型加劲肋腹板高腹板厚翼缘板厚翼缘板宽间距()有限元模型示意图()模型截面示意图图 局部实体有限元模型 边界设置及加载工况局部实体模型的边界条件为端横隔板处简支约束竖向位移及纵向位移详见图 所示 计算荷载选取公路桥涵设计通用规范()中选取公路 级标准车后轴轴重冲击系数取 确定每个轴载为 车轮加载面积为 并对本文中纵向荷载加载中心进行约定以车辆后一个单轴位置视为纵向荷载加载中心 同时还需考虑自重
7、的影响由现行规范的规定对主梁施加 倍自重 倍汽车荷载(考虑冲击力)的荷载组合 车轮荷载立面及平面如图 所示图 局部有限元模型边界条件示意图图 公路 级标准车示意图(力:长度:)为了确定车轮荷载的最不利加载位置需确定纵横向的荷载工况 横桥向考虑两种加载工况分别是“肋上”(荷载中心点位于 肋上方)与“肋间”(荷载中心点位于两 肋之间)分别记为横向工况 及工况 纵向工况以/为各荷位间距纵向荷位 表示轮载纵向位于跨中截面处具体工况见图 荷载工况命名为工况 以工况 为例子第一个数字表示横桥向荷载位置第二个数字表示纵桥向荷载位置图 荷载工况 福建建设科技 市政交通 模型控制指标已有的研究表明钢桥面铺装体系
8、破坏形式多为铺装层开裂钢桥面疲劳破坏和铺装层与钢桥面间界面剪切破坏故本文选取下列评价指标:()刚度指标在车轮荷载作用下模型结构产生一定的变形并且在荷载作用点处局部效应表现突出容易导致组合桥面结构体系出现病害例如钢顶板刚度低导致结构变形过大导致混凝土层出现开裂现象故以竖向位移 作为模型结构的刚度控制指标()应力控制指标为了有效避免铺装层病害及钢桥面疲劳开裂问题需确保组合桥面板各部件应力控制指标不超过其材料屈服强度选取纤维混凝土层纵向压应力、横向拉应力、混凝土铺装层与钢顶板界面剪应力、钢顶板 应力、肋翼缘板 应力 和横隔板 应力 作为模型结构的应力控制指标 最不利工况分析图 给出模型各控制指标在荷
9、载工况下响应由图可知工况 下模型竖向位移、混凝土横向拉应力、钢顶板 应力 和 肋翼缘板 应力 达到最大其响应峰值分别为 、和 工况 为混凝土纵向压应力、界面剪应力 和横隔板 应力 的最不利工况其响应峰值分别为 、和 模型各控制指标的最不利工况结果如表 所示()竖向位移 响应()混凝土层纵向压应力 响应与工况 应力云图()混凝土层横向拉应力 响应与工况 应力云图()界面剪应力 响应与工况 应力云图()钢顶板 应力 响应与工况 应力云图()肋翼缘板 应力 响应与工况 应力云图()横隔板 应力 响应与工况 应力云图图 各荷载工况下模型结构控制指标响应表 组合桥面板关键指标最不利工况汇总指标最不利荷载
10、工况峰值竖向位移 混凝土纵向压应力 混凝土横向拉应力 界面剪应力 钢顶板 应力 肋翼缘板 应力 横隔板 应力 注:表中拉应力为正压应力为负 模型关键参数分析 纤维混凝土层厚度纤维混凝土厚度的选取应充分考虑以下几个因素:足够的刚度即最小厚度要求(普通混凝土一般不低于)与连接件高度要求(一般不低于)与钢顶板纵肋市政交通福建建设科技 刚度相匹配要求良好的变形协调能力 综合考虑纤维混凝土厚度取、共计 个参数图 给出纤维混凝土层厚度变化时在最不利荷载工况下各力学指标变化图 由图可以看出随着纤维混凝土层厚度由 增加至 结构自重增加故桥面板竖向位移增大但增长的幅度仅为 纤维混凝土层纵向压应力和横向拉应力则出
11、现下降降幅达 和 可见纤维混凝土应力指标对混凝土厚度变化敏感增加纤维混凝土厚度可以有效降低纤维混凝土的横向与纵向拉应力峰值界面剪应力降幅达 钢顶板、肋翼缘板和横隔板的 应力分别降低了 、其中钢顶板 应力指标对纤维混凝土厚度这一参数变化最不敏感横隔板 应力指标次之 肋翼缘板 应力指标最为敏感说明增加纤维混凝土厚度可以显著改善 肋翼缘板的受力状况且 肋翼缘板 应力与横隔板 应力随纤维混凝土层厚度变化曲线存在交点此时的纤维混凝土厚度为最佳厚度 综上可知增加纤维混凝土厚度纤维混凝土横纵向应力改善最为明显界面剪应力和 肋翼缘板 应力出现明显下降而横隔板 应力指标改善程度最低由此建议在 跨径的 型加劲肋钢
12、顶板 纤维混凝土组合桥面板中纤维混凝土合理厚度应为()竖向位移()纤维混凝土层应力()界面剪应力()钢板 应力图 纤维混凝土厚度变化下模型力学指标响应 钢顶板厚度钢顶板厚度参数取值参考公路钢结构桥梁设计规范()规定行车道部分钢顶板厚度不应小于人行道部分不应小于 因此本文选取钢顶板厚度、和 共 个参数图 给出钢顶板厚度变化时在最不利荷载工况下各力学指标变化图 由图可以看出随着钢顶板厚度由 增加到 组合桥面板的竖向位移峰值仅降低了 纤维混凝土层纵向压应力及横向拉应力峰值仅下降了 及 可见改变钢顶板厚度对纤维混凝土的纵向应力指标改善程度较横向应力指标好但二者均不明显界面剪应力相应下降了 下降幅度较大
13、改善较为明显钢顶板和 肋翼缘板的 应力分别降低了 和 而横隔板 应力则基本保持不变 综上可知增加钢底板厚度仅可较为明显改善钢顶板和界面的受力状态对于其他力学指标改善程度乏善可陈 综上在 跨径的 型加劲肋钢顶板 纤维混凝土组合桥面板中由于钢顶板厚度的增加对各控制指标的改善程度较不明显因此钢顶板推荐厚度按规范最小值进行取值宜为()竖向位移()纤维混凝土层应力()界面剪应力()钢板 应力图 钢顶板厚度变化下模型力学指标响应 肋翼缘板厚度结合研究背景中 型加劲肋厚度为 及钢顶板厚度为 以及我国工程实例中使用的开口肋厚度大多采用 与 因此在保持其他参数不变且满足规范构造要求的情况下本文选取 肋翼缘板厚度
14、为、和 共 个参数()竖向位移()纤维混凝土层应力()界面剪应力()钢板 应力图 肋翼缘板厚度变化下模型力学指标响应图 给出 肋翼缘板厚度变化时在最不利荷载工况下各力学指标变化图 由图可知随着 肋翼缘板厚度增加截面刚度增加组合桥面板体系各指标随之线性减小 肋翼缘板厚度由 增加至 组合桥面板的竖向位移峰值由于自重的作用增长 变化不明显纤维混凝土的纵向 福建建设科技 市政交通压应力及横向拉应力峰值则仅下降了 及 而界面剪应力相应仅下降了 改善幅度均较小钢顶板和 肋翼缘板的 应力分别降低了 和 、而横隔板 应力基本保持不变由此可知横隔板 应力及钢顶板 应力指标对 肋翼缘板厚度这一参数变化极不敏感但
15、肋翼缘板的受力状态改善较明显 综上可知增加 肋翼缘板厚度仅使 肋的受力状态得到改善对于其他力学指标则改善作用较小故在满足规范要求下在 跨径的 型加劲肋钢顶板 纤维混凝土组合桥面板中 肋翼缘板厚度宜取 横隔板间距规范中对于采用开口加劲肋的桥梁规定横隔板间距不宜大于 工程实践中通常为 故在保持其他参数不变且满足规范构造要求的情况下本文选取横隔板间距为 、共 个参数进行分析图 给出不同横隔板间距下在最不利荷载工况下各力学指标变化图 由图 可以看出随着横隔板间距由 增加至 组合桥面板的竖向位移峰值下降了 纤维混凝土的纵向压应力及横向拉应力峰值则分别增大了 及 可见增加横隔板间距对纤维混凝土层的横向受力
16、而言边界约束效果减弱使得横向受力更为不利同样纵向受力也是如此只是没有横向应力指标变化显著界面剪应力和钢顶板 应力变化较不明显分别仅增大了 和 横隔板 应力增大幅度最大增大了 而 肋翼缘板 应力指标则得到改善改善幅度达 综上可知增大横隔板间距对除 肋应力以外的各应力指标均有不利影响且纤维混凝土的横向拉应力超过混凝土的抗拉强度 综上在 跨径的 型加劲肋钢顶板 纤维混凝土组合桥面板中横隔板的推荐间距为 ()竖向位移()纤维混凝土层应力()界面剪应力()钢板 应力图 横隔板间距变化下模型力学指标响应 结论()进行 个横向工况、个纵向工况下各控制指标最不利荷载工况分析其中竖向位移、纤维混凝土横向拉应力、钢顶板 应力、肋 应力 最不利荷载工况为 纤维混凝土纵向压应力、纤维混凝土与钢顶板界面剪应力 及横隔板 应力 最不利荷载工况为()在车轮荷载作用下纤维混凝土层的横向应力以拉应力为主纵向以受压为主故该组合桥面板混凝土层横向受力更为不利在横隔板与钢顶板焊接位置上方的界面剪应力明显大于其他部位出现明显的局部效应钢顶板的应力水平略大于 肋和横隔板()通过 个构造参数的对比分析可知纤维混凝土层厚度增加组合桥
