近年来, 我国高速公路建设快速发展, 交通量迅猛增长, 桥梁经受的冲击力、动荷强度和疲劳作用不断提高, 导致高速公路沿线很多桥梁的桥面铺装层出现车辙、推移、开裂、坑洞等破坏现象。
对于桥面铺装破坏后影响桥面美观, 易发生交通事故, 维修也常使交通中断或不畅, 极大的影响桥梁的运营和安全。虽然桥面铺装破坏的原因是多方面和综合性的, 但目前在桥面铺装的破坏机理和设计理论方面一般没有专门的计算分析, 而是将铺装作为荷载直接加到结构上, 没有考虑铺装层后期与梁体结合为整体共同参与受力[1,6]。通过选取不同的铺装层施工顺序, 分析其在不同施工顺序下对自身应力的影响情况, 提出铺装层的合理施工顺序。
1 铺装层及其温度场的选取
其中温度作用包括均匀温度和梯度温度[2], 本文为了分析水泥混凝土桥面铺装的不同施工顺序对铺装层的力学影响, 且易于分析比较, 选取了统一的铺装层厚度和统一的温度场模型。
1.1 铺装层厚度的选取
根据《公路桥涵设计通用规范 (J T G D60-2004) 》[4]规定, 水泥混凝土铺装层厚度最小为80mm, 并且不宜大于120mm, 因此, 在本文中铺装层厚度选择1 0 0 m m进行分析。
1.2 结构温度场的选取
由于桥面铺装层的存在, 可以有效地降低梯度温度, 从而减小温差应力[3]。计算桥梁结构引起的温度效应时, 非线性升温采用《JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范》[4]中规定的竖向温度梯度曲线。
因为本文铺装层采用的是100mm厚的水泥混凝土铺装层, 根据竖向日照正温差计算的温度基数表 (表1) , 温度场选取第一种模式, 温度曲线见图1。
在温度场选取时, 本文的全部模型选取了整体升温20℃, 整体降温20℃, 局部升温和局部降温四种温度场, 局部升温模型见图1, 局部降温计算温度变化值取局部升温时的一半。
2 有限元模型分析
2.1 需建立的模型
为了模型计算具有一般规律性, 选用工程实践中常用的几种结构形式进行分析[3]。
1.3×30T形梁桥 (先简支后连续) ;
(单位:m m)
2.4×40T形梁桥 (先简支后连续) 。
2.2模型分析
(1) 桥梁形式一。
3×30T形梁桥 (先简支后连续) 。
(1) 桥梁结构形式。
根据计算的需要, 利用GQJS9.7建立有限元模型 (图2) 所示。
主梁所用材料:C50;
铺装所用材料:C45;
主梁选用截面形式 (图3) 。
(2) 铺装层不同施工顺序分析计算。
为了分析铺装层的不同施工顺序对铺装层上缘应力的影响情况, 选取铺装层的不同施工顺序[5]共8种予以计算分析, 铺装层的8种施工顺序 (图4, 其中三跨梁体上标注的1、2、3为铺装层的浇筑次序) 。
经模型计算, 铺装层上缘在跨中截面和墩顶截面应力值如表2所示。
根据以上的计算分析, 得铺装层在不同的施工顺序下的铺装层上缘的应力变化曲线, 如图5、图6所示。
在现在的设计中多将铺装层作为荷载加在桥跨结构上, 通过计算使梁体的应力满足要求, 因此这里不考虑梁体的应力情况, 只分析铺装层上缘的应力情况。
由表2的数据可见, 对于三跨简支边连续梁桥, 在8种不同铺装层施工顺序下, 对于墩顶处铺装层上缘的应力在8种顺序下的应力变化曲线一致, 相差甚小, 并且在施工顺序5的状态下铺装层上缘的最小应力最大, 施工顺序3的状态下铺装层上缘的最小应力最小, 状态5与状态3相比应力增大幅度约为70% (见图5) 。
对于跨中铺装层上缘的应力, 第一跨跨中和第三跨跨中在施工顺序5的状态下应力水平相对于其他的施工顺序下均较高, 而对于第二跨跨中铺装层上缘应力较小, 但应力亦大于零, 因此不必担心铺装层的开裂。
通过以上分析得知, 铺装层最易出现开裂现象的墩顶负弯矩处在顺序5的状态下应力水平最高, 即施工顺序5为铺装层的最佳施工顺序。
(2) 桥梁形式二。
4×40T形梁桥 (先简支后连续) 。
(1) 桥梁结构形式。
根据计算需要, 利用GQJS9.7建立有限元模型。
主梁所用材料:C50;
铺装所用材料:C45;
主梁选用截面形式与3×30T形梁桥相同。
(2) 铺装层不同施工顺序分析计算。
为了使得出的结论更具有普遍性, 现在选取4×40m的简支边连续梁桥进行分析, 采用上述三跨T形梁桥分析方法。同样选取铺装层的不同施工顺序共8种予以计算分析, 铺装层的8种施工顺序 (图7, 其中三跨梁体上标注的1、2、3为铺装层的浇筑次序) 。
经模型计算, 铺装层上缘在跨中截面和墩顶截面应力值如下表所示:2、3处铺装层上缘的应力在8中顺序下的应力变化曲线一致, 并且在施工顺序5的状态下铺装层上缘的最小应力最大, 施工顺序1的状态下铺装层上缘的最小应力最小, 状态5与状态1相比应力增大幅度约为220% (图7) , 有此可见由于铺装层的不同施工顺序而造成的铺装层上缘应力的变化是很显著的。
对于跨中铺装层上缘的应力, 第一跨跨中与第四跨跨中的铺装层上缘的应力变化曲线相一致, 第二跨与第三跨应力变化曲线相一致, 并且两边跨跨中的铺装层上缘的应力大于中间两跨跨中的应力。
通过以上分析得知, 铺装层最易出现开裂现象的墩顶处在顺序5的状态下应力水平最高, 并且铺装层的不同施工顺序造成的铺装层上缘的应力变化很大, 施工顺序5为铺装层的最佳施工顺序。
如表3, 图8、9所示。
3 结语
经过对上述典型桥型、典型桥跨在铺装层的不同施工顺序下的计算分析, 由铺装层上缘应力变化的情况可见。
(1) 在桥梁设计时应对桥面铺装进行分析计算, 通过计算, 对桥面铺装的特殊部位, 尤其是负弯矩区段铺装以特殊的处理, 确保铺装层上缘的应力情况能够满足要求。
(2) 常规的铺装层施工方法下, 铺装层上缘的应力情况并不是最佳的, 施工顺序5 (先施工中跨的桥面铺装, 在施工边跨的桥面铺装, 最后施工墩顶的桥面铺装) 才是最佳的铺装层施工顺序。
铺装层上缘应力随铺装层的不同施工顺序的变化幅度不容忽视、部分相对值变化很大, 最佳状态与常规时相比, 铺装层上缘应力增大幅度竟达到220%。
(3) 综合分析, 从上述的分析看出, 铺装层的施工顺序对其上缘的应力影响是不容忽视的, 但影响的程度与具体桥梁的设计情况和铺装层的不同区段的施工长度密切相关, 还要视具体情况作详细分析。
摘要：首先介绍了桥面铺装存在的主要病害及其重要性, 鉴于目前桥梁桥面铺装的施工多采用一次性铺设的施工方法, 而对桥面铺装在不同施工顺序下对自身产生的影响却比较缺乏, 作者通过选取不同跨径, 不同跨数的桥梁对桥面铺装层的施工顺序进行有限元模拟分析, 并对铺装层上缘应力变化进行对比, 得出桥面铺装层的不同施工顺序对铺装层应力的影响规律, 得到合理的铺装层施工顺序。
关键词：桥面铺装,施工顺序,有限元,应力
参考文献
[1] 谭茶生, 曾庆敦.公路桥桥面铺装受力分析与力学特性研究进展[J].中外公路, 2006, 8.
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[3] 魏光坪.单室预应力混凝土箱梁温度场及温度应力研究[J].西南交通大学学报, 1989 (4) :90297.
[4] JTG D 60-2004, 公路桥涵设计通用规范[S].
[5] 韩献忠浅谈负弯矩砼桥面铺装施工技术[J].科技信息, 2008.
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