王 昊 吉伯海 高玉強(qiáng) 陳 欣 王秋東

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院 南京 210098)

0 引 言

正交異性鋼橋面板因其重量輕、強(qiáng)度高、抗扭剛度大等優(yōu)點，在國內(nèi)外橋梁中得到了廣泛應(yīng)用[1].瀝青混凝土鋪裝層作為鋼橋面板上的薄層結(jié)構(gòu)普遍采用高溫攤鋪，由于鋼材導(dǎo)熱性能好且鋼橋面板各向異性[2]，攤鋪高溫作用下鋼橋面板迅速升溫并發(fā)生溫度變形，對鋼橋面板結(jié)構(gòu)造成影響，同時焊縫位置受力復(fù)雜并存在大量的殘余應(yīng)力[3]，溫度應(yīng)力對焊縫的正常使用性能產(chǎn)生影響.

國內(nèi)外學(xué)者基于溫度實測數(shù)據(jù)分析了鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的溫度應(yīng)力[4]，同時采用數(shù)值模擬和建立功能函數(shù)的方式對環(huán)境溫度荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了研究[5-6].結(jié)果表明溫度-車載耦合作用影響了鋼橋面板的受力特征而單一溫度荷載作用對結(jié)構(gòu)的影響較小.此外，考慮焊接施工過程，采用數(shù)值模擬的方式研究了高溫焊接后鋼橋面板焊接殘余應(yīng)力的分布特征[7]并通過盲孔法、切條法對殘余應(yīng)力值進(jìn)行測試[8-9].研究結(jié)果表明:焊接殘余應(yīng)力分布在焊縫及焊縫周邊鋼板上，接近鋼材的屈服強(qiáng)度.目前就瀝青混凝土攤鋪高溫對鋼橋面板影響效應(yīng)的研究主要集中在高溫澆注環(huán)境下鋪裝層的溫度變化及鋼橋面變形引起的鋪裝層厚度差異方面[10]，同時從宏觀的角度分析了鋼橋面板的整體應(yīng)力趨勢，而對構(gòu)造細(xì)節(jié)的溫度應(yīng)力分布及焊縫處的應(yīng)力特征分析較少.

本文通過建立鋼橋面板溫度場有限元模型，考慮攤鋪施工過程，對鋼橋面板的溫度分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將溫度場邊界條件作用在鋼橋面板力學(xué)模型上，分析了溫度荷載作用下鋼橋面板的變形和受力特征，同時就構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力分布對溫度場的影響進(jìn)行了研究.

1 考慮施工過程的鋼橋面板溫度場分析

1.1 有限元模型

利用ABAQUS建立一段鋼橋面板行車道節(jié)段模型(見圖1a))，模型橫橋向?qū)?4 m，包含22道U肋、4道板肋和9道縱梁，縱橋向長8 m，包含4道橫隔板，靠近橫橋向邊緣設(shè)置1道鋪裝層，寬4 m，縱橋向兩端布設(shè)兩道拉壓支座，支座尺寸為600 mm×600 mm.鋼橋面板各構(gòu)造尺寸根據(jù)國內(nèi)某大跨徑橋梁選取，見表1.

表1 鋼橋面板構(gòu)造尺寸

假設(shè)鋼橋面板與鋪裝層固接，不考慮頂板與鋪裝層之間的黏結(jié)滑移作用，模型各部件之間采用Merge的方式進(jìn)行共節(jié)點及自由度耦合連接，約束一側(cè)支座的豎向平動自由度和另一側(cè)支座的豎向平動自由度及橫向平動自由度.鋼橋面板材料屬性參照Q345qD橋梁用鋼：彈性模量為2.06×105 MPa，泊松比為0.3，考慮到高溫攤鋪過程中鋪裝層尚未冷卻，鋪裝層的彈性模量為100 MPa，泊松比為0.3.所有結(jié)構(gòu)與大氣接觸位置均設(shè)置輻射換熱面，材料熱力學(xué)參數(shù)和溫度場邊界條件參數(shù)[11-13]取值見表2.

表2 熱力學(xué)參數(shù)和溫度邊界條件

模型整體使用八節(jié)點DC3D8實體單元，為更好地確定攤鋪區(qū)溫度變化，對鋪裝層和鋪裝層附近的鋼橋面板進(jìn)行網(wǎng)格加密(見圖1b))，網(wǎng)格加密尺寸為20 mm，同時考慮到節(jié)段模型尺寸較大，網(wǎng)格數(shù)量較多可能影響模型計算速度，全局網(wǎng)格尺寸為200 mm.澆筑式瀝青混凝土初始溫度為230 ℃，鋼橋面板初始溫度為35 ℃，采用生死單元法模擬施工過程，考慮到攤鋪速度為1 m/min，將節(jié)段模型縱橋向劃分八塊攤鋪區(qū)域，每塊鋪裝層長1 m，即劃分10個分析步，第1步為未攤鋪階段，時長0.5 s;第2～9步為攤鋪階段，每一步時長60 s;第10步為溫度傳遞階段，結(jié)束時間為7 200 s.

圖1 鋼橋面板有限元模型

1.2 鋼橋面板溫度測點布置

考慮高溫瀝青攤鋪施工過程時鋼橋面板的溫度場云圖見圖2.由圖2可知，先鋪裝部位對后鋪裝部位有溫度影響，攤鋪先后帶來的溫度差異持續(xù)到計算結(jié)束.橫向溫度變化范圍為靠近攤鋪邊緣攤鋪區(qū)域1 m及未攤鋪區(qū)域0.6 m的范圍，不同截面處橫向溫度分布有所差異，橫隔板位置溫度橫向影響范圍較小且溫度較低，鋼橋面板豎向溫度呈遞減趨勢，隨著時間的推移，鋼橋面板溫度最終與外界溫度一致，頂板和橫隔板溫度沿橫隔板豎向向下傳遞，影響范圍逐漸增大.

圖2 鋼橋面板溫度場云圖

根據(jù)總體的溫度云圖，將溫度分布的研究點分為以下幾個部分：首先是攤鋪區(qū)域及攤鋪邊緣區(qū)域鋼橋面板的橫向溫度分布，其次是橫隔板和兩道橫隔板之間的縱向溫度差異，此外需要對鋼橋面板的豎向溫度分布及構(gòu)造細(xì)節(jié)的溫度時稱進(jìn)行分析.布設(shè)鋼橋面板溫度測點見圖3，在攤鋪邊緣1.7 m的范圍內(nèi)鋼橋面板頂板布設(shè)一道橫向溫度測點，溫度監(jiān)測范圍內(nèi)布設(shè)三道縱向溫度測點，在橫隔板布設(shè)一道豎向溫度測點同時在橫隔板-U肋焊縫上布設(shè)三個溫度測點，在弧形缺口弧形路徑上布設(shè)四個溫度測點.

圖3 鋼橋面板溫度測點

1.3 橫向測點溫度分布

提取攤鋪施工開始后不同時間節(jié)點鋼橋面板橫向溫度監(jiān)測路徑上的溫度，見圖4.由圖4可知，各時間節(jié)點鋼橋面板橫橋向溫度變化趨勢基本一致，40 min溫度達(dá)到最大值，攤鋪區(qū)域鋼橋面板最大溫度為87 ℃，攤鋪邊緣鋼橋面板溫度接近55 ℃.攤鋪邊緣0.4 m范圍內(nèi)溫度變化明顯，最大溫差接近60 ℃，攤鋪區(qū)域由于溫度沿U肋豎向傳遞出現(xiàn)波浪形溫差，且局部溫差為3～5 ℃.

圖4 鋼橋面板橫向溫度分布圖

1.4 縱向測點溫度分布

由鋼橋面板橫向溫度分布可知，攤鋪施工開始后40 min左右鋼橋面板頂板溫度達(dá)到最大值，提取40 min時鋼橋面板縱向溫度監(jiān)測路徑上的溫度，見圖5.由圖5可知，各溫度監(jiān)測路徑的縱向溫度變化趨勢基本一致，攤鋪區(qū)域溫度最高，以橫隔板為中心縱向0.6 m范圍內(nèi)出現(xiàn)溫度差，且攤鋪邊緣溫差最大接近10 ℃，攤鋪區(qū)域以及未攤鋪區(qū)域溫差不超過5 ℃.鋼橋面板縱向其余位置溫度基本相同，縱向溫度分布較為穩(wěn)定.

圖5 40 min時鋼橋面板縱向溫度分布圖

1.5 豎向測點溫度分布

提取攤鋪施工開始后攤鋪區(qū)域豎向各測點的溫度，溫度時程曲線見圖6.由圖6可知，各時間節(jié)點鋼橋面板橫橋向溫度變化趨勢基本一致，溫度先迅速增大，40 min左右頂板上下緣溫度達(dá)到最大值，距離頂板越遠(yuǎn)，達(dá)到最大溫度的時間越長，距離頂板300 mm位置在60 min時溫度達(dá)到最大值，最大溫度接近45 ℃，隨后溫度逐漸減小最終趨于一致.頂板上下緣溫度大小和溫度變化趨勢基本相同，且最大溫度達(dá)到75 ℃.同時靠近頂板位置溫度變化明顯，等距離溫差較大.

圖6 鋼橋面板豎向測點溫度時程曲線

1.6 構(gòu)造細(xì)節(jié)溫度分布

提取構(gòu)造細(xì)節(jié)各測點的溫度，溫度時程曲線見圖7.由圖7a)可知，橫隔板-U肋焊縫上下緣溫度變化趨勢基本一致，靠近頂板位置溫度較大且先達(dá)到最大溫度，最大溫差約為30 ℃，但在溫度變化過程中焊縫溫差最大值接近35 ℃，局部溫差較大可能影響焊縫的正常使用.由圖7b)可知，弧形缺口路徑上各溫度測點溫度時程曲線基本一致，由于弧形缺口各點豎向距離差較小，弧形缺口溫差不超過10 ℃，對弧形缺口的使用性能影響較小.可以判斷構(gòu)造細(xì)節(jié)的豎向溫差主要取決于細(xì)節(jié)不同位置的豎向距離差.

圖7 鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)溫度時程曲線

2 鋼橋面板溫度變形分析

將考慮鋪裝層下面層施工過程時得到的溫度場邊界條件施加在鋼橋面板力學(xué)模型上，修改模型單元類型為C3D8R實體單元，約束力學(xué)邊界條件，得到鋼橋面板在溫度荷載作用下的整體變形云圖見圖8.由圖8可知，攤鋪區(qū)域鋼橋面板變形較大，由于兩端支座約束了豎向的自由度和一側(cè)的橫向自由度，變形主要呈現(xiàn)為豎向上拱以及橫向和縱向向外側(cè)膨脹的變形，豎向變形占主導(dǎo)地位，同時U肋兩側(cè)變形存在差異，使得U肋在溫度荷載作用下處于扭轉(zhuǎn)的狀態(tài).

圖8 鋼橋面板整體變形云圖

提取鋼橋面板橫向截面和縱向截面在40 min的豎向變形量見圖9.由圖9可知，攤鋪區(qū)域中心位置豎向變形量最大，最大上拱高度為5.8 mm，同時越接近攤鋪中心區(qū)域豎向變形量越大.縱隔板構(gòu)造對豎向變形有一定的限制作用，但僅發(fā)生在小變形階段，隨著變形的增大，縱隔板的限制作用逐漸消失.

圖9 鋼橋面板構(gòu)豎向變形量

提取攤鋪區(qū)域U肋左右兩側(cè)橫隔板-U肋焊縫末端在40 min的變形量及豎向變形量最大點的變形時程見圖10.由圖10a)可知，40 min時橫隔板-U肋焊縫末端最大豎向變形量接近5.2 mm，且由于U肋左右側(cè)與攤鋪中心的距離不同，U肋左側(cè)變形量小于右側(cè)變形量，靠近攤鋪邊緣的U肋左右兩側(cè)豎向變形差最大，達(dá)到0.32 mm.由圖10b)可知，在溫度荷載作用過程中，U肋左右兩側(cè)橫隔板-U肋焊縫的變形差異始終呈現(xiàn)左側(cè)小于右側(cè)的形式，且變形差先增大后減小，在變形量達(dá)到最大值時變形差最大，最大變形差為0.35 mm.

圖10 U肋左右兩側(cè)橫隔板-U肋焊縫末端豎向變形

3 鋼橋面板溫度應(yīng)力分析

3.1 正應(yīng)力分析

提取攤鋪施工開始后40 min時鋼橋面板的應(yīng)力云圖見圖11.由圖11a)可知，溫度荷載作用下，攤鋪區(qū)域橫隔板位置橫向應(yīng)力最大同時弧形缺口左右兩側(cè)存在較大的橫向應(yīng)力差.由圖11b)可知，攤鋪區(qū)域U肋以及板肋左右兩側(cè)弧形缺口位置豎向應(yīng)力較大且應(yīng)力方向相反，同時橫隔板-U肋焊縫處豎向應(yīng)力變化明顯.由圖11c)可知，靠近攤鋪邊界位置頂板縱向應(yīng)力較大，同時以攤鋪邊界為分割線，存在較大的應(yīng)力突變.

圖11 40 min時鋼橋面板應(yīng)力云圖

提取40 min時橫隔板的橫向正應(yīng)力，見圖12.由圖12可知，遠(yuǎn)離攤鋪邊界位置應(yīng)力較小且大部分為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力約10 MPa，靠近攤鋪邊界應(yīng)力逐漸增大，距攤鋪邊界約1.5 m時出現(xiàn)拉應(yīng)力，攤鋪邊界附近應(yīng)力變化較為明顯，靠近攤鋪中心區(qū)域拉應(yīng)力達(dá)到最大，最大拉應(yīng)力為81 MPa，隨后拉應(yīng)力迅速較小.縱隔板、加勁肋附近出現(xiàn)應(yīng)力拐點，但縱隔板和加勁肋對橫隔板橫向應(yīng)力整體走向影響很小.

圖12 橫隔板橫向正應(yīng)力

提取40 min時縱肋左右兩側(cè)弧形缺口應(yīng)力最大點的橫向正應(yīng)力和豎向正應(yīng)力，見圖13.由圖13a)可知，加勁肋左側(cè)弧形缺口橫向正應(yīng)力先呈現(xiàn)為逐漸增大的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為27 MPa，攤鋪邊界附近拉應(yīng)力逐漸減小為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為-32 MPa.加勁肋右側(cè)弧形缺口橫向正應(yīng)力先呈現(xiàn)為逐漸增大的壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為-44 MPa，攤鋪邊界附近壓應(yīng)力逐漸減小為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為141 MPa.由圖13b)可知，縱肋左右兩側(cè)豎向正應(yīng)力基本呈現(xiàn)對稱形式，且發(fā)展趨勢與橫向應(yīng)力相同，最大拉應(yīng)力為148 MPa，最大壓應(yīng)力為-166 MPa.攤鋪區(qū)域縱肋左右兩側(cè)橫向和豎向應(yīng)力方向相反，應(yīng)力差值最大超過310 MPa，考慮到兩個方向正應(yīng)力的相互作用，縱肋處于扭轉(zhuǎn)狀態(tài).

圖13 縱肋兩側(cè)弧形缺口橫向和豎向正應(yīng)力

提取40 min時橫隔板-U肋焊縫上的豎向正應(yīng)力和縱向正應(yīng)力，見圖14.由圖14a)可知，橫隔板-U肋焊縫豎向應(yīng)力關(guān)于焊縫中心反對稱，靠近頂板位置呈現(xiàn)壓應(yīng)力的形式，靠近弧形缺口位置為拉應(yīng)力，最大應(yīng)力差值為98 MPa.由圖14b)可知，縱向應(yīng)力關(guān)于焊縫中心反對稱，上側(cè)受壓下側(cè)受拉，最大應(yīng)力差為97 MPa.考慮到焊縫位置存在大量的殘余應(yīng)力且構(gòu)造復(fù)雜，局部應(yīng)力差可能影響焊縫的正常使用性能.

圖14 橫隔板-U肋焊縫豎向和縱向正應(yīng)力

提取40 min時攤鋪中心區(qū)域橫截面的縱向正應(yīng)力，見圖15.由圖15可知，未攤鋪區(qū)域鋼橋面板橫截面縱向應(yīng)力從零逐漸增大，呈拉應(yīng)力的形式，距離攤鋪邊緣約300 mm拉應(yīng)力達(dá)到最大值，最大拉應(yīng)力為40 MPa，而后應(yīng)力迅速減小，攤鋪邊緣約800 mm出現(xiàn)接近110 MPa的應(yīng)力差，攤鋪區(qū)域應(yīng)力基本呈現(xiàn)壓應(yīng)力的形式，距離攤鋪邊緣約600 mm壓應(yīng)力達(dá)到最大值，最大壓應(yīng)力為68 MPa，隨后壓應(yīng)力逐漸減小.

圖15 頂板橫截面縱向正應(yīng)力

3.2 剪應(yīng)力分析

考慮到橋梁構(gòu)造為密肋型鋼橋面板，溫度荷載作用下頂板位置出現(xiàn)較大的剪應(yīng)力，分別提取支座上方頂板橫截面以及攤鋪邊界附近縱隔板上頂板縱截面在yz面上沿z軸的剪應(yīng)力見圖16.由圖16a)可知，未攤鋪區(qū)域正的剪應(yīng)力先逐漸增大，攤鋪邊緣縱隔板位置剪應(yīng)力達(dá)到最大值，最大剪應(yīng)力為48 MPa，縱隔板正上方應(yīng)力較小，應(yīng)力差為27 MPa，攤鋪區(qū)域應(yīng)力逐漸較小，距離攤鋪邊緣1 500 mm左右出現(xiàn)反向的剪應(yīng)力，隨后剪應(yīng)力逐漸增大，在攤鋪中心附近縱隔板位置出現(xiàn)應(yīng)力突變，應(yīng)力差為53 MPa，縱隔板位置應(yīng)力基本為0，橫截面豎向加勁肋為出現(xiàn)應(yīng)力拐點，但影響很小.由圖16b)可知，攤鋪邊界縱截面剪應(yīng)力基本呈現(xiàn)反對稱趨勢，兩端應(yīng)力最大且存在較大的應(yīng)力突變，橫隔板位置同樣出現(xiàn)應(yīng)力突變，但應(yīng)力差值較小，應(yīng)力整體變化趨勢穩(wěn)定.

圖16 頂板剪應(yīng)力τxz

4 結(jié) 論

1) 橫隔板-U肋焊縫上下緣溫差超過30 ℃，施工過程中焊縫處于上緣受壓下緣受拉的狀態(tài)，需在攤鋪施工結(jié)束后關(guān)注焊縫的使用性能.

2) 溫度荷載作用下，攤鋪區(qū)域鋼橋面板主要呈現(xiàn)豎向上拱的變形形式，U肋兩側(cè)存在接近0.4 mm的豎向變形差，應(yīng)力差值超過310 MPa，U肋處存在扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)隱患.

3) 攤鋪邊緣鋼橋面板溫度變化明顯，應(yīng)力差較大，攤鋪區(qū)域縱隔板位置出現(xiàn)剪應(yīng)力集中，且縱隔板兩側(cè)存在應(yīng)力突變.