預制小箱梁頂板預埋鋼筋對橋面鋪裝層受力影響分析

代勤杰,劉羽翼

(1．武義縣建筑工程質量監督站,浙江武義 321200; 2．西南交通大學土木工程學院,四川成都 610031)

0 引言

橋面鋪裝層作為保護層,直接承受各種車輛荷載以及環境因素作用,一方面可分散橋面板受到的車輛荷載,另一方面可連接各主梁共同受力[1-3]。近年來,隨著交通量的增加與軸載的增大,一些混凝土橋的鋪裝層出現了大量的病害,導致鋪裝層發生壅包、車轍、脫落、橋面板與鋪裝層間滑移等破損,不僅嚴重阻礙了交通、縮短了橋梁的使用壽命,而且帶來了不可估量的經濟損失。

目前,國內外對混凝土橋面瀝青鋪裝層的研究主要停留在施工及鋪裝材料的改性方面,不論是材料設計、結構組合、整體設計和運營養護都未形成一個類似于瀝青路面設計的完整體系。但隨著計算機的發展以及有限元理論在道路、橋梁領域的應用,可以更多地從橋梁結構設計的層面分析影響鋪裝層受力的因素。通過建模計算分析,可研究橋梁上部各結構對橋面鋪裝層受力的影響,從而優化橋面鋪裝層的設計[4-9]。

本文以實際工程為研究背景,借助ANSYS通用有限元軟件,建立了單跨簡支箱梁橋的計算分析模型。通過改變鋪裝層與橋面板之間的摩擦系數,模擬不同的鋪裝層與橋面板的層間結合能力。在自重、車輛軸載和制動力作用下,通過對比頂板設置預埋鋼筋與不設置預埋鋼筋的2種情況,研究了預制小箱梁頂板預埋鋼筋對橋面鋪裝層受力的影響。

1 工程概況

本研究依托成都市益州大道南延線工程團壩子大橋。團壩子大橋是孔跨布置為28×35 m的多跨簡支箱梁橋,道路全寬60 m,分四幅修建,每幅橋橋墩均采用雙柱墩。取中間一幅為對象該幅跨中截面構造如圖1所示,橋面寬17.05 m,主道橋濕接縫寬為0.62 m。上部結構為裝配式預應力混凝土簡支小箱梁,小箱梁使用C50混凝土,梁高1.8 m,邊梁寬2.575 m,中梁寬2.2 m,采用了先張法進行預應力張拉,其配筋如圖2所示。

圖1 跨中橫截面(單位:mm)

圖2 預埋鋼筋構造(單位:mm)

裝配式預應力混凝土小箱梁橋面采用 10 cm厚的C50混凝土現澆層+橋梁專用防水層+10 cm瀝青混凝土鋪裝層。橋面防水層采用2 mm厚聚合物改性瀝青防水涂料。預制梁混凝土經過鑿毛處理,鑿毛方法為在梁頂板混凝土表層鑿去5～10 mm,使施工面粘結更為牢固。橋面防水層與橋面現澆層及瀝青混凝土鋪裝層間的粘結強度和剪切強度大于1 MPa。

針對一般預制小型箱梁頂板與橋面的連接問題,在設計上通常采取將頂板預埋鋼筋預埋在梁板頂面,外露預制梁頂板5 cm的方法,同時也解決了控制保護層厚度和橋面鋼筋網鉸接等問題。但預埋鋼筋的露出部分,因其“[”的形狀,時常導致鉤鞋、鉤褲腳或絆倒人等嚴重的安全問題[10]。因此,在本次施工過程中對箱梁頂板預埋鋼筋作了扳倒處理,見圖3。頂板預埋鋼筋作為箱梁頂板設計的一部分,在完成其自身功能的同時,是否還對橋面鋪裝層的受力產生影響是本文關注的問題。

圖3 梁頂預埋鋼筋扳倒處理

2 有限元模型

2.1 模型基本假定

選取團壩子大橋兩高墩之間的橋跨作為分析對象,取半結構(含3片箱梁)作為模型基礎進行分析。采用ANSYS有限元分析軟件,建立跨徑34.84 m、橋面寬8.59 m、鋪裝層厚10 cm的預應力簡支箱梁橋空間有限元模型。橋梁上部結構有限元模型見圖4,中梁及邊梁立面圖見圖5、圖6。為更加有效地將模型應用于橋面鋪裝層的力學分析,對模型的結構特征和材料特性做假定:

圖4 有限元模型

圖5 中梁立面(單位:mm)

圖6 邊梁立面(單位:mm)

(1)僅考慮橋梁上部結構的計算,不考慮橋梁下部結構的變形。

(2)各結構層材料為均勻連續、各向同性的彈性材料。

(3)鋪裝層與橋面板層間完全連續接觸。

(4)不計橋梁結構自重和混凝土開裂影響。

2.2 材料參數

本模型中,瀝青混凝土鋪裝層、箱梁、橫隔板均采用SOLID65實體單元模擬。其中,3片箱梁及橫隔板采用C50混凝土,彈性模量取34.5 GPa,泊松比取0.2;瀝青混凝土鋪裝層采用C30混凝土,彈性模量取30.0 GPa,泊松比均取0.2。小箱梁頂板中的預埋鋼筋采用COMBIN14單元模擬,所用鋼筋型號為HRB400,直徑為φ8 mm,彈性模量取2×105MPa,泊松比取0.3。

2.3 接觸和邊界條件模擬

橋面鋪裝層與主梁頂面采用全接觸模擬。根據ANSYS軟件接觸分析中,目標面和接觸面選擇的基本原則,選取強度等級較低的鋪裝層作為接觸面,采用CONTA174單元進行模擬;選取強度等級較高的箱梁頂面作為目標面,采用TARGE170單元進行模擬[11]。邊界條件考慮為簡支。

2.4 計算荷載

本次分析考慮2種荷載工況。荷載工況一:主力;荷載工況二:主力+附加力。主力包括梁體自重及車輛靜活載;附加力僅考慮制動力的影響(因制動力沿縱橋向水平作用在鋪裝層上,對層間相互作用具有影響)。其中,梁體混凝土容重為25 kN/m3;該橋段汽車活載設置為公路—Ⅰ級,對應為一輛總重550 kN的標準車,車輛荷載的作用位置縱橋向按跨中最大彎矩原則布置,橫橋向沿橋梁中心線對稱布置,其軸重分布及各車輪的軸距如圖7、圖8所示。

圖7 軸重布置(單位:kN)

圖8 車輪軸距(單位:m)

制動力取為165 kN。并按照前、中、后軸重力標準值的比例將制動力分配給前、后、中輪,制動力方向與行車方向一致。制動力荷載布置情況如圖9所示。

圖9 制動力分布圖(單位:kN)

3 理想狀態下橋面鋪裝力學性能

3.1 主力作用

理想狀態是指,鋪裝層與橋面板采用完全粘結的形式(即在ANSYS模型中兩者接觸面不考慮接觸分析),兩者共同承受車輛軸載帶來的作用,不產生相對滑移,且頂板設置預埋鋼筋。圖10為僅在主力作用下的計算結果,由圖10可知:鋪裝層內各應力的最大值均出現在車輛車輪作用位置。在車輛軸載作用下,34.84 m預制小箱梁橋的第一主應力(σ1)最大值為0.564 MPa,出現在車輛中輪處,考慮橋梁跨中設置有橫隔板,減弱了車輛軸載產生的影響,所以其最大值并未出現在更重的后輪處;第三主應力(σ3)最大值為0.847 MPa,出現在車輛的后輪位置;橫橋向正應力(σx)最大為0.583 MPa;橫橋向剪應力(τxy)為0.128 MPa;順橋向剪應力(τyz)最大值為0.205 MPa;橋面板與鋪裝層間剪應力(τxz)最大值為0.314 MPa。

圖10 主力作用下層間應力分布

3.2 主力+附加力作用

同為理想狀態,在主力+附加力作用下鋪裝層的各類應力云圖見圖11。由圖11可以看出:第一主應力(σ1)最大值為0.642 MPa,也出現在車輛中輪處;第三主應力(σ3)最大值為0.853 MPa,出現在車輛的后輪位置;橫橋向正應力(σx)最大值為0.609 MPa;橫橋向剪應力(τxy)為0.118 MPa;順橋向剪應力(τyz)最大值為0.229 MPa;橋面板與鋪裝層間剪應力最大值為(τxz)為0.335 MPa。

圖11 主力+附加力作用下層間應力分布

4 不同粘結狀態下橋面鋪裝受力對比

通過改變鋪裝層與橋面板之間的摩擦系數,模擬不同的鋪裝層與橋面板的層間結合能力,即不同的粘結狀態。對比不同粘結狀態以及是否設有頂板預埋鋼筋的各類工況下,橋面鋪裝層的各應力最大值,分析預制小箱梁頂板預埋鋼筋對橋面鋪裝層受力的影響。由表1可以看出,在車輛軸載作用下,無預埋鋼筋且拉毛質量“較好”(摩擦系數μ取1.0)與有預埋鋼筋拉毛質量“一般”(摩擦系數μ取0.5)2種情況相比,2種工況下各類應力相差均在0.1 MPa以內,且有預埋鋼筋時,橋面鋪裝層的各類應力均稍大于無預埋鋼筋。其中,兩者的第一主應力相差最大,差值為0.9 MPa。無預埋鋼筋且拉毛質量“一般”(摩擦系數μ取0.5)與有預埋鋼筋拉毛質量“一般”(摩擦系數μ取0.5)2種情況在車輛荷載作用下,兩者各類應力差值均在0.2 MPa以內,相差甚微。后者各類應力稍大于前者,其中差值最大的為第三主應力,差值為0.16 MPa。由此可以看出,在車輛軸載作用下,頂板預埋鋼筋對橋面鋪裝層的影響不大,且有預埋鋼筋會略微增大橋面鋪裝層的受力,增幅在0.01～0.2 MPa之間,可忽略不計。

表1 不同粘結狀態下橋梁鋪裝受力對比(主力作用) 單位：MPa

表2為制動力作用下,在不同粘結狀態以及是否設有頂板預埋鋼筋的各類工況下,橋面鋪裝層的各應力狀態。由表中數據可以看出,無預埋鋼筋且拉毛質量“較好”(摩擦系數μ取1.0)與有預埋鋼筋拉毛質量“一般”(摩擦系數μ取0.5)2種情況相比,橋面鋪裝層各類應力的差值同樣是在0.1 MPa以內,且均為前者稍大于后者。其中,兩者的第三主應力相差最大,差值為0.085 MPa。無預埋鋼筋且拉毛質量“一般”(摩擦系數μ取0.5)與有預埋鋼筋拉毛質量“一般”(摩擦系數μ取0.5)2種情況相比,兩者橋面鋪裝層的各類主應力差值均在0.3 MPa以內,差值稍大于表1中在車輛軸載下兩者的差值。其中差值最大的為第三主應力,數值為0.163 MPa,且均為后者大于前者。由此可見,在制動力作用下的情況與在車輛軸載單獨作用下的情況類似,頂板預埋鋼筋對橋面鋪裝層的影響不大,預埋鋼筋會略微增大橋面鋪裝層的受力,增幅在0.02～0.3 MPa之間。

表2 不同粘結狀態下橋梁鋪裝受力對比(主力+附加力作用) 單位：MPa

5 結束語

通過計算分析的結果可得出結論:

(1)在車輛軸載作用下,箱梁頂板設置預埋鋼筋相對于不設置預埋鋼筋而言,橋面鋪裝層的各類應力稍大于后者,但兩者的差值較小,差值范圍為0.01～0.2 MPa。即在車輛軸載作用下,預制小箱梁頂板預埋鋼筋對橋面鋪裝層的受力影響不大。

(2)在制動力作用下,箱梁頂板設置預埋鋼筋時,橋面鋪裝層的各類應力稍大于不設置預埋鋼筋的情況。對比兩種情況下橋面鋪裝層的各類應力,兩者的差值較小,差值在0.02～0.3 MPa之間。頂板預埋鋼筋在制動力作用下,對橋面鋪裝層的受力影響不大。

預制小箱梁預埋鋼筋對橋面鋪裝層的受力影響十分微小,因此在對鋪裝層出現破損問題時,可忽略預埋鋼筋造成的影響。在以后的研究中可以考慮橋面鋪裝層的厚度、兩結構層所使用的材料種類、橋梁結構類型等因素的影響,以優化簡支梁橋混凝土橋面鋪裝層的設計。