（材料学专业论文）空心板桥水泥混凝土铺装合理结构和材料研究.pdf

摘要 空心板主要用应用于小型简支梁桥，其桥面铺装形式多采用水泥混凝土刚性铺装。 但是，由于空心板桥具有特殊的结构特点，使得空心板桥铺装层在实际运营当中损坏十 分严重。因此，合理的铺装结构和铺装材料对于延长铺装层使用寿命和提高运营质量至 关重要。 针对这一问题，本文通过有限元方法对不同跨径空心板桥实体建模，对铺装层进行 了汽车荷载应力分析以及温度耦合应力分析，探讨了不同跨径、不同形式空心板桥水泥 混凝土铺装的应力变化规律；并对影响空心板桥水泥混凝土铺装应力的各种因素进行了 系统的分析，分别讨论了铰缝、模量、层间接触、预应力、铺装层混凝土开裂及钢筋网 对铺装层应力的影响；在此基础上建立了基于灰色系统与铺装层极限抗剪应力的空心板 桥水泥混凝土铺装厚度设计方法；同时结合实际工程对钢纤维水泥混凝土进行了材料性 能研究。最后，介绍了试验工程的铺筑和使用情况。 关键词：空心板桥，水泥混凝土铺装，荷载应力，温度应力，铰缝，有限元方法，结构 设计 a bs t r a c t t h eh o l l o wb o a r dm a i n l yu s e si nt h ec o n c r e t eb e a m b r i d g e ，a n dt h eo v e r l a yo fh o l l o w b o a r db r i d g em a i n l yu s e sc e m e n tc o n c r e t e b e c a u s eo ft h eh o l l o wb o a r db r i d g eh a st h es p e c i a l f e a t u r e ，t h eh o l l o wb o a r db r i d g eo v e r l a yd a m a g ei nt h ee a r l ya g eo ft h ea c t u a lo p e r a t i o n s e r i o u s l y s o ，h o wt od e s i g na p p r o p r i a t eo v e r l ys t r u c t u r ea n dt h em a t e r i a li sv e r yi m p o r t a n t f o ri m p r o v i n go v e r l a y ss e r v i c el i f ea n d q u a l i t y i nv i e wo ft h i sq u e s t i o n ，t h i st h e s i sh a sc a r r i e do nt h ec o m p u t a t i o nt h r o u g ht h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o dt ot h eo v e r l a yo nc e m e n tc o n c r e t eh o l l o wb o a r db r i d g ew i t hd i f f e r e n ts p a n ； a n da n a l y z e dt h el o a d i n gs t r e s sa n dt e m p e r a t u r es t r e s sf o rt h ec e m e n tc o n c r e t e o v e r l a y ； d i s c u s s e dt h ev a r i a t i o nr u l eo ft h es t r e s s e so ft h ec e m e n tc o n c r e t eo v e r l a yo nd i f f e r e n tf o r m h o l l o wb o a r db r i d g e a n d a n a l y z e de a c h k i n do ff a c t o rt h a ti n f l u e n c et h es t r e s so ft h ec e m e n t c o n c r e t eo v e r l a yo nh o l l o wb o a r db r i d g e t h e n ，d i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo ft h eh i n g e j o i n t ，t h e m o d u l e ，t h ei n t e r l a y e rc o n t a c t ，t h ep r e - s t r e s sa n dt h es t e e lf a b r i cs e p a r a t e l y t h i st h e s i sh a s e s t a b l i s h e dac e m e n tc o n c r e t eo v e r l a yt h i c k n e s sd e s i g nm e t h o db a s e do nt h el i m i ts h e a rs t r a i n s i m u l t a n e o u s l yr e s e a r c ht h em a t e r i a lp e r f o r m a n c eo ft h es t e e lf i b e rr e i n f o r c e m e n tc e m e n t c o n c r e t e f i n a l l yi n t r o d u c et h es u r f a c i n ga n dt h es e r v i c ec o n d i t i o no ft h ee x p e r i m e n tr o a d k e yw o r d s ：h o l l o wb o a r db r i d g e ，c e m e n tc o n c r e t eo v e r l a y , l o a ds t r e s s ，t e m p e r a t u r es t r e s s ， h i n g ej o i n t ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s t r u c t u r a ld e s i g n i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：囱歹跨 加。7 年石月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 引瞄名中 徊7 年6 月i i e l 夕_ 矽年彦月1 1 e l 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出及研究意义 第一章绪论 近年来，随着我国公路和城市快速路的迅猛发展，桥梁的总里程也大大增加了，在 各种兼具实用性与美观的桥型中，空心板桥占据了很大的比例。对钢筋混凝土板桥来说， 跨径增大，实心矩形截面就显得不合理，而将截面中部部分挖空，做成空心板，不仅能 减小自重，而且也能够对材料地充分利用。钢筋混凝土空心板桥跨径目前多数为6 - - - 1 3 m ， 预应力混凝土空心板桥跨径一般在1 6 m 以上，最大跨径可以达到3 3 m ，板厚0 4 1 2 m 。 相对于其它桥型，空心板桥具有以下优点： 第一，空心板上部建筑高度低，预制施工简单，易实现标准化和工厂施工，产品质 量可靠，造价低，施工吊装设备易解决等优点。 第二，空心板较实心矩形板，截面中部部分挖空，减轻了自重，充分发挥了材料的 性能，能够实现更大跨径。 第三，可获得桥头接线较低的纵坡，减少桥头引道填土高度，结构简单，设计施工 方便，可以做到定型设计，起吊、运输、安装方便，适用于跨径较小的中小型桥梁，具 有一定的经济性、机动性。 正是由于空心板桥的这些无可比拟的优越性，使得越来越多的小跨径桥梁采用这一 桥梁形式。但是，由于空心板桥具有铰缝传递横向剪力的特点，使得空心板桥铺装层较 其它形式桥梁更易于发生各种破坏。 桥面铺装即行车道铺装，亦称桥面保护层，它是车轮直接作用的部分。桥面铺装的 作用在于防止车辆轮胎或履带直接磨耗行车道板，保护主梁免受雨水侵蚀，并对车辆轮 重的集中荷载起分散作用。因此，桥面铺装要求有一定强度，防止开裂，并保证耐磨。 桥面铺装结构( 自梁体表面而上) 的组成是：水泥混凝土找平层( 装配式桥梁是必需 的) 、防水层( 视桥型环境不同而不同，有的桥可不设防水层) 、桥面铺装面层( 水泥混凝 土或沥青混凝土) 。为研究方便，将桥面铺装分为桥面铺装层与桥面防水层两部分。按 桥面铺装材料类型可将桥面铺装分为三类，即刚性铺装( 以水泥混凝土为主) ，柔性铺装 ( 以沥青混凝土为主) 以及复合式铺装( 上层为沥青混凝土铺装，下层为水泥混凝土铺 装) 。论文研究的空心板桥桥面铺装为水泥混凝土铺装，其造价低廉，耐磨性能好，与 桥面板结合好，材料的力学特性与桥面板接近，变形协调性好，适合重载交通，经构造 第一章绪论 上的处理后能够作为桥面的一部分。 空心板桥从结构受力性能上分析，不是双向受力的整体宽板，而是一系列单向受力 的窄板式梁，板与板之间借铰缝传递剪力而共同受力。对于每块窄板而言，它主要延跨 径方向承受弯曲与扭转，这就造成了空心板桥桥面铺装特殊的破坏特点：桥面水泥混凝 土铺装层的损坏以及空心板间铰缝混凝土的损坏，造成了空心板间横向联结能力降低， 尤其在行车道汽车轮迹线附近的2 块 - - 3 块空心板，几乎没有横向联结能力，空心板处 于单板受力状态。这些病害的发生改变了空心板的工作状态，危及到空心板甚至整个桥 梁的结构安全，严重影响桥梁的正常使用和车辆的行驶状况。 铺装层自身的结构、材料以及铰缝设置是影响空心板桥铺装层使用的关键，鉴于以 上问题，有必要对空心板桥水泥混凝土铺装进行力学分析及材料研究，找到铺装层应力 变化规律及影响因素和更适合空心板桥铺装的混凝土材料，并为以后的空心板桥水泥混 凝土铺装设计提供一定的理论依据。 1 2 国内外研究概况 传统的桥梁设计主要重视桥梁本身的结构受力特性分析，以保证桥梁整体安全，而 铺装层只是作为构造层来考虑，一般不对铺装层进行专门的力学分析。随着大跨径桥梁 的大量修建及重型交通的不断增加，许多桥梁的桥面铺装层在服务期内就出现不同类型 的破坏，为此，国内外相关研究部门投入了大量的人力、物力进行桥面铺装的研究，侧 重于大跨径桥梁和钢桥桥面铺装材料研究，但是缺少结构受力方面的分析，使得桥面铺 装研究缺乏理论依据。 在公路桥涵施工技术规范( j t j 0 4 1 2 0 0 0 ) 中我国首次对桥面采用水泥混凝土铺 装层和复合式铺装层的内容作为条款列入设计规范。不难看出，对铺装层结构的论述主 要是所用材料、做法及厚度等作了原则的规定，而针对每一种不同型式的桥梁结构，如 何设计铺装层未予阐述，尤其对国内小跨径桥梁常用的空心板桥桥面铺装的设计和研究 还是空白，无章可循。 国外经过几十年的实践与探索，结合各自国家和地区的具体情况，在桥面铺装方面 选用的结构类型不尽相同。 印度使用平均7 5 c m 厚的钢筋混凝土( 钢筋网格2 0 0 m m x2 0 0 m m ) 磨耗层，最大水灰比 为0 4 ，磨耗层和路缘石之间的垂直接缝填以沥青，其使用寿命可达4 1 0 年。 日本所采用的桥面铺装结构一般包括防水层和沥青混凝土面层。欧美自2 0 世纪6 0 2 长安火学硕士学位论文 年代已开始大量采用桥面防水层，其中美国联邦公路局1 9 7 2 年规定应对桥面采取防护 措施以防止钢筋腐蚀和桥面破坏。t r l 和o e c d 及n c h r p 等机构从实际应用的角度对桥面 防水进行了系统的研究。许多国家重视防水层的应用，而荷兰则特别注意桥面混凝土面 层的修建及其质量。日本和澳大利亚是有选择地应用防水层。而德国的钢桥面铺装更重 视完善的防水体系，铺装结构组合特别是防水层的结构形式多种多样。 对于水泥混凝土，人们一直在寻求对其改善的途径，以扩大混凝土这种刚性材料的 使用范围，满足象桥面铺装层这种对材料具有特殊要求的结构。人们已用纤维及各类聚 合物对水泥混凝土进行改性，取得了良好的效果。 钢纤维混凝土是在素混凝土基体中掺入乱向、不连续短钢纤维组成的复合材料。自 1 9 1 0 年美国h f p o r t e r 发表以短纤维增强混凝土的研究报告以来，钢纤维混凝土的研 究与应用已取得了一系列成果。美国于7 0 年代修建了不少实验工程，以观察钢纤维混 凝土路面的实际使用情况。并且在许多桥梁行车道的修复工程中成功地采用了钢纤维混 凝土罩面层，现正致力于改进施工工艺，降低造价，提高钢纤维混凝土地使用品质和表 面平整度等方面的研究。 用人工合成聚合物制造聚合物混凝土被确认最早源于1 9 0 9 年( 美国专利 l h b a c k l a n d ) 。聚合物混凝土因其在弯拉强度、变形能力、粘结性能、防水性能、动 载力学性能、耐久性能、耐化学介质侵蚀等方面的卓越表现被广泛应用于房屋建筑、路 面、桥梁、水库大坝、港口码头、水利工程、隧道结构等的混凝土。 目前，我国大中型桥梁桥面铺装多采用沥青混凝土，要求具有与水泥混凝土桥面板 良好的粘结、防渗水、抗滑的性能及较高抵抗振动变形的能力。对不设置防水层的小跨 径桥梁，直接在桥面板上铺筑5 8 c m 的普通水泥混凝土或沥青混凝土( 单层或双层) 。 混凝土强度等级与桥面混凝土相同或提高一级，铺筑时注意保证混凝土密实、充分振捣， 表面保持一定粗糙度。沥青混凝土铺装层可采用单层式或一次铺装( 厚5 8 c m ) ，或双层 式即两次铺装( 下面层4 5 c m ，表面层3 4 c m ) 。为满足桥面防水要求，可在桥面板上 铺筑8 l o c m 的防水混凝土层，其强度等级不低于桥面混凝土。同时，为提高耐久性， 可在其上铺装2 c m 厚沥青表面处治层作为磨耗层。具有防水层的水泥混凝土或沥青混凝 土铺装层适用于防水程度要求高，或桥面板位于结构受拉区而可能出现裂缝的桥梁。施 工时，先在桥面板上铺筑“三油二毡”的防水层，最后再在其上铺筑沥青混凝土或水泥 混凝土铺装层。 在北京8 0 年代以前采用的是水泥混凝土桥面铺装，其作法是：水泥混凝土厚8 c m ， 3 第一章绪论 在板中布置咖1 0 的钢筋网( 其双向间距为1 0 c m ) ，此种面层主要问题是在通车前就会出 现开裂，通车后在温度与车载共同作用下开裂更为严重。因此在8 0 年代中期组织t 4 k 京有关力量进行攻关，经过分析与计算，认为混凝土板应至少加厚至1 4 c m 并且应采用 双层配筋，并提出了配筋量。考虑到如果采用沥青混凝土，可能比水泥混凝土节省投资， 其它方面的技术指标也较好，自此以后北京市的桥面就改为沥青混凝土桥面铺装面层。 近2 0 年来沥青混凝土桥面铺装也出现了一些问题，如开裂、拥包等现象。 我国对纤维混凝土的研究起步较晚，到2 0 世纪7 0 年代后期才开始进行有关纤维混 凝土的研究。钢纤维混凝土铺装层的厚度根据当地的气候条件、桥面的使用条件、桥梁 结构对桥面的要求和钢纤维混凝土的性能并参考已有工程经验来确定，一般为8 - - 9 c m 。 三峡工程对外交通专用公路桥采用钢纤维混凝土铺装层，厚度为1 0 c m ，另配二层直径为 8 m m ，网格为1 5 0 m m x1 5 0 m m 的钢筋网。重庆长江大桥引桥桥面铺装分为两部分：箱梁采 用两层改性沥青混凝土( 各层厚度均为4 c m ) + 钢纤维混凝土6 c m ；t 梁采用一层4 c m 改性 沥青混凝土+ 1l c m 钢纤维混凝土。采用这种较为简单的复合型铺装层，即可保持复合型 铺装层的优良力学性能，又不至于给施工造成太大的困难。钢纤维混凝土作为桥面铺装 层，国内虽进行了一些研究，但从设计理论与方法到施工技术还有许多技术问题需要研 究解决。 我国对人工合成聚合物混凝土复合材料的研究起步较晚，主要始于2 0 世纪7 0 年代， 目前已取得了一些初步成果。在广州市环城高速公路桥面铺装中，第一期路段采用普通 混凝土，桥面铺装产生了塑性龟裂和裂缝；第二期采用钢纤维混凝土，龟裂减轻，但钢 纤维锈蚀严重，并且对汽车轮胎造成严重的磨损；第三期采用了聚丙烯纤维混凝土，使 用情况良好。 据不完全统计，国外以沥青混凝土作为铺装面层较多，国内也大致如此。对水泥混 凝土铺装的研究很少，且多致力于材料方面，试图提高材料的性能或寻找更优良的材料。 也有一些侧重分析结构内部的受力情况的，但都是以沥青混凝土桥面铺装为研究对象， 给出沥青铺装层厚度的计算方法等。而且，几乎没有较常用的小跨径桥梁的研究，成果 也较为空泛，缺乏针对性，不能很好地指导某一种类型桥梁桥面铺装的设计和施工。 本课题针对空心板桥的结构性能特点，试图根据其破坏特点，找到影响空心板桥水 泥混凝土铺装层耐久性的因素，研究水泥混凝土桥面铺装的计算方法和设计指标、合理 材料的选用、钢筋网的布设、施工关键技术等问题，以期形成空心板桥水泥混凝土铺装 设计等成套技术，为规范的完善以及技术的推广积累经验。 4 长安大学硕士学位论文 1 3 研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 本文特别针对空心板桥水泥混凝土铺装工程特点并结合平顶山实际情况，深入开展 空心板桥水泥混凝土铺装力学计算及材料性能研究，主要研究内容如下： 1 有限元计算空心板桥水泥混凝土铺装层应力 1 ) 不同跨径空心板桥铺装荷载应力计算 2 ) 不同桥型空心板桥铺装荷载应力计算 2 温度与荷载耦合应力计算 1 ) 均匀温度作用下铺装应力分析 2 ) 温度梯度作用下铺装应力分析 3 ) 干缩对铺装应力影响分析 3 空心板桥水泥混凝土桥面铺装影响因素研究 4 室内试验研究钢纤维混凝土铺装材料力学性能以及路用性能 5 空心板桥水泥混凝土铺装合理结构研究 本文主要研究方法为，以桥梁结构设计理论和路面设计原理为基础，将桥梁梁体、 铺装、铰缝等视为一个相互作用的统一整体，采用有限元计算方法分析铺装层在各种荷 载作用下以及不同因素影响情况下的应力情况，结合室内试验测试，提出空心板桥水泥 混凝土铺装的设计方法。 1 3 2 技术路线 1 、空心板桥水泥混凝土铺装调查分析结合力学计算分析 认真研究和分析国内外有关桥面铺装的研究资料和相关成果，再对空心板桥水泥混 凝土铺装广泛存在的病害进行调查和分类的基础上，结合对有限元分析软件a n s y s 的使 用，模拟空心板桥桥面铺装真实情况，分析各类空心板桥应力状况，以及与各种桥型相 比较的优缺点。 2 、力学计算结合室内试验 通过室内试验得到力学计算所需的计算参数，在此基础上再对空心板桥桥面铺装进 行有限元分析，通过计算得到空心板桥梁体及铺装层最不利应力位置以及最大应力值， 结合铺装层材料力学及路用性能，推荐合理空心板桥铺装层材料和结构。 3 、力学计算以及室内试验与试验工程相结合 5 第一章绪论 在力学计算及室内试验研究的基础上铺筑试验工程，研究桥面水泥混凝土桥面铺装 的关键施工工艺。 研究技术路线如图1 1 所示。 图1 1 技术路线图 6 长安大学硕士学位论文 第二章空心板桥水泥混凝土铺装荷载应力分析 桥面铺装层的主要作用是承受行车荷载的直接作用，并将集中作用分散后施加在梁 体上。在车辆荷载和自重的综合作用下，桥面铺装以及梁体的应力情况十分复杂。因此， 有必要对空心板桥水泥混凝土铺装层进行荷载应力分析。计算中采用桥梁设计使用的荷 载施加方法，利用有限元软件a n s y s 对直桥、斜交桥、曲线桥和设纵坡等不同空心板桥 进行实体建模和应力分析，以期找到铺装层在荷载作用下的应力特点以及随各种因素变 化而产生的应力变化规律。 2 1 基本假设与有限元建模 2 1 1 基本假设 桥面铺装层是铺设在主梁顶面的一层薄板结构，其受力状态较为复杂。根据实际情 况假定铺装层之下为完全刚性的结构，铺装层为刚性结构物上的薄板，其边界条件假设 为： ( 1 ) 不考虑桥墩与承台的变形； ( 2 ) 空心板与铰缝处于无裂缝不破坏工作状态，铰缝失效情况例外； ( 3 ) 材料线弹性； ( 4 ) 除接触分析以外，铺装层与梁体完全连续； ( 5 ) 接触分析中采用面一面接触，假设层间处于滑动摩擦状态； ( 6 ) 铺装层与梁体共同承受荷载作用： ( 7 ) 坐标系方向规定为：x 轴代表横桥向，y 轴代表重力方向，z 轴代表顺桥向。 2 1 2 有限元模型建立 1 计算单元选择跏 模型中用到的单元主要是s o l d 4 5 、l i n k 8 、t a r g e l 7 0 ，c o n t a l 7 4 ，下面分别简单介 绍这四种单元的情况。 s o l i d4 5 ：该单元用于构造三维实体结构。单元通过8 个节点来定义，每个节点有 3 个沿着x 、y 、z 轴方向平移的自由度。单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变 形和大应变能力。 l i n k8 ：该单元是有着广泛的工程应用的杆单元，比如可以用来模拟桁架、缆索、 7 第二章空心板桥水泥混凝土铺装荷载应力分析 连杆、弹簧等。这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有三个自由度：沿 节点坐标系x 、y 、z 方向的平动，单元不承受弯矩。本单元具有塑性、蠕变、膨胀、应 力刚化、大变形、大应变等功能。 c o n t a1 7 4 ：用来模拟三维的变形面与目标面之间的接触或者滑移的情况。这种单 元被定义以后，可用于三维实体之间的重合面间的接触分析。这类单元通常通过共用结 点与三维模型或壳体表面连接，这样它与三维模型或壳体具有相同的几何特征。 t a r g e1 7 0 ：是广泛应用于三维接触面上的单元，这类单元置于实体表面用来描述 变形体的边界与目标面之间潜在的接触。它们与目标面的上单元通过共用一个实常数与 目标面上的单元相连。可以用它来描述水平位移、旋转、温度、电压、电磁力等。 2 材料参数 铺装层、铰缝、钢筋与空心板材料的性质在有限元计算中均可由其弹性模量e 和泊 松比u 表征。铺装层材料参数取值范围基于不同混凝土的试验室实测值与经验值结合得 到的结果，其值与掺入料的种类和掺加量有关，空心板与铰缝材料参数取值依据经验数 据选取。各部分材料参数具体取值范围见表2 1 。 表2 1 各结构层材料参数 结构层模量( m p a )泊松比 空心板3 0 0 0 1 6 6 6 7 铰缝2 7 0 0 00 1 6 6 6 7 铺装层 2 7 0 0 0 3 3 0 0 0 0 1 6 6 6 7 钢筋2 1 0 0 0 00 3 3 力学模型建立 按照桥梁跨径不同选取8 m 、1 3 m 、1 6 m 、2 0 m 、3 0 m 五种常用跨径，空心板结构依照 标准设计图纸，实际尺寸见表2 2 。空心板、铰缝与铺装层采用实体单元s o l i d 4 5 模拟， 钢筋网采用线单元l i n k 8 模拟。梁体根据实际情况采用扫略网格与自由网格相结合划分， 铺装层采用扫略网格划分，边界条件为橡胶支座支撑下的简支梁，考虑桥梁上部结构和 铺装层自重。1 3 m 和1 6 m 跨径空心板桥横截面构造见图2 1 。 表2 2 不同跨径空心板桥尺寸 跨径8 m1 3 m1 6 m2 0 m3 0 m 横向结构6 片( 3 孔) 7 片( 2 孔)7 片( 1 孔)9 片( 1 孔)1 5 片( 1 孔) 横向宽度( m ) 7 5 7791 5 空心板厚( c m )4 05 57 08 58 5 8 长安大学硕士学位论文 a ) 1 3 米跨径 b ) 1 6 米踌径 图2l 不同跨径空心板桥横截面构造图 4 计算参数说明 为简化书写，对计算参数说明如下：。，第一主应力负值，代表压应力；o ： 第主应力正值，代表拉应力；r ，横桥向剪应力；t 。，_ j 嘎桥向剪应力；t 。； 铺装层与桥面板层间剪应力；。广一铺装层与桥面板间法向拉应力。 根据铺装破坏形式研究可知，铺装混凝土破坏影响因素主要有：铺装混凝土受拉破 坏、铰缝上方的混凝土剪切破坏、铺装与梁体州脱空等，因此，在之后的铺装层应力分 析中，仪对铺装层拉应力、顺桥向剪应力、层间剪应力和层间拉应力进行分析，其它应 力部分情况下给出应力值，不做分析。 5 网格精度验证 有限元的求解精度，同单元划分的粗细程度有很大关系。一般认为，单元划分越细， 计算精度越高，但是，单元细化导致计算时间呈几何级数增长，而且过度细化的实体单 元有可能会引起应力集中。为了确定单元尺寸以1 3 m 空心板桥梁体以及其上铺装层做 为代表进行模型验证，选取单元尺寸和验证结果分别见表23 和表2 4 。 表23 空心板单元尺寸影响验证 宅心板单元尺寸m。l ( m p a ) o ，( m p a ) 1 。，( m p a ) 1 ，：( h p a )t 。；( 舯a )o ，( m p a )单元数 o1 22 6 6 1 6 0 2 403 6 20 6o9 9 03l8 3 02 405 6 4 4 5 7 6 01o2 3 o9 305 4 由计算数据可以看出，铺装层应力太小对于空心板单元尺寸不敏感，空心板单元尺 寸小于0 4 m ，各项计算数据基本收敛，而单元尺寸减小到0i m 时，单元数过大，需要 耗费较大计算时间，故可以在满足模型精度要求下，将单元尺寸控制在02 04 m 之间。 第：章卒心板桥水泥棍凝铺鞋荷载戍力分析 表24 铺装层网格密度影响验证 铺裟层网格尺寸向 o - 伽阻) o2 ( 1 啦) t 。( 肝a )t 。：( m p a 】t ；( y p a ) o ，m p a ) 单元数 03 6 09 805 67 7 0 0 8 0 1 0 1 0 10 1 2l8 42 0 6o9 405 73 4 1 3 6 02 02 01 0 1 5l _ 8 201 2 02 2 03 03 x 0 1 01 624 923 3 04 2 1 6 1 6 8 从表24 看出，铺装层应力受锚装层单元尺寸影响较大，当铺装层网格尺寸大于 0 1 m ，各项应力数据呈不规则变化。当网格尺寸小于0 1 m ，各项应力基本收敛，误差在 5 虬内。考虑到节约计算时间，选取铺装层网格尺寸为0i m x 0 i m 0 i m 。 6 纵横向布载方式 采用单向行驶车辆，纵向按跨中最大弯矩原则布载。计算采用车辆荷载主要指标及 尺j 见表25 所示。 表25( 公路桥牺设计通用规范j 验算采用的车辆荷载主要技术指标 项目 单位 拄术指标项目单位技术指标 车辆重力标准值 k n 5 5 0轮距 i8 前轴重力标准值前轮着地宽度及长度 03 02 中轴重力标准值 2 x 1 2 0 中、后轮着地宽度及长度 06 02 罱轴重力标准值 2 x 1 4 0 车辆外形尺寸( 长宽) 1 5 x 25 轴距3 + 14 + 7 + 1 4 22 铺装层荷载应力分析 2 21 最大应力位置 曲主应力云图 图2 2 铺装层应力云图 b ) 层间剪应力云图 要竺三= 嚣竺臁眦有删搠拙撇撇混凝土 铺装厚度是影响应力的重要因素，因此，有必妥分移个川炳阻上“阶“一 铺装厚度与应力的关系。 l t 黧黧二= 十铺装层内出现的最大拉劬利用删s 软件模拟辙 。z 竺竺：雾耋誊奏鬟嚣慧嚣淼x 薹荔藁对乏见酗3 所 作用下不同跨径空心板桥水泥混凝土铺装出现的皿刀喃杪己六绷开钥一 西4 生 r 越 鞘 埏 臻 舔1 图2 3 铺装层最大拉应力对比图 黧黑舞篙篇黧嚣= ：荔淼 当铺装层厚? 乏戮慧瓮然：茎篓篡聂i 美拉应力大于 装层拉励曼耋兰黧黧爹篡黑裂篡= 栗茹磊装最大拉 1 3 m 和1 6 m 跨径空心板桥铺装层拉应力值。对不l j 搿任芏u 伙伊卜叫“一” 第二章空心板桥水泥混凝土铺装荷载应力分析 表2 6 不同跨径空心板桥铺装层最大拉应力分析结果 空心板桥 跨径 最大拉应力0 。分析 随着铺装层厚度增加而减小，并且衰减趋势逐渐减弱。均以l o c m 为分界点，当铺 8 m 装层厚度小于l o c m 时值相当大且降低趋势剧烈。 先随着铺装层厚度增加而增大。当铺装层厚度为8 c m 一- , 1 6 c m 时，其值变化趋势平缓， 1 3 m 铺装层厚度大于1 6 c m 后压应力值随铺装层厚度增加而减小，铺装层厚度为2 2 c m 时应力 值比最大值减少约7 。 随着铺装层厚度增加而减小。当铺装层厚度为4 c m 8 c m 时，其值迅速衰减，铺装 1 6 m 层厚度人于8 c m 后拉应力值与铺装层厚度基本上呈线性关系，应力衰减趋势平缓，铺装 层厚度为2 2 c m 时应力值约为最大应力值的3 3 。 随着铺装层厚度增加而减小。当铺装层厚度为4 c m 1 2 c m 时，其值迅速衰减，铺装 2 0 m 层厚度大于1 2 c m 后拉应力应力值与铺装层厚度基本上呈线性关系，应力衰减趋势平缓， 其应力变化趋势十分剧烈。 随着铺装层厚度增加而减小。当铺装层厚度为4 c m 8 c m 时，其值迅速衰减，铺装 3 0 m 层厚度大于8 c m 后拉应力值与铺装层厚度基本上呈线性关系，应力衰减趋势平缓，铺装 层厚度为2 2 c m 时应力值较最大应力值减少5 0 。 2 最大顺桥向剪应力( t ) 分析 t ，。即空心板桥水泥混凝土铺装层内出现的最大顺桥向剪应力，利用a n s y s 软件模 拟车载作用下不同跨径空心板桥水泥混凝土铺装出现的应力情况，其结算结果对比见图 2 4 所示。 4681 01 21 4 1 6 1 82 0 2 2 铺装层厚度c m 图2 4 铺装层最大顺桥向剪应力对比图 1 2 8 6 4 2 o 芷苫r翅襁足蜷鼙踏螓器 长安大学硕士学位论文 铺装层最大顺桥向剪应力【犯按照跨径排列顺序为：8 m 1 3 m 1 6 m 2 0 m 3 0 m 。各跨径 空心板桥铺装层厚度超过l o c m 后减少趋势均十分平缓。对不同跨径空心板桥水泥混凝 土铺装最大顺桥向剪应力【，。分析如表2 7 。 表2 7 不同跨径空心板桥铺装层最大顺桥向应力分析结果 空心板桥 最大顺桥向剪应力t ，：分析 跨径 8 m 随着铺装层厚度增加而减小，并且衰减趋势逐渐减弱。 1 3 m随着铺装层厚度增大而减小，铺装层厚度2 2 c m 时应力值比厚度为2 c m 时减小约4 0 。 随着铺装层厚度增大而减小，其衰减趋势缓慢降低，铺装层厚度2 2 c m 时应力值为铺装 1 6 m 层厚度4 c m 时的3 5 。 当铺装层厚度为4 c m - - 一1 2 c m 时，其值迅速衰减，铺装层厚度人于1 2 c m 后压应力值与铺 2 0 m 装层厚度基本上呈线性关系，应力衰减趋势平缓。应力最小值分别比最大值缩小 4 2 8 m p a 随着铺装层厚度增火而减小，其衰减趋势缓慢降低，铺装层厚度2 2 c m 时应力值为铺装 3 0 m 层厚度4 c m 时的6 1 。 3 最大层间剪应力( t 。) 分析 | 【，：即空心板桥水泥混凝土铺装层内出现的最大层间剪应力，利用a n s y s 软件模拟 车载作用下不同跨径空心板桥水泥混凝土铺装出现的应力情况，其结算结果对比见图 2 5 所示。 母 l 崔 r 毯 权 厘 随 嗵 臻 嘏 2 5 2 l o 5 0 心k 一一一 i 廷三；霎雪 一、q = ：一一 - 4681 01 21 41 61 82 02 2 铺装层厚_ 度c m 图2 5 铺装层最大层间剪应力对比图 铺装层最大层间剪应力t 。：按照跨径排列顺序和最大顺桥向剪应力下，：相同，各跨径 空心板桥铺装层厚度超过l o c m 后减少趋势均十分平缓。对不同跨径空心板桥水泥混凝 1 3 第二章空心板桥水泥混凝土铺装荷载应力分析 土铺装最大层间剪应力t ，：分析如表2 8 。 表2 8 不同跨径空心板桥铺装层最大层间剪应力分析结果 空心板桥 最大层间剪应力t 。：分析 跨径 8 m 随着铺装层厚度增加而减小，并且衰减趋势逐渐减弱。 随着铺装层厚度增大而减小，当铺装层厚度为l o c m - - 1 6 c m 时，其值变化趋势较为 1 3 m 平缓，铺装层厚度大于1 6 c m 后层间剪应力值随铺装层厚度增加继续减小，铺装层厚度 为2 2 c m 时应力值比最人值减少约1 6 。 变化趋势与t ，：类似，铺装层厚度为2 2 c m 时应力极值比最人值应力极值减少约3 8 1 6 m 。 当铺装层厚度为4 c m 一- - 1 2 c m 时，其值迅速衰减，铺装层厚度大于1 2 c m 后压应力值 2 0 m 与铺装层厚度基本上呈线性关系，应力衰减趋势平缓。应力最小值分别比最大值减小 1 6 m p a 。 随着铺装层厚度增加而减小，铺装层厚度为2 2 c m 时应力极值比最大值应力极值减 3 0 m 少约4 0 。 4 最大层间拉应力( 0 ，) 分析 0 ，即空心板桥水泥混凝土铺装层内出现的最大层间拉应力，利用a n s y s 软件模拟 车载作用下不同跨径空心板桥水泥混凝土铺装出现的应力情况，其结算结果对比见图 2 6 所示。 7 笋一 囊么、 多 k 、 p ： 一 - 一 一 一 468 1 0 1 21 4 1 61 82 02 2 铺装层厚度c m 图2 6 铺装层最大层间拉应力对比图 铺装层最大层间拉应力0 ，按照跨径排列顺序为1 3 m ( 1 6 m ( 8 m ( 3 0 m ( 2 0 m 。8 m 、1 3 m 、1 6 m 1 4 4 3 2 1 0 窿要r毯掇厘喽圣f螓器 长安大学硕士学位论文 跨径空心板桥层间拉应力变化趋势较为平缓，2 0 m 和3 0 m 跨径空心板桥层间拉应力变化 趋势则较为明显。对不同跨径空心板桥水泥混凝土铺装最大层间拉应力o ，分析如表 2 9 。 表2 9 不同跨径空心板桥铺装层最大层间拉应力分析结果 空心板桥 跨径 最大层间拉应力0 ，分析 随着铺装厚度增大呈抛物线形规律，在铺装层厚度为l o c m 时达到最人值。8 m 空心 8 m 板铺装层最大层间拉应力0 ，最大值比最小值增加约2 7 。 铺装层最大横桥向剪应力o ，随着铺装厚度增大呈抛物线形规律，在铺装层厚度达 1 3 m 到1 4 c m 时达到最大值，之后随铺装层厚度增加而减小。1 3 m 空心板铺装层最大层间拉 应力0 ，最大值比最小值高出约0 2 6 m p a 。 随着铺装厚度增大呈抛物线形规律，在铺装层厚度达到1 4 c m 一1 6 c m 时达到最大值， 1 6 m 之后随铺装层厚度增加而减小，铺装层最大层间拉最小应力值为应力最大值的7 5 随着铺装厚度增大呈抛物线形规律，在铺装层厚度达到1 6 c m - - 一1 8 c m 时达到最大值， 2 0 m 之后随铺装层厚度增加而减小，铺装层最大层间拉应力最小值比最大值缩小约4 5 。 随着铺装层厚度增加而增大，应力增大趋势逐渐趋于平缓，应力最大值较最小值增 3 0 m 大约2 3 2 m p a 。 5 总结 对不同跨径桥面铺装层应力分析可以看出，2 0 m 与3 0 m 跨径空心板桥铺装层各项应 力值远大于其他跨径板桥。值得注意的是，2 0 m 跨径空心板桥铺装层最大层间剪应力0 ， 大于3 0 m 跨径空心板桥；而2 0 m 跨径空心板桥铺装层最大压应力0 ：、铺装层最大顺桥向 剪应力t ，。与层间剪应力下。：当铺装层厚度较大时均小与3 0 m 桥应力值，当铺装层厚度较 小时2 0 m 跨径空心板桥这三项应力值均远大于3 0 m 桥应力值。另外一点值得注意的是， 8 m 跨径空心板桥各项应力值均大于1 3 m 与1 6 m 跨径空心板桥对应应力值。可以看出跨径 并不是决定铺装层应力的唯一因素，空心板横截面形式同样也起到很大作用。 2 3 斜交空心板桥水泥混凝土铺装应力 在桥梁结构设计中，有时由于地形条件的限制需要采用斜交桥结构。斜交桥桥面板 的钝角区域在荷载作用下会产生应力集中，并使得钝角处支反力发生了畸变，因此，斜 交空心板桥与正交空心板桥水泥混凝土铺装应力会有所不同。下文选取1 3 m 跨径斜交空 心板桥进行铺装层应力计算并与相同跨径正交空心板桥进行对比分析，计算结果分别见 1 5 第二章空心板桥水泥混凝土铺装荷载应力分析 表2 1 0 及表2 1 1 。 表2 1 0 正交空心板桥桥面铺装应力 铺装层厚度 ( c m ) ol ( g p a )02 ( g p a ) t 。y ( m p a ) t ，。( g p a )t ，。( m p a )o ，( m p a ) 4o 3 21 3 50 2 32 4 2o 9 7o 3 6 6 0 3 31 2 3o 1 92 2 8o 9 2o 4 3 80 3 21 2 30 2 22 1 30 8 80 4 9 1 0 0 3 01 2 20 2 6 1 9 80 8 5o 5 3 1 2o 2 61 2 00 2 81 8 5o 8 30 5 5 1 40 2 3 1 1 90 2 9 1 7 20 8 2o 5 6 1 6o 2 01 2 00 3 11 6 80 8 20 5 6 1 8o 1 71 1 90 3 01 5 70 8 30 5 4 2 0o 1 41 1 70 2 91 4 8o 8 20 5 3 2 20 1 l1 1 6o 2 81 3 8o 8 00 5 0 表2 1 l 斜交空心板桥桥面铺装应力 铺装层厚度 ( c m ) 0l ( g p a )02 ( 肝a ) t 。，( m p a )【，：( m p a ) t 。( m p a ) 0y ( m p a ) 4o 4 3 2 2 6o 3 52 9 21 1 4 1 0 1 60 4 31 5 5o 2 82 8 61 1 21 0 8 8 o 4 l1 5 70 2 92 7 0 1 1 01 1 l 1 0o 3 81 5 7o 3 32 5 31 0 81 1 2 1 2 o 3 31 5 6o 3 62 3 61 0 6 1 1 1 1 40 2 81 5 30 3 82 1 91 0 51 0 8 1 6o 2 4 1 5 0 0 3 8 2 0 41 0 3 1 0 3 1 8o 2 01 4 6o 3 81 9 01 0 2o 9 9 2 0o 2 2 1 3 8 0 4 1 1 8 61 0 3 1 0 0 2 20 2 51 3 10 4 82 0 8l - 0 21 1 0 由于1 3 m 跨径正交板桥铺装层应力在之前的文章中已经详细分析，故在此不再赘述， 下文只进行斜交空心板桥铺装层应力分析以及与正交空心板桥的铺装层应力进行对比 分析，按照表2 1 0 以及表2 1 1 的各个应力绘制图2 7 进行对比分析。空心板正交桥与 斜交桥铺装层应力比较见图2 7 。 1 6 长安大学硕+ 学位论文 气 、一- - - 一 一 k ；：= j 4681 01 21 41 61 82 02 2 一一铺装层厘度- i + 正交板桥- 一斜交扳桥i a ) 最大拉应力对比 、h 叫- _ 善- 一 ， ， j 、： 、 468 1 0 1 21 41 61 82 02 2 铺装层厚度c l 巨亟壹兰丝圃 b ) 最大顺桥向拉应力对比 - r _ 。叫k k ，- _ ，- 4681 01 21 41 61 82 02 24681 01 21 41 61 82 02 2 一铺装层埋廑堕 塑薹星星堡丛! i + i f 交扳桥+ 斜交板桥li + 正交板桥+ 斜交板桥l c ) 最大层间剪应力对比d ) 最大层间拉应力对比 图2 7 空心板正交桥与斜交桥铺装层应力比较 从图2 7 可以看出斜交空心板桥铺装较正交空心板桥铺装在车辆荷载作用下应力值 大，可以说明，斜交空心板桥对铺装层应力更为不利。对各应力分析如下：( 1 ) 由图a ， 斜交空心板桥铺装层最大拉应力o ：随着铺装层厚度先增加再减小，略微呈抛物线形。 斜交板桥与正交板桥铺装层拉应力值最大相差0 9 1 2 m p a 。( 2 ) 由图b 、d ，最大顺桥向剪 应力t 厶最大层间拉应力o ，、当铺装层厚度小于1 8 c m 时变化规律与正交板桥基本相同， 铺装层厚度大于1 8 c m 后与正交板桥相反，呈增加趋势。( 3 ) 由图c ，斜交空心板桥铺装 层最大层间剪应力t 。，随着铺装层厚度减小而降低，基本呈线性关系。 2 4 设于曲线上的空心板桥水泥混凝土铺装应力 公路线型中，曲线占有较大的比例，大量桥梁设置于曲线上。桥梁设计中对于这种 桥梁的处理方法很多。例如，对于现浇的桥梁可以采用曲线桥曲做的方法；对于中小简 支板桥一般采用墩台平行布置、上部折线布置以及曲线桥按直桥修建的方法。由于空心 板桥跨径一般较小，并且公路平曲线设置半径较大，在加宽不大的情况下，一般将桥梁 1 7 5 3 5 2 5 i 3 2 l芒hr趟豁足嚣蟹k i 3 2 l o ir迸裂k一 v 2 9 6 1 口 o l l 0 0 0 _kir通氧重嗵k 5 3 l 9 7 5