趙 云 鵬

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040; 2.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧沈陽(yáng) 110166)

21世紀(jì)的今天，我國(guó)公路普遍存在的重要問(wèn)題則是橋面鋪裝的病害，相關(guān)人士對(duì)橋面鋪裝病害的原因進(jìn)行了多方面的研究分析，總結(jié)發(fā)現(xiàn)其剛性橋面病害的主要原因源于橋面鋪裝施工、鋪裝結(jié)構(gòu)受力特性相對(duì)復(fù)雜以及鋪裝材料性能三個(gè)方面。而對(duì)鋪裝結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行詳細(xì)的了解，是對(duì)橋面鋪裝材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加以選擇的必要條件，因此本文對(duì)剛性橋面鋪裝的受力特性進(jìn)行分析有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 裝配式空心剛性橋面的結(jié)構(gòu)概況

以陜西某一公路工程為例，該橋主要是一種裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心式板橋，主要有三跨，其單跨之間的跨徑主要為13 m，該橋的全長(zhǎng)為39 m。該橋的上部主要是對(duì)裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板加以使用，而其下部主要是對(duì)肋板柱式臺(tái)加以采用，柱式墩為其主要的橋墩。該橋的橫向主要有12塊預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，在其連接的過(guò)程中主要借助于鉸縫，在空心板鉸縫內(nèi)對(duì)鋼筋進(jìn)行預(yù)留，同時(shí)通過(guò)對(duì)和相鄰空心板的鋼筋實(shí)現(xiàn)交叉綁扎，并在墩臺(tái)上將橫向抗震擋塊加以設(shè)置。荷載等級(jí)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，汽車設(shè)置為超20級(jí)，掛車為120級(jí)，空心板上現(xiàn)澆C40混凝土鋪裝層的厚度為10 cm。最上層瀝青混凝土面層的厚度為10 cm。

2 剛性橋面鋪裝受力的計(jì)算方案

1)三維有限元計(jì)算模型的構(gòu)建。

三維有限元計(jì)算模型在實(shí)際的構(gòu)建過(guò)程中，在對(duì)人力因素進(jìn)行忽略的前提下，同時(shí)對(duì)橋面的截面幾何尺寸不沿著縱向發(fā)生變化進(jìn)行假設(shè)，并將橋墩和承臺(tái)的變形這一現(xiàn)象加以忽略，將其橋面視為剛體，對(duì)空心板和鋪裝層之間的完全連續(xù)進(jìn)行假定，在實(shí)際的計(jì)算分析過(guò)程中，通過(guò)對(duì)坐標(biāo)系加以采用，橋的橫向用X表示，豎直向上用Y表示，橋的縱向用Z表示，并對(duì)企口縫處的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)計(jì)算鋪裝層和空心板之間的粘結(jié)性能，模擬計(jì)算分析截取橋梁?jiǎn)慰?，?duì)空心板間鉸接和鉸完全破壞兩種情況進(jìn)行考慮和計(jì)算。

近年來(lái)，有限元方法的發(fā)展逐漸加快，同時(shí)有限元方法主要是一種相對(duì)成熟的數(shù)值分析方法，在當(dāng)前各個(gè)領(lǐng)域都有著一定的應(yīng)用范圍，主要是對(duì)各種復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行解決，其單元類型相對(duì)來(lái)說(shuō)是多種多樣的，一般而言，單元的不同將會(huì)有著不同的位移模式。本工程在對(duì)三維有限元計(jì)算模型進(jìn)行構(gòu)建的過(guò)程中，主要是對(duì)空間塊體單元Soild45加以采用，并對(duì)橋梁進(jìn)行某種程度上的有限元網(wǎng)絡(luò)部分劃分，鉸在完全破壞的過(guò)程中，其劃分的單元總數(shù)主要為105 560，而其節(jié)點(diǎn)的總數(shù)主要為137 800，鉸接過(guò)程中劃分的單元總數(shù)主要為127 400，而其節(jié)點(diǎn)的總數(shù)主要為150 733。

2)荷載的計(jì)算。

在對(duì)橋涵進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，其車輛荷載主要有計(jì)算和驗(yàn)算兩種，在對(duì)荷載進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，主要通過(guò)汽車車隊(duì)加以表示，而對(duì)荷載進(jìn)行驗(yàn)算的過(guò)程中，主要通過(guò)借助于平板掛車和履帶車進(jìn)行表示。依據(jù)于相關(guān)的設(shè)計(jì)要求，該工程剛性橋主要是對(duì)計(jì)算荷載汽車—超20級(jí)以及驗(yàn)算荷載掛車—120加以采用，汽車—超20在實(shí)際的橫向布載過(guò)程中，主要為并排兩輛，而其掛車—120在橋梁全長(zhǎng)的過(guò)程中主要采用一輛布載。荷載在計(jì)算的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)汽車荷載沖擊系數(shù)進(jìn)行計(jì)算過(guò)程匯總，其平板掛車盡可能的不將沖擊力計(jì)入，并將車載各個(gè)車輪對(duì)其橋面的作用力盡可能的簡(jiǎn)化為相關(guān)的均布力，在對(duì)輪載作用面積進(jìn)行確定的過(guò)程中嚴(yán)格的按照相關(guān)的規(guī)范進(jìn)行。

3)工況的計(jì)算。

工況在實(shí)際的計(jì)算過(guò)程中，主要是對(duì)空心板簡(jiǎn)單鉸接模型加以借用，通過(guò)對(duì)重車車輪荷載的不同作用位置進(jìn)行比較，對(duì)鋪裝層和空心板交界面的應(yīng)力狀況以及鋪裝層局部應(yīng)力狀況進(jìn)行分析的，主要有以下幾種工況計(jì)算方式。

第一種:鉸縫破壞的時(shí)候，汽車—超20輪載作用主要存在于中間的鉸縫處。第二種:鉸縫破壞的時(shí)候，汽車—超20輪載的作用存在于邊緣的0.5 m處。第三種:鉸縫破壞的時(shí)候，掛車—120輪載的作用主要存在于中間的鉸縫處。第四種:鉸縫破壞的時(shí)候，掛車—120輪載的作用存在于邊緣的1.25 m處。第五種:對(duì)鉸接加以考慮，汽車—超20輪載作用主要存在于中間的鉸縫處。第六種:對(duì)鉸接加以考慮，汽車—超20輪載的作用存在于邊緣的0.5 m處。第七種:對(duì)鉸接加以考慮，掛車—120輪載的作用主要存在于中間的鉸縫處。第八種:對(duì)鉸接加以考慮，掛車—120輪載的作用存在于邊緣的1.25 m處。

就其實(shí)質(zhì)性而言，汽車—超20的橫向布置如圖1所示，掛車—120的橫向布置如圖2所示。

3 剛性橋面鋪裝受力的計(jì)算結(jié)果

在對(duì)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析的過(guò)程中，計(jì)算分析了其對(duì)鋪裝層的最大撓度、剪應(yīng)力、正應(yīng)力以及主應(yīng)力。

就橋面鋪裝層的撓度而言，該工程橋面板借助于車輛荷載作用，其最大的豎向撓度主要發(fā)生在第四種工況中，橋面在偏載的作用下其最外側(cè)的空心板豎向撓度最大為9.82 mm，但是仍然在容許撓度范圍之內(nèi)，符合相關(guān)的要求。

就橋面鋪裝層的拉應(yīng)力而言，目前橋面鋪裝層的開裂是橋面常見的一種破壞，裂縫出現(xiàn)的過(guò)程中，逐漸將其延伸到面層，進(jìn)而逐漸形成貫穿裂縫，不僅僅對(duì)橋面鋪裝的使用性能有著直接性的影響，同時(shí)對(duì)空心板的強(qiáng)度和使用壽命也有著極大的威脅。因此更應(yīng)該對(duì)鋪裝層開裂破壞的鋪裝層最大拉應(yīng)力進(jìn)行控制，對(duì)其分布變化規(guī)律進(jìn)行科學(xué)性的分析和掌握，將鋪裝層開裂破壞的特性進(jìn)行了解，進(jìn)而對(duì)有效的防范措施加以采用。

圖1 汽車—超20的橫向布置

圖2 掛車—120的橫向布置

最后就橋面鋪裝層的剪應(yīng)力而言，橋面鋪裝病變的一個(gè)重要原因則是橋面鋪裝粘結(jié)層的破壞，由于橋面板間的接觸粘結(jié)和鋪裝層有著相對(duì)復(fù)雜的粘結(jié)狀態(tài)，其層間不僅僅有著一定的粘結(jié)層材料的粘結(jié)力，同時(shí)在某種程度上同樣也存在相關(guān)的橋面板間的摩擦阻力。一旦鉸接完成之后，隨著縱向剪應(yīng)力的逐漸增大，其鋪裝層內(nèi)的第一主應(yīng)力以及其縱向的正應(yīng)力同樣也在不斷增大著。一旦其鉸接破壞，尤其是在輪載的作用下，其橋面鋪裝層在某種程度上將會(huì)存在相對(duì)較大的豎向剪應(yīng)力，在第三種工況的過(guò)程中，剪應(yīng)力最大為2.360 MPa。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文對(duì)剛性橋面鋪裝的受力特性進(jìn)行分析可知，橋面鋪裝層通過(guò)荷載的作用，不僅僅有著相對(duì)復(fù)雜的局部受力情況，同時(shí)本工程橋的最大豎向撓度主要為9.82 mm，符合相關(guān)的規(guī)范要求，同時(shí)該橋的橋面鋪裝層的最大主拉應(yīng)力有著相對(duì)較小的作用范圍，但是完全符合混凝土的抗拉要求，在對(duì)其受力情況進(jìn)行分析的過(guò)程中，更應(yīng)該提高對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域的重視度。

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