（道路与铁道工程专业论文）钢桥桥面铺装若干力学问题研究.pdf

摘璺 摘要 近年来随着交通事业的快速发展，我国掀起了大规模的桥梁建设高潮。在已建成的桥梁中，带有 纵向加劲肋的钢箱粱结构形式止逐渐为工程l l i l f l 所青睐，目前正越来越广泛地运用到大跨径的悬索桥 和斜拉桥以及各种中小跨径的桥梁形式上。与此同时，铺筑在其上作为桥面铺装的沥青混合料由于直 接关系剑行车的舒适性利桥梁的使用安全性而日益受到- 稗界的重视。然而钢桥面铺装这一课题不仅 在国内甚至在国际上一直都尚未得到很好的解决；近年来在工程实践中，有关钢桥面铺装的各种新情 况新问题层出不穷，这些在实际中涌现的新问题有的目前在理论上还需要进一步完善。本文就针对近 年来国内钢桥面铺装的设计和施工中遇剑的两种特殊情况试作些具体的分析研究，试图在理论上给出 合理的解释。 针对近期系杆拱桥施工中出现的“先铺装、后调拱”的特殊施工工艺，为了探究系杆拱桥调拱对 桥面铺装层的影响，本文运用层次分析法，先从整桥入手，得出在吊杆张拉和车轮荷载作用下拱桥的 受力最不利柒段，以此作为局部钢箱梁段力学分析的研究对象。其次，本文在实测的最大的桥面节点 竖向相对位移的基础上得剑局部模型上其它节点的竖向相对位移，将这些竖向相对位移值加到相应的 节点上作为局部模型分析的边界条件，计算得到作为局部模型一部分的上e 交异性钢桥面板模犁( 含铺 装层) 的各边界位移条件。最后从局部模型里提取正交异性板模型，将局部梁段分析中计算得到的边 界位移作为边界条件加到新建的细化后的正交异性板模型上，分别对追从钢板变形的铺装层和叠加了 车轮荷载的铺装层进行受力分析。通过计算，本文还得出了引起铺装层使_ j 寿命有显著降低的临界最 大节点竖向相对位移值，以供实际参考。 其次，针对一种特殊的铺装结构，为了探究在焊有钢筋的钢桥面板上铺筑的沥青混合料铺装层的 力学性能以及它抵抗较大横坡带米的不良影响的能力，本章首先研究了这种带钢筋的铺装层在车轮荷 载作用下的廊力应变分布规律，并将它与普通的钢桥面铺装进行了比较。其次确定了这种铺装结构的 儿种不利荷仿，并模拟现实中钢扳与铺装层混合料的接触情况作了初步的接触分析。最后讨论了各力 学控制指标随钢筋和铺装层各参数的改变而变化的情况。 【关键词】桥面铺装整桥正交异性板力学分析 东南人学坝士学位论义 a b s t r a c t w i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h et r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r yo fo u rc o u n t r y , al a r g ec a m p a i g no fb u i l d i n g b r i d g e sh a sb e e nl a u n c h e dd u r i n gr e c e n ty e a r s a m o n gt h ef i n i s h e db r i d g e su n t i ln o w , t h es t r u c t u r a lf o r mo f b o xg i r d e rw i t hl o n g i t u d i n a ls t i f f e n e r si sn o to n l ym o r ea n dm o r ea d o p t e di nt h el o n gs p a ns u s p e n s i o nb r i d g e s a n ds t a b l eb r i d g e s 。b u ti sa l s oa p p l i e di nt h es h o r t - m i d d l es p a nb d d g e s a tt h es a m et i m e ，m u c hi n o r e i m p o r t a n c ei sa t t a c h e dt ot h ed e c kp a v e m e n tm a d eo fa s p h a l tm i x t u r ew h i c hi sr a t h e rr e l a t e dw i t ht h ec o m f o r t o fd r i v i n ga n dt h es a f e t yo fb r i d g e s h o w e v e rt h i sp r o b l e mo fs t e e ld e c kp a v i n gs t i l lh a sn o tb e e ns o l v e d s a t i s f a c t o r i l y a d d i t i o n a l l y , m a n ym o r en e wc i r c u m s t a n c e sa r i s ef r o mt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e sw h i c ha ”n o t p r o v e db yt h e o r i e su n t i ln o w 1 1 l i sa r t i c l ed e a l tw i t ht h et w oe x c g ：p t i a n a lc i r c u m s t a n c e si nt h ed e s i g n i n ga n d b u i l d i n go fd e c kp a v e m e n t ，t r y i n gt og i v es a t i s f i e di n t e r p r e t a t i o n i no r d e rt of i n do u tt h e e f f e c tb r o u g h tb vt h et e n s i o no fc a b l e s t h i sp a r to ft h ea r t i c l eu s e dt h e h i e r a r c h i c a la n a l y t i c a lm e t h o dt of i r s ts t a r tw i t ht h em e c h a n i c a la n a l y s i so ft h ew h o l eb r i d g e ，t r y i n gt of i n d o u tt h em o s td a n g e r o u sp a r tu n d e rt h et e n s i o no fc a b l e sa n dt h el o a do fv e h i c l e s e c o n d l y , t h o s eo t h e rn o d e s v e r t i c a lc o m p a r a t i v ed i s p l a c e m e n t sw e r ee d u c e df r o mt h em a x i m a ln o d a lv e r t i c a lc o m p a r a t i v ed i s p l a c e m e n t w h i c hw a sm e a s u r e db e f o r e , t h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n t sw e r ee x e r t e dt ot h en o d e so nt h em o s td a n g e r o u sp a r t a sb o u n d a r yc o n d i t i o n s t h u st h en o d a ld i s p l a c e m e n t so ns e v e r a lc e r t a i nl i n e sw h i c hw o u l db e1 0 0 k e da s b o u n d a r i e so ft h eo r t b o t r o p i cd e c kw e r ec a l c u l a t e d i nt h el a s ts t e p ，t h eo r t h o t r o p i cd e c km o d e lw a sp i c k e du p f r o mt h ed a n g e r o u sp a r to ft h eg i r d e rm o d e l 。a n dt h ec a l c u l a t e dd i s p l a c e m e n t sw e r ee x e r t e dt ot h en o d e so f f t h en e wa n dm o r ea c c u r a t e0 1 t h o t r o p i cd e c km o d e l t h a st h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e so ft h ep a v e m e n tu n d e r t h ed e f o r m a t i o no ft h ed e c ko ru n d e rt h ew h e e l1 0 a d sc o u l db es t u d i e d a d d i t i o n a l l y , t h ec r i t i c a lc o m p a r a t i v e v e r t i c a ld i s p l a c e m e n tw a ss u g g e s t e dw h i c hw o u l do b v i o u s l yr e d u c et h ef a t i g u el i f eo ft h em a t e r i a l ，t og i v e r e f e r e n c et ot h ee n g i n e e r i n gc i r c l e i nt h en e x tp l a c e t of i n do u tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep a v e m e n to nt h es t e e ld e c kw i t ht h es t e e lb a r sa b o v e a sw e l la st h ec a p a b i l i t yo ft h i sp a v e m e n tt or e s i s tt h ea d v e r s ee f f e c ta r o u s e db yt h ec r o o k e ds l o p e t h e s e c o n dp a r tm e dt os t u d yt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e so ft h es p e c i a lp a v e m e n ts t r u c t u r e 1 1 1 i sc h a p t e rf i r s t s t u d l e dt h e1 a w so ft h es t r e s sa n ds t r a i n sa tt h es u r f a c eo ft h i ss p e c i a lp a v i n gs t r u c t u r e ，t h e nt h er e s u l t sw e r e c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so fc o m m o np a v i n gs t r u c t u r e s e c o n d l yt h ec h a p t e rt r i e dt of i n do u tt h em o s t d a n g e r o u sl o c a t i o n so nt h ep a v e m e n to fw h e c ll o a dw h i c hw o u l dh a v et h em o s tn e g a t i v ee f f e c to nt h e p a v e m e n t i ta l s od i dc o n t a c ta n a l y s i sb e t w e e nt h ep a v e m e n ta n dd e c k a tl a s t t h i sc h a p t e rd i s c u s s e dt h e r e l a t i o n sb e t w e e nt h em e c h a n i c a li n d e x e so ft h ep a v e m e n ta n dt h ep a r a m e t e r so ft h es t r u c t u r e k e yw o r d s d e c kp a v e m e n t w h o l eb r i d g e o r t h o t r o p i cd e c k m e c h a n i c a la n a l y s i s j i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：望垫 日期：4 丛：鳘鱼 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：遨导师签名：搋 勾- 一 日期：丛坚：! 第一章绪论 1 1 问题的提出与工程背景 第一章绪论 随着我国公路建设事业的快速发展，我国的高速公路发展迅速，国家干线公路网正在形成之中，我 国掀起了以“五纵七横”国道主干线规划为目标的高速公路建设高潮，至2 0 0 4 年底，我国高速公路里 程已达3 3 万公里，超过加拿大，列世界第二位。与此同时，一批大跨径跨江跨海公路桥梁相继开工， 并陆续建成通车，一时间“犬堑变通途”。 在我国建设的诸多大跨径桥梁中，由于钢箱梁具有高强、自重轻、耐震、便于工业化制造和标准化 施t 以及在结构上具有独到的优点，已成为优先选用的形式之一。大跨行钢桥一般包括斜拉桥和悬索桥 两种桥型，这种大跨径桥桀的主梁通常采用强度非常大的钢材，在早期以钢桁架为主。1 9 6 6 年英国塞文 桥的加劲梁首先采用流线犁扁平式钢箱梁。实践证明，相对于以前的钢桁粱来说，采片i 正交异性钢面板 的钢箱梁结构增大了桥梁的抗风性能和抗扭刚度，且用钢量少、维护方便，对于减轻白重、增大跨径以 及增强稳定性的作用更加显著。因此，扁平式钢箱粱结构目前已经成为大跨径斜拉桥和悬索桥主梁的首 选结构形式。我国己建成或正在建设的l o 余座大跨径桥粱的主梁普遍采用了钢箱粱结构。 扁平式钢箱粱主要由坝板、底板、腹板和加劲构件构成。兼作桥面之用的j 负板内侧通常焊接纵向加 劲肋、横隔板、纵隔板等构成止交异性桥面板。正交异性桥面板具有构件质量轻、运输与铺设方便、施 工周期短、造价低、结构性能优良等优点，它与沥青混合料铺装层组成完整的桥面体系。 图1 1 钢箱粱截面图 表1 - 1 国内外著名大桥结构与铺装一览”1 桥名国家建成年份 主跨( m )主跨加劲粱 多多罗桥日本1 9 9 98 9 0钢箱粱 诺曼底桥 法国1 9 9 58 5 6钢箱梁 南京k 江第二人桥南汉桥中国 2 0 0 16 2 8 钢箱桀 武汉白沙洲长江大桥中国 2 0 0 06 1 8 钢箱梁 名港中央大桥日本1 9 9 75 9 0钢箱梁 浙江舟山桃天门大桥 中国2 0 0 35 8 0 钢箱粱 广东汕头磐l i 大桥中国 1 9 9 85 1 8 钢箱梁 武汉军山长江人桥中国 2 0 0 14 6 0 钢箱梁 苏通长江公路人桥中国2 0 0 8 1 0 8 8 钢箱粱 南京长江第三大桥 中国2 0 0 56 4 8钢箱桀 安徽安庆k 江大桥中国 2 0 0 55 1 0 钢箱梁 润扬k 江公路人桥北汉桥中国 2 0 0 54 0 6 钢箱桀 明舶海峡大桥日本1 9 9 8 1 9 9 1 钢桁架梁 东南大学坝士学位论史 大海带桥丹麦1 9 9 81 6 2 4钢箱梁 亨伯大桥英国1 9 8 l1 4 l o 钢箱梁 江阴长江公路大桥 中国 1 9 9 91 3 8 5 钢箱梁 香港青马大桥中国 1 9 9 71 3 7 7 双层钢箱梁 韦拉扎诺大桥美国1 9 6 41 2 9 8钢桁架梁 i i t 金山金门大桥美国1 9 6 71 2 8 0钢桁架粱 滨海高大桥瑞典1 9 9 71 2 1 0 钢箱梁 麦基纳克大桥美国 1 9 5 7l 】5 8 钢桁架梁 南备赞人桥日本 1 9 8 81 1 0 0 钢桁架粱 博斯普鲁斯i i 桥土耳其1 9 8 81 0 9 0钢箱粱 博斯酱鲁斯i 桥土耳其1 9 7 31 0 7 4钢箱粱 乔治华盛顿桥 美国 1 9 3 11 0 6 7 钢桁架粱 来岛二桥日本 1 9 9 91 0 2 0 钢箱粱 来岛三桥日本 1 9 9 91 0 3 0 钢箱梁 4 月2 5 日桥葡萄牙1 9 6 61 0 1 3钢桁架梁 祸斯公路大桥英国1 9 6 41 0 0 6钢桁架梁 湖北官昌长江人桥中国2 0 0 l9 6 0 钢箱粱 湖北两陵长江大桥 中国1 9 9 69 0 0 钢箱梁 广东虎f j 大桥中国 1 9 9 7 8 8 8钢箱梁 厦门海沧人桥中国1 9 9 96 4 8钢箱粱 重庆鹅公岩长江人桥中国2 0 0 06 0 0 钢箱梁 润扬长江公路大桥南汉桥中国2 0 0 51 4 9 0钢箱梁 随着这些钢箱粱桥的建设与投入使用，钢桥面铺装体系在使用年限内发生破坏的事例也屡见不鲜， 钢桥面铺装层在服务期限内都出现了裂缝和波浪推移，以及局部拥包( 渤青包、高温气包) ，车辙等一 种或多种破坏，钢桥桥面铺装技术已经成为大跨行钢桥建设中亟待解决的一项关键技术“。3 1 。 对此，国内外大批的专家学者进行了广泛深入的研究，无论是从理论研究上还是材料研究上都取得 了丰硕的成果。大宗材料上已选定浇注式沥青混凝土、环氧渤青混凝土和沥青玛蹄脂碎石( s m a ) 为钢 桥面铺装的三大材料，确定了每种材料的级配设计方法和混合料配合比，并对每种材料的路面使用性能 如高温抗车辙性能、低温抗裂性能、抗疲劳性能以及水稳定性进行了深入的研究。此外，对钢桥面铺装 受力变形特性的研究也是一个重要的方面，是合理化设计的基础，具有不可忽视的指导意义和应用价值 t 4 1 据现有资料来看，目前的力学分析研究是截取具有代表性的局部钢箱粱段加上适当的约束分析铺装 层在车轮荷载作用下的受力状况。由于车轮荷载效应集中在车轮与铺装层接触面积的附近的 9 0 0 r a m 一1 2 0 0 m m 范同内，在周同随着与荷载中心距离的增大衰减得很快，因此可以近似地选取部分钢 箱梁段作为研究对象，从而使计算结果误差相对较小。但另一方面，这种分析思路很难考虑剑箍桥结构 特性上的变化对桥面铺装的影响，例如斜拉桥与悬索桥与系杆拱桥的沥青铺装层的受力情况就不完全一 致：钢桁架粱、钢箱梁这两种不同的主粱结构下的沥青铺装层受力情况也不会完全一致。尤其是当桥面 系结构发生改变时，由于铺装层直接附着在钢板上，因此对其影响就不可忽略。本文即将研究的第一个 问题就属于这一类。 大沽桥位于和平、河北两区交界的海河上，连接河北区的博爱道、五经路、海河东路和和平区的大 沽北路，处在规划中的都市消费娱乐区，地理位置十分重要。该桥全长1 5 4 m ，主跨为跨越海河的1 0 6 m 下承式系杆拱桥，边跨均为2 4 m 。桥宽4 0 m ，行车道宽2 4 m ，为双向六车道。大桥由一大一小两个钢箱拱 肋悬吊着扁犁的钢箱梁构成结构主体。拱肋采用钢管混凝十拱肋，工厂分段预制，吊杆为高强镀锌平行 钢丝束，用预虑力钢绞线作为系杆。桥面板采用带u 型肋和l 型肋的正交异性钢桥面板，上面铺筑5 c m 2 第一章结论 厚环氧沥青混凝土9 j 。 在全体建设者们的共同努力下，大沽桥在2 0 0 4 年1 0 月份比原计划提前建成通车。但在施工过程中， 出现了施t 进度的不合理安排，致使环氧沥青混凝十铺装层在吊杆张拉之前过早地铺设完毕。为了使得 桥面的实际线形符合设计要求，要对拱桥的吊杆进行张拉，使桥面各控制点产生预设好的位移，从而使 整个桥面的纵向线形达到设计标准。由于沥青混合料铺装已经铺设完毕，附着在钢板上的铺装层也要与 钢箱粱结构一起参与受力，这就必然要在铺装层中引起一部分附加应力。这部分附加应力无疑对铺装层 是不利的，因此从力学的角度对这一不利因素作出科学的估计对指导工程实践具有十分重要的意义。本 文将结合天津大沽桥这一具体工程，对这一问题进行深入的探讨。 近年来，随着钢箱梁结构形式的推广，钢箱粱和钢桥面板结构的设计也呈现多样化的趋势，各种钢 箱梁不可能干篇一律，一些新的有别于传统的钢箱梁结构正在被广泛的使用。因此同样是铺装层的破坏， 由于下面的正交异性板与普通的正交异性板有所差别，铺装层的受力就有所区别，为了把握它的力学特 性，就有必要对此进行一番研究。 本文的另一个工程背景是江苏省沿江高速公路峭歧枢纽段的匝道桥桥面铺装的设计与施工。该桥的 桥面板按止交异性板设计，板厚1 4 m m ，】负板和底板的纵向加劲肋采用t 型开口肋，两侧悬臂部分以及腹 板水平加劲肋采用板式加劲肋。箱内纵向每2 m 左右设一道普通横隔板，中间开设入孔，支点处设支点 横隔板，支点横隔板采用罄板并在支点处设竖向支承加劲肋。每两道横隔板之间1 m 左右设腹板竖向加 劫肋，横隔板及横肋均按平面曲线径向布置。为改善箱内防腐条件，钢箱粱两端支点横隔板均为全封闭 构造，另外桀端均采用薄钢板封闭。匝道桥钢箱梁部分桥面铺装采用f 层4 c m 和上层3 e m 的双层环氧 沥青混凝土结构，铺装于2 0 0 4 年5 月完成，同年8 月开放交通。由于断面流罩大，特别是从锡澄枢纽 至上海段平均断面日交通量达2 6 0 0 0 辆左右，货车中载车辆较多，平均超载率接近5 0 ，对路面破坏作 用很大，在开放交通不到一年的时间内就出现了推挤滑移病害”。 值得一提的是该桥在施工过稃中，考虑到该匝道桥在拐弯处存在较大的纵向弯曲坡度和横向超高， 为了增加铺装层底的抗滑性能，设计方对原来的部分设计方案进行了变更，在原先的钢箱梁项板上等间 距地沿横向和纵向焊上一对螺纹钢筋，钢筋甲斜向4 5 度对称布置”一”。这种钢桥面板的设计在实际的t 程实践中还不多见，尤其是针对这种钢桥面板上的铺装层所做的专门的力学分析还没有，所以当这种特 殊的钢桥面铺装出现破坏时，对它的破坏机理还缺乏清酮的认识。本文就结合这一具体工程深入研究这 种特殊的钢桥面铺装的力学行为，从而为以后的钢箱梁的设计、施丁和维修提供参考。 1 2 国内外研究概况 国外对钢桥面铺装的研究要早于国内，在理论上尤其是力学分析上取得了一定的成果。1 9 5 7 年 p e l i k a n 与e s s l i n g e r 共同提出p e l i k a n - - e s s l i n g e r 方法”j ，简称p e 法，该法把钢桥面铺装体系分为三个 子系统，通过分部计算然后将结果叠加并修工e ，得到柔性支承上正交异性板面板的静力解。然后义对正 交异性钢桥面板进行一系列简化，给出了不计偏心的正交异性加劲板的位移方程。s h e i k h 和 m u k h o p a d h y a y l 9 ) 用有限条方法对加劲粱的几何非线性进行了分析，成功的将1 f 线性板理论应用于正交异 性加劲板的计算。s h a n m u g a m t l 0 1 利_ j 能量方法研究了各向异性桥面板单向面内荷载作用下的应力应变和 位移。小西一郎”将止交异性钢桥面板看成是支承在刚度无穷大的主梁上的按等间距排列的弹性横肋上 的正交异性迓续板，得出了荷载作用下正交异性加劲板位移的理论解。w o l f g a n 9 1 1 2 发现在重交通荷载作 用下，止交异性钢桥面板的挠度会增加，从而在加勘肋和主粱上方的铺装层表面形成高应力区域，极易 出现纵向裂缝。为了减少这些应力，控制开裂破坏，建议在钢桥面铺装层设计中控制梯形加劲肋的挠跨 比( 挠度与跨度之比) 。 但是桥面铺装体系是一个复杂结构并有其自身特点，传统的解析法处理这样的结构是非常困难的， 随着计算机技术的迅猛发展和有限元技术的逐步成熟，以及各种通用有限元软件功能的日葫强大，广大 研究人员越来越倾向于运用有限元法对大跨行钢桥面铺装进行分析计算。日本学者通过有限单元法采用 3 东南人学颀士学位论文 8 节点空间等参单元分析了带加劲肋的桥面顶板，得出了车辆荷载作用下桥面铺装表面出现最大横向拉 应力位置，并且从控制铺装层破坏的角度提出了加劲肋间距、横梁间距、钢板厚度等参数的推荐值。欧 美的学者也曾对桥面板进行了有限元分析，g u n t h e r 等l l ”从钢桥面板厚度、主梁附近补强加劲肋、沥青 铺装层的材料特性及铺装层强度等方面探讨了影响铺装层耐久性的因素。 随着国内大跨行钢桥的大规模建设，钢桥面铺装作为一个新兴的研究课题逐渐也成为国内工稃领域 内研究的热点，具有各自的研究特色。东南大学的李昶和顾兴宇 1 4 q s 分别用有限元法和有限条法分析了 大跨径斜拉桥和悬索桥铺装层的受力情况，他们将铺装层简化成为顶板的一部分，应用板壳单元对一整 段钢箱梁进行了静、动力分析，得出了支撑条件、箱梁尺寸、u 肋尺寸等构造因素对铺装受力的影响， 以及桥面铺装结构在行车荷载作用下的动响应。 东南大学桥面铺装课题组1 1 6 - 2 0 l 采用块体单元分析了简化支撑的正交异性桥面板铺装结构，研究了不 同的荷载位置下，对应不同沥青混凝士模晕值的正交异性钢桥面铺装层的应力应变特性以及钢板的粘结 性能，确定了最不利加载位置和铺装层材料的各项力学指标对铺装层受力的影响。为了研究铺装层沥青 混合料的粘弹塑性，课题组的研究人员应用p e r z y n a 理论，对沥青混合料铺装层行车荷载响应特性进行 数值模拟，给出铺装层在行车荷载作用下的永久变形，对铺装层的局部拥包及车辙等现象进行评价。 长沙交通学院的肖秋明”对沥青混凝土钢桥面铺装的剪应力进行了分析，根据刚性支撑的弹性层理 论，分析了钢桥面沥青混凝土铺装层与钢箱粱在汽车正常行驶与紧急制动情况下的剪应力，并在分析结 果的基础上，提出粘结层的抗剪指标。 王辉0 1 等人针对典犁的钢桥桥面铺装体系，采用s a p 有限元软件，分析了在车载作用下铺装层内 的拉应力的变化规律。分析表明，铺装层内的最大横向拉应力远远大于最大纵向拉应力，最大横向拉应 力通常出现在梯形加劲肋肋琐的铺装层表面，并且铺装层的模量也对拉应力影响很人。 同济大学的童乐为”，运用有限元分析软件对正交异性钢桥面板模型进行分析计算，并通过静力实 验，让明有限元结果的准确性。徐军、陈忠延 2 4 1 在具有相同截面面积的开口纵肋和闭e l 纵肋钢桥面板静 力试验的基础上，提出简化的计算模型，并采用有限元法对正交异性钢桥面板弹性阶段的应力特性进行 了分析，研究了构造布置对铺装应变的影响。通过对开口加劬肋正交异性钢桥面板和臼】口加劲肋止交异 性钢桥面板进行比较分析，发现在横截面面积和总h j 钢量相同的情况下闭口纵肋钢桥面板的受力性能明 显优于开口纵肋钢桥面扳。 重庆公路科研所的科研人员1 2 5 - 2 8 1 在承担的湖北宜昌大桥、重庆鹅公岩大桥和虎门大桥的钢桥面铺装 技术研究中，进行了室内环道模犁试验和环道模型的三维有限元模拟，分析在汽车轮载作用下钢桥面板 各个结构部位的应力、应变分布状况，为桥面铺装层结构设计和研究提供了一些理论依据。为了研究高 温状态钢桥面铺装的车辙，他们将沥青混凝土看作粘弹性体进行分析，选择既能反映沥青混合料瞬时弹 性变形，又能反映粘弹性变形过稃的v a n d e r p o e 模型和b u r g e r s 模型并针对沥青混合料粘性流动变形 增量随加载时间逐渐减小井渐趋稳定的特点对b u r g e r s 模型进行了改进。 解放军理上大学的帅长斌1 2 9 1 针对桥面铺装结构的使用特点，以桥面使用功能来判断结构的极限状 态，利朋模糊可靠性原理，计算桥面铺装结构使用期内各时刻的可靠度，建立动态可靠性模型，对桥面 铺装结构可靠性进行评估。 以上研究反映了我国t 程技术人员长期以来对钢桥面铺装这一难题研究探讨的成果，代表了国内工 程界的最高水平。但仍然存在一些不足之处有待于以后进一步完善。 1 3 研究的主要内容和关键技术路线 本文将结合上述两个具体的工程实例对下面两大问题进行深入探讨，一是在铺装层施工完毕后进行 吊杆张拉对铺装层造成的影响，二是对带有防滑螺纹钢筋的钢桥面板上的铺装层的受力分析。在分析第 一个问题时，文章首先建立了天津犬沽桥整桥模型，目的是得出桥面板在吊杆张拉变形下的受力晟不利 梁段，然后建立局部的钢箱粱段模型，将前面的仿移作为边界条件施加到局部模型上，最后从局部模犁 4 第一章绪论 中截取细化的正交异性板模型进行力学分析，重点弄清楚附加应力在铺装层中的分布特点和叠加车辆荷 载后受力规律。当研究第二个问题时，第一步仍是建立带有防滑螺纹钢筋的正交异性钢桥面板模型，第 二步进行应力应变分析，随之找出荷载作用下的拉应力、剪应力的不利荷位，为了模拟实际中钢板与铺 装层层间滑动的情形，还需进行专门的接触分析；最后分析诸如钢筋所成角度，钢筋粗细、桥面横向坡 度等参数的改变对铺装层受力的影响。综上，本论文制定了如下技术路线： 1 、收集天津大沽桥的有关工程资料并对施工过程进行实地调查，利用各种有效的信息手段查阅关 于钢桥面铺装和系杆拱桥的相关文献。 2 、建立大沽桥的整桥有限元模型，寻求桥面系上受力最不利的梁段，截取出来作为后面的研究对 象。 3 、进行正交异性钢桥面板的局部模型研究。根据前面的罄桥分析结果，将钢桥面板的位移变形加 到最不利梁段的有限元局部模型上，为后面截取l e 交异性板模型做准备。 4 、借助子模犁技术从局部模犁中截取更加精确的正交异性板模型，计算由调拱而产生的附加应力 以及叠加车轮荷载后的叠加应力。 5 、变换最大节点竖向相对位移值，得出对铺装层寿命有显著影响的最大竖向相对位移的临界值， 以供实际参考。 6 、在对沿江高速公路峭歧枢纽匝道桥桥面铺装情况进行调查分析的基础上，建立焊接防滑螺纹钢 筋的正交异性钢桥面板局部模酗，分析铺装层的受力情况。 第一章调拱对系+ f 拱桥桥血铺装影响分析 2 1 概述 第二章调拱对系杆拱桥桥面铺装影响分析 天津大沽桥位于天津市中心的海河上，全长1 5 4 m ，主跨为1 0 6 m 下承式系杆拱。拱肋采用工厂分段 预制，吊杆采用高强镀锌平行钢丝束，桥面采用带有u 型和l 型肋的正交异性钢桥面板，桥面铺装采 用5 c m 厚的环氧沥青混凝土。 在大沽桥的施丁过稃中，考虑到环氧沥青混合料铺装层铺筑完毕后还要养护一个多月的时间，因此 为了提前竣工，对施一1 ：进度安排进行了调整，将环氧沥青混凝土在钢箱桀拼装完毕之后、吊杆张拉之前 就先铺筑完毕。虽然钢箱粱桥面板在组装时己设置一定的预拱度，但桥面的竖曲线仍然达不到设计要求。 在后续的施工中，还要再对吊杆进行张拉使桥面线形符合设计的线形，这样在铺筑了环氧沥青混合料的 桥面系和完成吊杆最终张拉后竣工时的桥面系的高稃之间就存在一个相对的位移改变值，这个位移值就 是通过后续的吊杆张拉来消除的。 吊杆张拉一方面能消除施上阶段桥面各点竖曲线和最终成桥阶段桥面各点竖曲线之间的筹异。但另 一方面，由于产生了桥面各点之间相对的付移，吊杆的张拉势必会引起桥面系受力的变化，在桥面板和 附着其上的铺装层中导致产生附加应力，这部分附加应力对铺装层的受力有着重要的影响。于是从力学 的角度无论是探究纯粹这部分附加戍力在铺装层中的分布规律，还是与车轮荷载叠加后的叠加应力在铺 装层中的分布规律都无疑只有重要的现实意义。本章就借助于通用有限元软件，采用“层次分析法州”川， 对这一问题进行深入探讨。 2 。2 整桥受力分析 2 2 1 系杆拱桥整桥计算模型的建立 2 2 1 1 有限元法介绍 目前在工稃领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限著分法，就其 广泛性而言，主要还是有限元法。有限元分析( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) ，简称f e a ，起源于二十世纪 5 0 年代航空工程中的结构矩阵分析，这种分析方法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个且 按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可 以有不同形状，因此可以求解几何形状复杂的求解域。有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点 是利用在每一个单元内假设的近似函数，来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函 数通常由来知场函数或及其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数米表达。这样一来，一个问题的 有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量( 也即自由度) ，从而使 一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题”“。 有限单元法目前已广泛应用于刚性路面与柔性路面的应力分析和设计计算。在结构特性上，桥面铺 装有其自身特点，它r 面的钢桥面结构远比一般的路面结构复杂。渤青混凝士铺装层铺筑在正交异性钢 桥面扳上，与上e 交异性板共同承受外载作埘，因此在分析铺装层的受力变形时，需将铺装层与正交异性 板结构作为一个整体来考虑。铺装层由于钢板加劲肋的作用，使其在加劲肋侧肋_ | 负部附近产生明显的应 6 东南大学坝士学位论文 力集中现象，难以通过弹性薄板理论进行求解，因此最有效的分析工具是有限元分析方法。根据有限元 理论，可以模拟现实中的钢桥及铺装层在不同条件下的受力状况，计算出模璋! 任意部位的位移和应力应 变值，从而找出铺装体系受力后各主要力学指标的变化规律，为铺装层的材料选择、结构设计提供可靠 的依据。 l 、有限单元法进行静力分析的基本理论 对于连续几何体的三维有限元静力分析，其基本过程如下9 ”w ： ( 1 ) 、对连续几何体的离散( 即划分网格) ： q = q 。 ( 2 1 ) 其中q 。表示单元 ( 2 ) 、单元特性分析： 分析单元的特性，以形成单元刚度矩阵和节点荷载矩阵，具体包括： a ) 节点自由度( 位移) 矩阵：4 。 b ) 选择位移模式 c ) 由节点条件确定位移模式中的待定系数，推导出形函数矩阵： “。= n 弘z ) q 。 ( 2 2 ) 其中表不彤函数矩阵 d ) 单元府变场的表达( 由几何方程得到) ： = p k 。= l a i n q b 。q 。 其中【a 表示几何方程算子，b 。表示几何矩阵 e ) 单元应力场的表达( 由物理方程得到) ： o = d c e = d e b e q = s e q t 其中d 。表示弹性系数矩阵，s 。表示应力矩阵 f ) 单元势能的表达 n 。= 吾l 盯拉- ，石7 “。拉+ l ，芦“。拉 = y 确乞p ， k r ：f 口，d r b r 拉 m = ，砘+ l ：n ”勰 对单元势能，应用最小势能原理，可得到单元的平衡关系 k 。q 。= p 。 7 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 第一章饷拱对系杆拱桥桥向铺装影响分析 其中置。表示单元刚度矩阵，p 表示单元节点力矩阵，b 表示体积力向量，p 表示面积力向量 ( 3 ) 、离散单元的装配和集成 几何的集成 y 饼= q( 2 9 ) 节点位移的集成 g = 目。 ( 2 】o ) 刚度矩阵的集成 k = y k 。( 2 1 1 ) 节点外荷载的集成 p = y p 。( 2 1 2 ) 形成整体刚度矩阵 k q = p ( 2 1 3 ) ( 4 ) 、处理边界条件并且求解节点位移 ( 5 ) 、求解单元内的府变、应力和支座反力 2 2 1 2 基本假设与单元介绍 在运_ l 有限元软件对实际结构进行实体建模时，为了理论分析的需要，通常引入下面两个假设： ( 1 ) 、所有材料都符合胡克定律，假设力学行为只发生在线弹性范围内，不考虑塑性变形： ( 2 ) 、所有材料都是连续、均匀、各向同性的： 有限单元法的第一步是选用合适的单元将结构离散化。本文的建模对象是系杆拱桥的绍桥模犁，考 虑到模型主要由料系结构组合而成，因此选用空间三维梁单元来模拟拱桥的主要构件：拱肋、横粱、盖 梁和系杆。 本文选用三维弹性梁单元b e a m 4 ，该单元是可以考虑拉伸、压缩、扭转和弯曲能力的线单元。单 元在每个节点具有6 个自由度：3 个沿x 、y 、z 方向平移自由度u x 、u y 、u z 和绕x 、y 、z 方向转 动自由度r o t x 、r o t y 、r o t z 。与自由度u x 、u y 、u z 、r o t x 、r o t y 和r o t z 相对应的结点力 分别为节点力u x 、v y 、w z 以及弯距m x 、m y 和m z 。局部坐标系卜j 梁单元如f 图所示”一”1 ： 粱单元的刚度矩阵为 图2 - 1 局部坐标系下梁单元 8 臻。 z ， o o 一 厂：一 彦l 东南人学坝士学位论 = 【k 】= a e | l 0 a z 00 n 。 对称 000g 1 | l 00 一c y 0 b ， 0c 0006 一a e ，工0 o 000a ，l 0一a ，000 一c 0a 00 一a ，0c ，0 00 a ， 000 一g j | loooo og ，| l 00 一c ，0e ，0 00 c ，0b 、 0 c ：0 00 e：0一c ：0 00 b ： ( 2 1 4 ) 式中： a 为梁单元的截面积： e 为弹性模量； l 为单元的长度； g 为剪切模量； j = k + i y ； a i - - 1 2 e i l ，l ( i - - x 或y ) ； b 。- = 4 e l i ，l ( i - x 或y ) ； c , = 6 e 1 1 l 2 ( i = x 或y ) ； e , = 2 i l ( i - - x 或y ) 。 对于吊杆来说，由于吊杆采用的是钢绞线，是单向受拉构件，而且只能承受轴力而不能承受弯矩， 只能承受轴力而不能承受剪力，因此选用三维只受拉杆单元来模拟。在局部坐标系下，只受拉杆单元节 点力如下图所示”一”j ： u z 图2 - 2 局部坐标系下只受拉杆单元的节点力 本文选用的l i n k l 0 有两个节点，其中将k e y o p t ( 3 ) 设为0 ，表示将此杆单元设置成单向受拉 单元，每个节点有三个沿着x 、y 、z 方向的平移自由度，没有弯曲和扭转变形。 单元刚度矩阵为”一3 5 】： 9 第一章调拱对系杆拱桥桥面铺装影响分析 k 】- 华 c0 o o o o co 0 o 00 oc o o o 0 oc 0o o0 oo o 0 0o o 0 o o o o ( 2 1 5 ) 式中： a 为杆单元的截面积； e 为弹性模量； l 为单元的长度： c 为常数( 当拉索受压力时c = 0 ，当拉索受拉力时c = 1 ) 本文还拟选用壳单元s h e l l 6 3 来模拟正交异性钢桥面板和上面的铺装层，对于钢桥面板上的环氧 沥青铺装层，按照等效刚度的原则将铺装层厚度换算成钢板厚度，具体步骤如下： 简化后，沥青混合料铺装层矩形截面梁的抗弯刚度计算公式为 3 6 j 置： 墨! 丝： ( 2 1 6 ) 1 2 ( 1 一l ) 将沥青混合料铺装层和钢桥面板相应的模量、厚度和泊松比分别代入式( 2 1 6 ) ，可以得到它们的抗 弯刚度计算公式分别为 x ：墨! 竺： ( 2 1 7 ) 1 2 ( 1 一“) 为：蔓 。1 2 ( 1 一鸬) ( 2 1 8 ) 联立式( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 和式( 2 1 8 ) 可以得到简化后沥青混合料铺装层矩形截面梁的总高度为 h = 丽= h 3 + n l ( 1 - , t ? ) - 3 式中：置、h 简化后沥青混合料铺装层矩形截面梁的抗弯刚度和总高度； k l 、h 、巨、“沥青混合料铺装层的抗弯刚度、高度、模量和泊松比 3 、坞、e 3 、1 3 铜桥面板的抗弯刚度、高度，模晕和泊松比； ( 2 1 9 ) 儿沥青混合料铺装层的模量比。 经换算得出的等效钢板厚度不足l m m ，在误差允许的范用内完全可以不计入计算，因此铺装层的影 响可以忽略。 本章中所用的壳单元有四个节点i 、j 、k 和l 每个节点六个自由度分别为沿y 轴位移u y 、沿x 轴位移v x 和沿z 轴位移z x 以及绕x 轴的转角r o t x 、绕y 轴的转角r o t y 和绕z 轴的转角r o t z ； 与自由度u y 、v x 、u z 、r o t y 、r o t x 和r o t z 相对应的结点力分别为节点力u y ，v x 、w z 以及弯 矩m y 、m x 和m z 。壳单元的单元刚度矩阵可以见参考文献 3 3 1 1 3 4 1 。 1 0 来南人学坝上学位论义 图2 - 3 局部坐标系下的壳单元 2 2 1 3 系杆拱桥有限元模型的建立 在建立天津大沽桥有限元模型时，考虑到实际模犁的复杂性，同时也为了使结果更具有一般性，对 实际模犁采取了一定的简化措施：原桥采_ h j 向外侧倾斜的大小两拱