王守松，鄭玉芳 ，陳柳燕

(福州大學 土木工程學院，福建 福州350116)

鋼橋面鋪裝是大跨徑鋼箱梁橋建設的關鍵技術之一，一直受到國內(nèi)外學術界和工程界的高度重視與關注。橋面鋪裝不僅承受行車荷載，而且經(jīng)受著氣溫變化的影響。鋪裝結構內(nèi)部在環(huán)境溫度下產(chǎn)生的溫差對鋪裝結構的性能產(chǎn)生很大的影響。近年來，對于鋼橋面鋪裝溫度的研究頗受關注。文［1］、［2］運用有限元手段，根據(jù)氣象資料，對鋼橋面鋪裝溫度場的分布特征進行了模擬分析和系統(tǒng)研究。文［3］建立了大跨徑鋼橋面鋪裝層溫度應力的計算模型，推導出鋼橋面粘彈性瀝青鋪裝層溫度應力計算式。文［4］研究了鋪裝層溫度應力的日變化規(guī)律、分布特征及其影響因素。文［5］研究了在車輛荷載作用下，界面粘結層彈性模量和厚度變化對鋪裝體系受力的影響。

對于鋼橋面鋪裝，鋪裝層與鋼橋面板間界面粘結是鋼橋面鋪裝的重點和難點。界面粘結的意義在于使粘結的兩個結構層在界面上保持一致的變形，使得被粘結的兩個物體作為一個整體共同受力，但是由于被粘結的物體一般為剛度韌性均不同的材料，在外力作用下，在界面處勢必產(chǎn)生一定的變形，被粘結的物體的剛度不同將導致粘結層的兩個接觸界面并不是出于完全一致的變形，由此產(chǎn)生一定的剪切和受拉作用［5］。因此，研究粘結層的物理參數(shù)對環(huán)境溫度下鋼橋面鋪裝結構受力影響是十分必要的。

1 有限元分析模型

1.1 計算模型

視鋼橋面鋪裝結構為彈性層狀體系，從上至下由瀝青混凝土鋪裝層、防水粘結層和鋼橋面板組成。采用有限元軟件ANSYS 建立空間三維模型，采用三維八節(jié)點的等參實體單元SOLID45 進行模擬。

為了對鋼橋面鋪裝結構建立合理的力學模型以分析結構層間的應力分布，本文采用以下基本假定:

(1)各結構層為均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體;

(2)各層層間豎向、水平位移連續(xù);

(3)橋面板底板各向均有約束，側面有水平方向的約束;

(4)不計結構自重的影響。

1.2 計算參數(shù)

經(jīng)過取不同尺寸模型進行計算分析，進行保守的研究分析，最后確定模型的平面尺寸取3 m ×3 m。本文主要針對防水粘結層的彈性模量和厚度的變化對鋼橋面鋪裝結構受力的影響進行分析，因此設置了不同的防水粘結層的彈性模量和厚度。各結構層的主要計算參數(shù)如表1 所示。鋪裝結構計算模型網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

表1 各結構層主要計算參數(shù)

圖1 鋪裝結構計算模型網(wǎng)格劃分

1.3 溫度荷載

暴露在自然氣候條件下的鋼橋面鋪裝結構，根據(jù)實測，鋪裝結構的溫度比外界環(huán)境的溫度高很多［6］。本文采用熱-結構耦合分析中的間接法進行分析，即首先進行熱分析，設定基準溫度為30 ℃，將溫度荷載(鋪裝面層65 ℃，鋼板底面30 ℃)施加到模型上得出熱分析的結果，下一步進行熱應力分析，即將熱分析所得的溫度場結果作為體荷載施加到模型上計算熱應力。熱分析后鋪裝結構的溫度分布如圖2 所示。

圖2 熱分析后鋪裝結構的溫度分布

2 結果分析

2.1 粘結層材料參數(shù)對鋪裝層受力的影響

為了研究環(huán)境溫度下，橋面鋪裝層應力的變化規(guī)律，對不同的防水粘結層厚度和防水粘結層模量的橋面鋪裝結構進行溫度應力分析。圖3 和圖4分別給出了防水粘結層的厚度和彈性模量對鋪裝層應力的影響。

從圖3 可以看出，在溫度荷載作用下，隨著防水粘結層的厚度的增加，鋪裝層的最大拉應力和最大剪應力略微減小，總體影響很小。圖4 則表明，在溫度荷載作用下防水粘結層的彈性模量對鋪裝層的最大拉應力影響很小，鋪裝層的最大剪應力隨著粘結層的彈性模量的增大而增大。當彈性模量從150 MPa 增加到400 MPa，鋪裝層的最大剪應力增大34.1%。

圖3 防水粘結層的厚度對鋪裝層應力的影響

圖4 防水粘結層彈性模量對鋪裝層應力的影響

由于模型假定各結構層均勻、連續(xù)、各向同性，防水粘結層的厚度較小，溫度在鋪裝層內(nèi)的傳遞和分布可視為不受防水粘結層的彈性模量和厚度的影響。在鋪裝層內(nèi)由溫度引起的最大拉應力和最大剪應力幾乎不受粘結層厚度的影響。但是鋪裝層的最大剪應力隨著防水粘結層模量的增大而增大，說明在溫度荷載作用下，防水粘結層采用較小的彈性模量有利于改善鋪裝層的受力。

2.2 粘結層材料參數(shù)對層間應力的影響

假定防水粘結層和鋼板層、防水粘結層和鋪裝層都處于完全粘結的狀態(tài)，利用ANSYS 軟件中的接觸分析來模擬。以接觸摩擦應力作為層間應力，分析在溫度荷載作用下粘結層的彈性模量和厚度的變化對層間應力的影響。圖5 和圖6 分別給出了防水粘結層的厚度和彈性模量對層間應力的影響。

圖5 防水粘結層厚度對層間應力的影響

圖6 粘結層彈性模量對層間應力的影響

由圖5 可知，鋪裝層與粘結層的接觸面的層間應力隨著粘結層厚度的增大而逐漸減小，呈線性關系。在防水粘結層的厚度為2 mm 時，鋪裝層與粘結層的層間應力為0.62 MPa，當鋪裝厚度增加到6 mm時，層間應力為0.51 MPa，減少了17.7%。鋼橋面板與粘結層的接觸面的層間應力隨粘結層的厚度變化不大，有略微的增大。

由圖6 可知，鋪裝層與粘結層的層間應力隨著粘結層彈性模量的增大而增大。當粘結層的彈性模量為150 MPa 時，鋪裝層與粘結層的層間應力為0.59 MPa，當粘結層彈性模量增大到400 MPa 時，層間應力為0.92 MPa，增大了56%。鋼橋面板與粘結層的層間應力也是隨著粘結層的彈性模量的增大而增大。當粘結層的彈性模量為150 MPa 時，鋼橋面板與粘結層的層間應力為0.71 MPa，當粘結層彈性模量增大到400 MPa 時，層間應力達到1.09 MPa，增大了54%。

以上分析可知，在環(huán)境溫度下，鋼橋面板與粘結層的層間應力大于鋪裝層與粘結層的層間應力，所以粘結破壞一般先出現(xiàn)在鋼橋面板與粘結層的界面處。粘結層的彈性模量比厚度對層間應力的影響更大。增大厚度有利于減小鋪裝層與粘結層的層間應力，而粘結層彈性模量的增加則增加了層間應力，在設計粘結層時應該更多的考慮彈性模量對層間應力的影響，在技術指標的控制范圍內(nèi)，選擇彈性模量較小的粘結材料。

3 結論

通過利用有限元軟件分析在溫度荷載作用下鋼橋面鋪裝結構的應力分析，可以得到如下結論:

1)防水粘結層的厚度的變化對鋪裝層的受力影響很小，對層間應力的影響也不顯著;

2)防水粘結層的彈性模量變化對鋪裝層的受力和層間應力的影響較大，彈性模量的增大不利于鋪裝結構的受力;

3)在環(huán)境溫度下，鋼橋面板與粘結層的層間應力大于鋪裝層與粘結層的層間應力，所以粘結破壞一般先出現(xiàn)在鋼橋面板與粘結層的界面處。

［1］逯彥秋，張肖寧，孟勇軍. 橋面鋪裝非線性瞬態(tài)溫度場分析［J］. 中外公路，2006，26(6):25 -58.

［2］逯彥秋，張肖寧，唐偉霞. 橋面鋪裝層溫度場的ANSYS 模擬［J］. 華南理工大學報:自然科學版，2007，35(2):59 -63.

［3］林廣平，劉紅飛，朱啟建. 大跨徑鋼橋面粘彈性瀝青鋪裝層溫度應力求解［J］. 嘉興學院學報，2008，20(6):64 -67.

［4］馮蕾，王嵐，杜偉. 橋面鋪裝層溫度應力有限元分析［J］. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學學報，2014，33(3):227 -234.

［5］趙朝華，韓緒，李亞. 界面材料參數(shù)和層間狀態(tài)對鋼橋面鋪裝體系受力的影響［J］. 重慶交通大學學報:自然科學版，2013，32(3):385 -38.

［6］周玲. 鋼橋橋面鋪裝結構溫度場研究［D］. 烏魯木齊:新疆大學，2011.