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1 第 33 卷第 6 期 2018 年 12 月 DOI: / sdjz 山东建筑大学学报 JOURNAL OF SHANDONG JIANZHU UNIVERSITY Vol.33 No.6 Dec 简支梁正交异性钢桥面铺装层最不利受力分析宋君超 1ꎬ ꎬ 周艳 2 ꎬ 孟灵玥 3 4 ꎬ 李想 (1. 济南黄河路桥建设集团有限公司 ꎬ 山东济南 ꎻ2. 山东建筑大学道路与交通工程山东省高校重点实验室 ꎬ 山东济南 ꎻ3. 山东外事翻译职业学院国际商学院 ꎬ 山东威海 ꎻ4. 大华会计师事务所 ( 特殊普通合伙 )ꎬ 北京 ) 摘要 : 正交异性钢桥面板在大跨度钢桥建设中应用的越来越广泛 ꎮ 在实际荷载作用下 ꎬ 正交异性钢桥面铺装内的最大应力应变的位置和大小 ꎬ 是钢桥面铺装材料和结构设计的重要基础 ꎮ 文章围绕正交异性钢桥面板钢桥面铺装早期损坏严重问题 ꎬ 利用有限元方法建立了简支梁桥的整体模型 ꎬ 施加移动荷载确定桥面铺装层最不利受力位置 ꎬ 对简支梁桥的桥面铺装层最不利受力情况进行研究 ꎮ 结果表明 : 当车辆荷载后轴作用于近跨中 21.4 m 处和桥面铺装内纵向 22.6 m 处时 ꎬ 产生的纵向应力值最大 ꎻ 铺装层内横向最大拉应力发生在跨中附近腹板处桥面铺装层顶面 ꎬ 竖向最大拉应变位于横桥向 3.5 mꎬ 纵桥向最大压应力和压应变位于横桥向 3.8 m 处 ꎬ 且铺装层各层的横纵桥向最大应力均从顶层向下减小 ꎬ 而竖向最大拉应力从顶层向下则依次增大 ꎮ 关键词 : 钢桥面铺装 ꎻ 简支梁桥 ꎻ 整体模型 ꎻ 最不利受力中图分类号 :U 文献标识码 :A 文章编号 : (2018) Analysis of the most unfavorable force in the bridge deck pavement of simply supported girder bridge Song Junchao 1ꎬ ꎬ Zhou Yan 2 ꎬMeng Lingyue 3 ꎬ et al. (1. Jinan Yellow River Bridge Construction Group Co.ꎬ Ltdꎬ Jinan ꎬChinaꎻ 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Road and Traffic Engineering in Colleges and Universitiesꎬ Shandong Jianzhu Universityꎬ Jinan ꎬ Chinaꎻ 3. International Business Schoolꎬ Shandong Vocational College of Foreign Affairs TranslationꎬWeihai ꎬ China) Abstract: Orthotropic steel bridge decks are widely usedꎬ yet its early damage is a serious problem. The location and value of the maximum stress under the actual load is an important foundation of the structure design for the orthotropic steel bridge. Based on the finite element methodꎬ the whole model of the simply supported beam bridge is established in this paper. The most unfavorable position of bridge deck pavement is confirmed by applying a moving load on model. Finally the stress characteristics of orthotropic steel bridge pavement are analyzed. The results indicate that when the rear axle of the vehicle load acted on the near span center 21.4 mꎬ the longitudinal stress value of the pavement of vertical 22.6 m is the largest. The transverse maximum tensile stress in the pavement layer occurred at the top of the deck pavement at the web near the mid spanꎬ and it decreases from top to bottom. Vertical maximum tensile stress also increases from top to bottom. Vertical maximum tensile strain are in transverse 3.5 mꎬ while longitudinal maximum compressive stress and compressive strain are in transverse 3.8 mꎬ and it decreased from top to bottom. Key words: steel bridge pavementꎻ simply supported beam bridgeꎻ the whole modelꎻ the most unfavorable loading 收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金青年基金项目 ( ) 作者简介 : 宋君超 (1974-)ꎬ 男 ꎬ 高级工程师 ꎬ 学士 ꎬ 主要从事道路施工等方面的研究.E mail:sjczy@ 126.com[ 通讯作者 ]

2 ２２０山东建筑大学学报２０１８年铺装受力的影响 [１２１３] ꎮ 在实际荷载作用下ꎬ正交异引言性钢桥面铺装内最大应力应变的位置和大小ꎬ对钢桥面铺装材料和结构的设计至关重要ꎮ 整体模型为正交异性钢桥面板作为大跨度钢箱梁桥的桥面带有桥面铺装结构的桥梁整体板壳模型ꎬ这种有限板在大跨度钢桥建设中的应用越来越广泛ꎬ但同时元分析方法是最精确的ꎮ 然而ꎬ该模型建模复杂ꎬ且正交异性钢桥面铺装的早期损坏问题却一直没有得实际应用中会受到计算机内存的限制ꎬ因此桥面铺到很好的解决ꎮ 桥面铺装的好坏直接影响桥梁使用的舒适经济和安全ꎬ频繁的维修必然耗费大量的人力物力并影响通行能力 [１２] ꎮ 因此ꎬ研究钢箱梁桥面板铺装层在荷载作用下产生的最大应力应变ꎬ用以修正当前正交异性钢桥面铺装结构设计指标是非常重要的ꎮ 如果铺装材料能够满足最不利荷载作用下钢桥面铺装层内产生的应力和应变ꎬ那么铺装结构就能够避免早期损坏ꎬ提高使用寿命ꎬ并产生巨大的经济和社会效益ꎮ 我国目前对各种桥型的正交异性钢桥面铺装在车辆荷载作用下的响应均有研究ꎬ正交异性钢桥面铺装的受力分析数值模拟方法有整体模型法多尺度模型法( 混合单元法) 子模型法简化模型法等ꎮ 在研究中模型大部分采用简化模型 [３１１] ꎬ未考虑桥型的影响ꎬ也并未考虑荷载作用位置对简支梁桥面图１装分析中很少采用此方法 [１４１５] ꎮ 文章建立了最接近简支梁钢桥面铺装真实受力特性的整体模型ꎬ施加移动荷载ꎬ确定在桥面铺装中最大纵向压应力的荷载作用位置ꎬ并分析桥面铺装的受力特性ꎮ １简支梁桥整体模型的建立简支梁桥跨径为４８ｍ桥宽为２２ｍꎬ两侧翼板宽为３ｍꎬ单箱四室ꎬ每隔３ｍ有１道横隔板ꎬ中间横隔板开人孔ꎬ端横隔板为实心截面ꎬ简支梁横截面具体尺寸如图１( ａ) 所示ꎮ 其中ꎬ横桥向为ｘ轴ꎬ截面右侧为正左侧为负ꎻ竖桥向为ｙ轴ꎬ截面上侧为正下侧为负ꎻ纵桥向为ｚ轴ꎮ ＳｘＳｙＳｚ分别为ｘｙｚ向应力ꎬＳＥＱＶ为等效应力ꎮ 简支梁整体模型横断面及荷载布置图利用ＡＮＳＹＳ建立简支梁桥的整体模型ꎬ钢箱梁采用ＳＨＥＬＬ６３单元ꎬ 桥面铺装沥青混凝土采用ＳＯＬＩＤ４５单元ꎬ荷载采用ＳＵＲＦ１５４单元施加ꎮ 钢材及沥青混凝土材料均为弹性材料ꎬ各向同性ꎬ钢材弹性模量２.１１０８ＭＰａ密度为７８５０ｋｇ / ｍ３泊松比为０.３ꎮ 桥面铺装材料为沥青混凝土ꎬ弹性模量取常用值１０００ＭＰａ密度为２４００ｋｇ / ｍ３泊松比为０.２ꎬ沥青混凝土铺装厚度为５０ｍｍꎬ桥面铺装层划分为一层ꎬ桥面铺装与桥面板之间采用共用节点完全连接ꎬ 位移连续ꎮ 整体模型梁端部腹板位置底板处通过厚２０ｃｍ钢板支座施加简支梁边界条件ꎬ边界条件施加见表１ꎮ

3 第 6 期宋君超 ꎬ 等 : 简支梁正交异性钢桥面铺装层最不利受力分析 23 表 1 简支梁边界条件表约束位置 / m 左侧腹板位置支座右侧腹板位置支座约束方向约束方向 -8 U y U y U z -4 U y U y U z 辆荷载第 2 根到第 4 根轴 ꎬ 轴重分别为 120 和 140 kn 的轴经过 22.6 m 点时 ꎬ 引起该点的各向应力均较大 ꎮ 当第 4 根轴经过该点时 ꎬ 产生的应力值最大 ꎬ 此时 ꎬ 车辆荷载最后轴作用于纵向 21.4 m 处 ꎮ 0 U x U y U x U y U z 4 U y U y U z 8 U y U y U z 荷载作用采用双向四车道车辆荷载 ꎬ 纵向荷载作用位置根据移动荷载下使跨中产生最大应力的荷载作用位置确定 ꎮ 车辆荷载标准如图 1( b) 所示 ꎮ 荷载横向沿中心线两侧对称布置 ꎬ 车辆从简支梁一端以 80 km / h 的速度驶入 ꎬ 行驶到另一端共加载 306 步 ꎮ 四车道荷载在横桥向相对于梁中轴线对称布置 ꎬ 为方便计算 ꎬ 布置为同向荷载 ꎮ 一侧两车道 4 个轮载中心作用位置分别距中心线和 7.05 mꎬ 荷载作用面积为 0.6 m 0.2 mꎮ 2 简支梁正交异性钢桥面铺装层最不利受力分析 2.1 移动荷载下正交异性钢桥面铺装层整体受力分析移动荷载作用 306 步后 ꎬ 将梁横向 m 处纵向正交异性钢桥面铺装顶面各点在荷载从梁一端行驶到另一端时产生的纵向应力 (S z ) 最大和最小值绘制成曲线 ꎬ 如图 2 所示 ꎮ 可以看出 ꎬ 横隔板位置处桥面铺装顶面的应力较小 ꎬ 在两横隔板之间位置 ꎬ 应力较大 ꎬ 在梁近跨中 22.6 m 处产生的应力最大 ꎮ 梁截面上其它荷载作用位置处桥面铺装顶面纵向各点所得纵向应力有相似规律 ꎮ 图 3 梁纵向 22.6 m 和横向 m 处应力时间曲线图梁横向 m 荷位处纵向各点的纵向应力时间曲线如图 4 所示 ꎬ 可以看出 ꎬ 车轮作用处各点的应力时间历程曲线有相似规律 ꎬ 车轴经过该点时应力较大 ꎬ 因此有 2 个峰值 ꎮ 2 个 120 kn 的轴经过时形成 1 个峰值 ꎬ2 个 140 kn 的轴经过时形成 1 个峰值 ꎬ 越接近跨中 ꎬ 应力越大 ꎮ 而横隔板处形成的峰值与 2 横隔板之间的点形成峰值的方向相反 ꎬ 因横隔板有竖向支撑作用 ꎬ 故形成反峰 ꎮ 梁纵向 22.6 m 和横向 -4 m 腹板位置的应力时间曲线如图 5 所示 ꎬ 在腹板位置 ꎬx 向应力比较大 ꎬ 同样在荷载经过时形成 2 个峰值 ꎮ 腹板处铺装层顶面纵向各点应力具有相似的规律 ꎮ 图 4 梁横向 m 纵向各点应力时间历程曲线图图 2 梁横向 m 处纵向各点在 306 步时间中产生的纵向最大和最小应力包络图梁纵向 22.6 m 和横向 m 处桥面铺装顶面点的应力时间曲线如图 3 所示 ꎮ 可以看出 ꎬ 当车梁纵向 27 m 和横隔板位置横向 -4 m 腹板及 m 荷位处应力时间历程曲线如图 6 所示 ꎬ 可见横隔板处车辆未经过该点时 ꎬ 应力很小 ꎬ 车轴经过时形成的应力峰值也较小 ꎬ 在横隔板和腹板交界点处各向应力均较小 ꎬ 而横隔板上腹板之间的位置 ꎬ 竖向应力较大 ꎮ 各点应变时间历程曲线与应力时间历程曲线相似 ꎮ

4 ２４山东建筑大学学报２０１８年变值如图７所示ꎮ ＥｘＥｙＥｚ分别为ｘｙｚ向应变ꎬ ＥＥＱＶ为等效应变ꎮ 横截面上轮载作用中心桥面铺装顶面位置的各向应力应变较大ꎬ横截面４ｍ４ｍ腹板位置上ꎬ横向( ｘ向) 拉应力拉应变较大ꎬ等效应变最大值为５.６３１０４ ꎮ 当车辆行驶到１７３步ꎬ后轴作用于２１.４ｍ时ꎬ 梁横向荷载作用位置３.６５ｍ处纵向各点应力如图８( ａ) 所示ꎬ车轴通过的位置纵向应力和竖向应力最图５梁纵向２２.６ｍ横向４ｍ位置桥面铺装顶面处应力时间历程曲线图当车辆行驶到１７３步ꎬ后轴作用于２１.４ｍ时ꎬ 在梁纵向２２.６ｍ的位置梁横截面上各点的应力应图６图７２.２大ꎬ竖向应力有正负交变ꎮ 当车辆行驶到１７３步ꎬ后轴作用于２１.４ｍ时ꎬ 梁横向４ｍ处腹板位置桥面铺装顶面纵向各点应力如图８( ｂ) 所示ꎬ车轴通过位置的水平向应力最大ꎬ具有较大的水平拉应力和拉应变ꎮ 梁纵向２７ｍ桥面铺装顶面点应力时间历程曲线图第１７３步２２.６ｍ处梁横截面上各点应力和应变图正交异性钢桥面铺装层最大应力应变分析通过移动荷载下简支梁桥的整体受力分析ꎬ确定荷载最不利作用位置ꎬ将模型细化ꎬ模型为正交异性钢桥面板钢箱梁桥ꎬ钢材采用１６Ｍｎꎮ 加密荷载作用部分ꎬ加密部分单元尺寸为０.１ꎬ满足单元精度要求ꎮ 模型其他条件与初步分析模型相同ꎬ将桥面铺装层分为５层ꎬ重新进行计算ꎮ 模型细部尺寸及钢板厚度见表２ꎬ整体模型如图９所示ꎮ

第 6 期宋君超 ꎬ 等 : 简支梁正交异性钢桥面铺装层最不利受力分析 25 图 8 第 173 步横向 -3.65 m 和 -4 m 处梁纵向各点应力图表 2 简支梁整体模型表构件规格尺寸 / mm 板厚 / mm U 形肋顶宽 300 8 底宽 170 高度 280 间距 6008 从顶面向下依次减小 ꎬ 最大值发生在横桥向 3.

5 第 6 期宋君超 ꎬ 等 : 简支梁正交异性钢桥面铺装层最不利受力分析 25 图 8 第 173 步横向 m 和 -4 m 处梁纵向各点应力图表 2 简支梁整体模型表构件规格尺寸 / mm 板厚 / mm U 形肋顶宽底宽 170 高度 280 间距 6008 从顶面向下依次减小 ꎬ 最大值发生在横桥向 3.8 m 处 ꎻ 纵向拉应力拉应变发生在纵桥向桥两端横向 8 m 处 ꎬ 且铺装层各层最大值均从顶面到下逐渐减小 ꎮ 纵肋高度顶板部分间距 300 底板部分间距 400 腹板部分间距 300 斜腹板部分水平间距 300 顶板 16 底板 36 横隔板间距通过对简支梁整体模型分析 ꎬ 得到桥面铺装层内各向应力应变最大值 ꎬ 结果见表 3ꎻ 铺装层各层各方向的最大最小应力应变值及产生位置见表 4ꎮ 铺装层各层次的横向最大拉应力由顶层向下逐渐减小 ꎬ 其中最大的拉应力发生在腹板处桥面铺装最顶面 ꎮ 竖向压应力和拉应力由顶面至底面依次增大 ꎬ 最大压应力发生在横桥向荷位中心 6.75 m 处铺装层底面 ꎻ 而竖向最大拉应变发生在横桥向 3.5 m 处 ꎬ 且从顶面到底面依次减小 ꎮ 纵向压应力压应变均图 9 简支梁整体有限元模型图表 3 简支梁桥整体模型桥面铺装层最大最小应力表桥面方向应力 / Pa 应变最大值最小值最大值最小值 x y z EQV 表 4 简支梁桥桥面铺装各层次各方向最大及最小的应力应变表桥面方向铺装层层次 / m 位置 / m 应力 -MAX / Pa 应变 -MAX 位置 / m 应力 -MIN / Pa 应变 -MIN x 顶面第二层顶面第三层顶面第四层顶面第五层顶面 y 顶面第二层顶面第三层顶面第四层顶面第五层顶面 z 顶面第二层顶面

6 26 山东建筑大学学报 2018 年续表 4 桥面方向铺装层层次位置 / m 应力 -MAX / Pa 应变 -MAX 位置 / m 应力 -MIN / Pa 应变 -MIN 第三层顶面第四层顶面第五层顶面 EQV 顶面第二层顶面第三层顶面第四层顶面第五层顶面结论通过在 48 m 跨径简支梁整体模型上施加移动荷载 ꎬ 计算桥面铺装层内各向应力应变的最大值位置 ꎬ 分析其最不利受力情况 ꎬ 得出以下结论 : (1) 在移动荷载作用下 ꎬ 当车辆荷载后轴行驶至近跨中 21.4 m 时 ꎬ 跨径简支梁正交异性钢桥面铺装在纵向 22.6 m 处的应力最大 ꎮ (2) 钢桥面铺装内 ꎬ 横向各层拉应力从顶面向下依次减小 ꎬ 其中最大拉应力发生在跨中附近腹板处桥面铺装最顶面 ꎻ 竖向最大拉应力从顶面到下依次增大 ꎬ 最大拉应变发生在横桥向 3.5 m 处 ꎬ 由顶面到下依次减小 ꎻ 纵向最大压应力压应变发生在横桥向 3.8 m 处 ꎬ 从顶面向下依次减小 ꎮ 参考文献 : [1] 李兴海 ꎬ 钱振东 ꎬ 周绪利 ꎬ 等. 钢桥面铺装修复界面疲劳特性试验 [J]. 中国公路学报 ꎬ2018ꎬ31(5): [2] 王健 ꎬ 毕玉峰 ꎬ 张宏超. 杭州湾跨海大桥水泥混凝土桥梁桥面铺装车辙病害分析与预估 [J]. 公路工程 ꎬ2018ꎬ43(2): ꎬ 269. [3] 徐箐 ꎬ 张磊 ꎬ 丁建明. 粘结层特性对正交异性钢桥面铺装受力的影响 [J]. 黑龙江交通科技 ꎬ2013(6): [4] 钱振东 ꎬ 黄卫 ꎬ 骆俊伟 ꎬ 等. 正交异性钢桥面铺装层的力学特性分析 [J]. 交通运输工程学报 ꎬ2002ꎬ2(3): [5] 尹夏明 ꎬ 罗桑. 大跨径混合梁斜拉桥钢箱梁与钢混结合段桥面铺装力学特性对比分析 [J]. 武汉理工大学学报 ꎬ2015ꎬ37(6): [6] 任开亮 ꎬ 黄天贵 ꎬ 赵国云. 材料粘弹性对沥青混凝土钢桥面铺装结构疲劳寿命预估的影响 [ J]. 公路交通技术 ꎬ2015( 5):80-82ꎬ88. [7] 唐细彪. 某桥正交异性钢桥面板结构受力分析 [ J]. 世界桥梁 ꎬ 2015ꎬ43(1): [8] 兰超 ꎬ 王民. 正交异性板对钢桥面铺装荷载响应的影响分 [ J]. 公路交通技术 ꎬ2014(6):19-21ꎬ31. [9] 邓鸣 ꎬ 张建仁 ꎬ 王蕊 ꎬ 等.UHPC 铺装加固斜拉桥正交异性钢桥面板 [J]. 长安大学学报 ( 自然科学版 )ꎬ2018ꎬ38(1): [10] 王占飞 ꎬ 程浩波 ꎬ 程志彬 ꎬ 等 ꎬ 桥面铺装对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响 [J]. 沈阳建筑大学学报 ( 自然科学版 )ꎬ 2018ꎬ34 (2): [11] 李丽娟 ꎬ 崔闯 ꎬ 卜一之 ꎬ 等. 铺装层对正交异性钢桥面疲劳性能影响效应研究 [J]. 世界桥梁 ꎬ2016ꎬ44(5): [12] 柳富勇 ꎬ 基于重载条件的钢桥面铺装层疲劳性能研究 [ D]. 南京 : 南京林业大学 ꎬ2017. [13] 周跃. 铺装层对正交异性板疲劳性能的影响研究 [ D]. 西安 : 长安大学 ꎬ2015 [14] 陈伟光 ꎬ 陈荣生. 连续梁桥不同厚度铺装层的力学响应分析 [J]. 武汉理工大学学报 ꎬ2011ꎬ33(4): [15] 张慧. 大宽跨比正交异性板鱼腹式多室薄壁箱梁结构受力性能和试验研究 [D]. 兰州 : 兰州交通大学 ꎬ2012. ( 学科责编 : 朱志鹍 )

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Mnq 1 1 m ANSYS BEAM44 E0 E18 E0' Y Z E18' X Y Z ANSYS C64K C70C70H C /t /t /t /mm /mm /mm C64K 25 4 Vol. 25 No. 4 2012 12 JOURNAL OF SHIJIAZHUANG TIEDAO UNIVERSITY NATURAL SCIENCE Dec. 2012 1 2 1 2 3 4 1 2 1. 050043 2. 050043 3. 3300134. 450052 ANSYS C80 C80 125 ac70 0 U24 A 2095-0373201204-0017-06