水泥混凝土桥面力学响应影响因素分析研究.pdf
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1、第 3 8卷 , 第 3期 2 0 1 3年 6 月 公 路 工 程 H i g h wa y En g i n e e r i n g Vo I 3 8No 3 J u n,2 0 1 3 水泥混凝土桥面力学响应影 响因素分析研究 马吉 倩 ,张红兵 ( 1 湖南省高速公路管理局 , 湖南 长沙4 1 0 0 0 3 ; 2 天津市市政工程研究院 ,天津3 0 0 0 7 4 ) 摘 要 不 同的桥面铺装结构参数 、 荷载形式 、 环境条件 、 桥梁跨径 及层间接触 条件等都 会对沥青 铺装层 的 力学响应产生影 响 , 因此 , 有必要 分析这些 因素对水泥混凝土桥面铺装结构的应力应变状
2、况的影响 为铺装层 的设 计和施 工提供理 论依 据。 关键词 桥 面铺装 ;力学响应 ; 结构参数 ; 层 间接触 中图分类号 U 4 3 3 3 3 文献标识码A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 l 3 ) 0 3 0 1 2 6 0 6 Re c e a r c h o n I n flu e n c e Fa c t o r s o f M e c h a n i c a l Re s p o n s e f o r Ce m e n t Co n c r e t e Br i d g e De c k i n g M A J i q i a n ,ZHANG H
3、o n g b i n g ( 1 Hu n a n E x p r e s s w a y Ad mi n i s t r a t i o n B u r e a u,C h a n g s h a,Hu n a n 4 1 0 0 0 3,C h i n a ; 2 T i a n j i n Mu n i c i p a l E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ,T i a n j i n,3 0 0 0 7 4,Ch i n a ) Ab s t r a c t D i f f e r e n t s t r u c t u r a l p
4、a r a me t e r s , f o r m o f l o a d , e n v i r o n me n t a l c o n d i t i o n s , t h e s p a n o f t h e b r i dg e a n d t h e i n t e r l a y e r b o n d i ng c o n d i t i o n s h a v e di f f e r e n t me c h a n i c a l r e s p o n s e S o,i t i s n e c e s s a r y t o s t u d y o n s o
5、ma n y i n fl ue n c e f a c t o r s for c e me n t c o n c r e t e b r i d g e d e c k i n g wh i c h c a n p r o v i d e t h e t h e o r y b a s i s f o r p a v e me n t de s i g n a n d c o n s t r u c t i o n Ke y w o r d s b r i d g e d e c k i n g p a v e me n t ;m e c h a n i c a l r e s p o
6、n s e ;s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s ;I n t e r l a y e r ont 丹 t 0 引言 不 同 类 型水 泥 混 凝 土桥 面受 力 特 点各 有 不 同 , 本 文将从 工 程 中应 用 较多 的混凝 土箱 型梁 为基本 桥 梁类 型进 行 力学 响应 分析 , 力学 分析 采用 A N S Y S力 学 分析 软件 进行 建 模 计算 , 分析 软 件 采用 通 用 有 限 元计算 程序 , 计算 采用 8结 点等 参实 体单元 , 划分 网 格 时把 荷载 作用 处 及 其 附 近作 适 当处理 , 以满 足 非
7、均 布荷 载施 加 的要 求 ; 对 箱 梁各 个 拐 角 处 网格 进 行 加密 , 避 免 出现 畸形 单元 , 以求 得 比较 精确 的计算 结 果 。边 界条 件假 设 为 : 支 座 端 梁 体底 端 面所 有节 点 全部施加竖 向约束和垂直于行车方 向约束 ; 跨 中横 断面 和位 于 桥 梁 中心 线 的 纵 断 面 分 别 施 加 对 称 约 束 。由于 本研 究 的主要 目的在于分 析轮 载附 近 的铺 装层 内 的应力 响应 , 在建 立三 维有 限元模 型 时 , 为 提 高计算 精 度 , 对 实 际断 面按 刚度作 了等 效简化 , 建 立 了整 桥模 型 , 整 桥
8、 的 1 4模型 如 图 1 所示 。 图 1箱型 梁桥 1 4模型 Fi g u r e 1 1 4 mo de l o f b o xg i r de r b r i dg e 对 箱 梁桥面 铺装 的力学 分析 中采 用 了 6 0 0 k P a 2 5 k N荷 载分 布形式 , 其 中 6 0 0 k P a 2 5 k N表 示胎 压 6 0 0 k P a , 每 个轮 胎 所承 受 轴 载 2 5 k N。通 过 软 件 分 析混凝土箱型梁铺装层结构参数 、 荷载 、 环境 、 层问 接触条件 、 桥梁跨径 5个因素的变化对力学受力响 应 的影响 规律 , 分析 力学 变化特
9、 点 , 为混凝 土 箱梁 的 设计 施工 提供 有力 的理论 基础 。 收稿 日期 2 0 1 2 一I 1 i 4 作者简介 马吉倩 ( 1 9 8 3 一) , 男 安徽阜 阳人 , 工程师 , 主要从 事公路 工程试验 与检测工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 马吉倩 , 等 : 水泥混凝土桥面力学响应影响因素分析研究 l 2 7 1 铺装层结构参数变化对 力学响应的影 响 本部分主要就铺装层厚度、 模量 变化对力学响 应 的变化进行分析。 1 1 厚 度 为分析不同铺装层厚度对结构应力场的影响 , 针对不同厚度的单层 铺装 结构 , 计
10、算分析箱 型梁桥 桥面铺装层 内的应力响应。这里主要考虑了沥青层 表面拉应力 、 沥青层与 昆 凝土层之间的剪应力、 沥青 层内最大剪应 力及沥青层 内最大拉应 变的变化规 律 。 计算结果如表 1和表 2 。 表 1 铺装层厚度变化时的材料参数 Ta b l e l Th e ma t e r i a l p a r a me t er s o f pa v e me n t l a y e r t hi c k n e s s c ha n z e s 表 2不 同面层 厚度时的应力响应 ( 箱梁 ) T a b l e 2 S t r e s s r e s p o n s e o f
11、d i f f e r e n t t h i c k n e s s o f s u r f a c e l a y e r ( B o x g i r d e r ) 由 以上 图表 可见 : 分析表明, 纵向拉应力随着厚度 的增大先增 加 , 在厚度为 1 2 c a时出现峰值 , 随后逐渐平稳 ; 而 横 向 拉 应 力 随 着 厚 度 的 增 加 而 增 大 , 厚 度 超 过 1 2 a m时 , 横向拉应力超过纵 向拉应 力成为控制应 力 。 沥青层厚度对层间剪应力 的影响很大, 随着 厚度的增加层问剪应力降低 , 当铺装层厚度为 6 a m 时, 横向层间剪应力 为 0 1 3
12、 5 9 MP a ; 而铺装厚 度为 1 6 a m 时 , 层 间 剪 应 力 为 0 0 8 5 4 MP a , 减 小 的 幅度 为 3 7 2 。 箱梁桥面铺装横 向拉应 变峰值要 大于纵 向 拉 应变 , 横 向拉应 变 随厚 度的 增大 先增 后减 , 但 是 变 化 幅度 较小 。 最大剪应力峰值一般出现在沥青层上部 , 在 轮迹带附近沥青层 内最大剪应力 都保持在 峰值 的 8 5 , 表明该范围是沥青铺装层 的高剪应力 区极易 产 生车 辙 。 铺装层 内的最大剪应力峰值随厚度变化的 趋势较为复杂, 当面层厚度小于 1 2 a m时, 铺装层 内 最大剪应力随厚度 的增大
13、而增 大; 当面层厚度超过 1 2 a m 时剪应 力逐 渐平 稳 。 1 2模 量 桥面铺装体系是一个复杂的结构, 铺装层材料 的模量发生改变会影响到铺装 体系的受力情况, 而 造成铺装层内的应力、 应变重新分布。所以, 在分析 铺装 层受 力特 性 时 , 要充 分 考 虑 到 沥青 混 凝 土 的模 量组 合 。 采用 4 a m+ 6 a m双层沥青结构体系, 先假设铺 装下 层 的模量 不变 , 即取 E =1 0 0 0 MP a , 铺 装 上 层 的 沥 青 混 合 料 的 模 量 依 次 取 E =6 0 0 MP a 、 1 0 0 0 MP a 、 1 4 0 0 MP
14、a、 l 8 0 0 MP a和 2 2 0 0 MP a; 再 假定铺 装 上层 的模 量不 变 , 即取 E =l 4 0 0 MP a , 铺 装下层的沥青混合料的模 量依次取 E =6 0 0 MP a 、 1 0 0 0 MP a 、 1 4 0 0 MP a 、 l 8 0 0 MP a和 2 2 0 0 MP a 。下 面对混凝土箱梁桥进行计算分析( 见表 3 , 表 4 ) 。 表 3 标 准荷载工况时上面层模量变化 影响( 下面层模量 1 0 0 0 MP a ) T a b l e 3 Mo d u l u s c h a n g e i mp a c t s o f s
15、u r f a c e l a y e r o n s t a n d a r d l o a d s i t u a t i o n s( Mo d u l u s o f t h e t o p l a y e r 1 0 0 0 MP a ) 由以上 表可 以看 出 : 根据上 、 下层模量组合 的变化 , 沥青铺装层 最 大拉应 力 均 出现在 表面 轮迹 带 附近 。路 表拉 应力 主要 受上 下 面层模 量 比( E t E _F ) 的 影 响 , 模 量 比值 越大 , 拉应 力越 大 。 横向拉应变为控制拉应变, 并且控制拉应变 学兔兔 w w w .x u e t u t
16、u .c o m 1 2 8 公路工程 3 8 卷 表 4 标准荷载 工况 时下面层模量变化影响 上面层模量 1 4 0 0 MP a ) T a b l e 4 Mo d u l u s c h a n g e i m p a c t s o f t h e l a y e r b e l o w o n s t a n d a r d l o a d s i t u a t i o n s( Mo d u l u s o f t h e l a y e r b e l o w 1 4 0 0 MP a ) 主要与本结构层 的模量相关 , 受其他沥青层的模量 影响 较小 , 如上 面层 模
17、量 的变 化 对下 面 层 内 的拉 应 变的影 响就 很小 。 增 大上 下层 模 量 比 , 有 助 于缓解 铺装 层 间的 相对滑移趋势, 尤其是减小下面层模量能有效地减 小 层 间剪应力 。 沥青 上 下 层 的模 量 比对最 大 剪 应 力峰 值 及 其发生位置都有极大影响。当下面层模量不变的情 况下, 随着上面层模量的降低或者下面层模量 的增 大, 沥青上面层内的最大剪应力峰值降低 , 下面层 内 的最大剪应力 峰值却在缓慢增大。而当上下面层之 间的模量比达到某一定值 时, 下面层 内剪应力超过 上 面层 内剪应 力 成为 控 制剪应力 。 综上可有 : 根据模量组合情况可知, 当
18、混凝土箱 梁沥青铺装层模量组合 为 1 0 0 0 MP a 1 0 0 0 M P a和 l 4 0 0 MP a 1 4 0 0 MP a 时 , 沥 青 层 内 最 大 剪 应 力 最 小。对于箱型梁桥桥面双层铺装体系 , 选取模 量较 为接近的沥青混合料双层铺装体系结构较为合理。 2 荷载因素变化对力学响应 的影响 车辆运营中超载超压现象普遍 存在 , 同济大学 胡小弟博士对重型车辆常用的 1 I O 0 2 0型走向花 纹 轮 胎的 不 同 胎 压不 同轴 载 的 接 地 压 力 进 行 了 实 测 , 这里选取 了具有代表性 的 4种工况, 分别是 a : 6 0 0 k Pa 2
19、5 k N;b:1 05 0 k Pa 1 9 kN;C: 1 0 5 0 k Pa 2 5 k N; d : 1 0 5 0 k P a 6 2 5 k N( 其 中 6 0 0 k P a 2 5 k N 表示胎压 6 0 0 k P a , 每个轮胎所承受轴载 2 5 k N ) 。 为分析不同荷载形 式的影响, 本研究对 以上 4 种荷载形式进行了分析 : 将 4种形式的荷载作用于 箱型梁桥 1 3跨处 内侧车道左侧荷位进行计算 , 结 果见 表 5 。 与荷载 6 0 0 k P a 2 5 k N相 比, 荷载工况 1 0 5 0 表 5 不同荷载形式时的应力状态对 比 Ta b
20、l e 5 Co mpa r i s o n o f t h e s t r e s s s t a t e i n t h e f o r m o f d i f f e r e n t l o a d s k P a 1 9 k N、 1 0 5 0 k P a 2 5 k N 和 1 0 5 0 k P a 6 2 5 k N, 各项应力应变指标都有所增 大, 尤其是层间剪应力 和层 内最 大剪应 力 峰 值 大 幅增 大 , 说 明 了超 载 的 大 量存在 是铺 装结 构 剪切 破坏 的主要 因素之 一 。 对 比 不 同 荷 载 工 况 1 0 5 0 k P a 1 9 k N
21、和 6 0 0 k P a 2 5 k N表明: 即使轴载减小, 但是胎压提高 时, 路面结构内各项应力指标都有所增大, 尤其是最 大剪 应力增 幅最 大 , 增 幅达 到 了 4 9 8 , 说 明超 压 对铺 装结 构 的影 响是 不 能 忽 略 的 , 对超 载 的治 理不 能狭义的仅对轴载超载进行控制, 而应该重视车辆 胎压 的影 响 。 将各种荷载形式最 大剪应力峰值进行对 比 可知 , 最大剪应力分布主要受 到接地压力 的非均匀 分布的影 响。对 比胎压都是 1 0 5 0 k P a的情况 , 当 轴载较低时, 最大剪应力呈双凸型分布, 而当轴载较 高时 , 最大剪应力呈双凹型分
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