低温-重载耦合作用下钢桥面铺装力学特性

彭广银，景晶晶

（1.中设设计集团股份有限公司，江苏南京210043；2.江苏中路工程技术研究院有限公司，江苏南京211100）

低温-重载耦合作用下钢桥面铺装力学特性

彭广银1，景晶晶2

（1.中设设计集团股份有限公司，江苏南京210043；2.江苏中路工程技术研究院有限公司，江苏南京211100）

针对钢桥面环氧沥青混凝土铺装结构，建立正交异性钢桥面铺装三维力学模型，研究低温-重载耦合作用下钢桥面铺装的力学特性，并与不考虑温度作用的结果进行对比分析。结果表明，低温-重载耦合作用下钢桥面铺装拉应力显著增大，最大拉应力可达荷载单独作用的四倍。

钢桥面铺装；环氧沥青混凝土；低温-重载；力学特性

0 引言

在行车荷载、风载和温度变化等因素影响下，钢桥面铺装受力和变形复杂，要求铺装材料具有高黏结性及不透水性。环氧沥青混凝土以其优异的性能广泛应用于国内外钢桥面铺装，然而在实际工程中发现，环氧沥青混凝土应用于钢桥面铺装仍旧存在开裂等病害。环氧沥青混凝土是非均质、温度敏感性材料，其内部包含很多天然微孔隙和微裂缝，在荷载条件和环境温度影响下，其原始缺陷不断发展形成宏观裂缝，从而影响钢桥面铺装的使用性能。

国内对钢桥面铺装热-力耦合方面的研究尚处于起步阶段。张起森等[1,2]采用动态数据采集方法分析了车速和温度对铺装应变的影响，并对几种典型铺装方案的疲劳寿命进行了预测。王汇[3]利用有限元软件对正交异性钢桥面沥青混凝土铺装在连续变温和移动荷载条件下的力学响应进行分析。徐勋倩等[4]基于损伤力学分析了环境温度和循环车辆荷载作用下钢桥面沥青混凝土铺装的疲劳损伤特性，发现考虑环境温度和车辆荷载作用的钢桥面铺装疲劳寿命小于单一车辆荷载作用，差值最大可达44%。李彦春[5]等针对高温、低温，以及不同超载率，研究了钢桥面沥青混凝土铺装层厚度、模量对铺装层表面最大拉应变的影响，发现温度-荷载作用下钢桥面铺装最大拉应变较荷载单独作用显著增大。综合国内钢桥面铺装热-力耦合的研究现状，目前针对钢桥面环氧沥青混凝土铺装在低温-重载耦合作用下力学响应的研究尚少。本文考虑环境温度和车辆荷载条件，研究在低温-重载耦合作用下钢桥面环氧沥青混凝土铺装的力学特性。该研究对钢桥面环氧沥青混凝土铺装设计与裂缝病害防治具有参考价值。

1 钢桥面铺装受力分析模型

1.1 钢桥面铺装有限元模型

选取一块正交异性钢桥面板作为计算模型，如图1所示。钢桥面沿横向取7个梯形加劲肋，沿纵向取3跨，包括4块横隔板[6]，尺寸如表1所列。模型假设钢桥面环氧沥青混凝土铺装连续、均匀、完全弹性、各向同性；正交异性板位移和变形微小；铺装与钢板完全连续，仅存在竖向位移；不计钢板和铺装的自重。

图1 正交异性钢桥面铺装有限元模型

1.2 轮胎模型

以11.00R20-18PR全钢载重子午线轮胎为对象，简化轮毂处尖角及轮胎结构内细长夹角位置，合并材料特性相同和相近部分。使用A u to C A D创建轮胎断面几何模型，导入A ba q u s有限元软件建立轮胎模型。轮胎模型中胎侧、胎冠采用纯橡胶材料。胎体、带束层和胎圈采用橡胶-帘线复合材料。在轮胎气密层内侧以均布荷载的方式施加0.85 MPa压力，模拟轮胎的充气过程。

表1 钢桥面铺装模型几何及材料参数表

对比轮胎模型充气过程模拟结果与实测结果[7,8]发现，轮胎充气后，轮胎外直径计算值为1 060 mm，与实测值相差0.71%；断面宽度计算值为279 mm，与实测值相差3.72%；断面高度计算值为273 mm，与实测值相差1.11%。模拟结果与实测结果中轮胎轮廓尺寸变化不大，偏差在允许误差范围内。因此，本文建立的轮胎模型能真实地反映轮胎实际状态，满足研究需要。

1.3 最不利荷载位置

研究[9,10]表明，双轮荷载中一轮位于U型加劲肋中心位置时，钢桥面铺装拉应力及钢桥面板与铺装界面纵、横向剪应力最大。因此，后续计算均按照此荷位进行加载，如图2所示。

2 钢桥面铺装温度场模拟

2.1 钢桥面铺装温度场

图2 最不利荷载位置图

以长江中下游地区的南京作为代表，利用南京信息工程大学天气在线查询系统调查其典型冬季低温气候。采用A ba q u s有限元软件计算冬季低温条件下钢桥面环氧沥青混凝土铺装温度场，结果见图3所示。钢桥面环氧沥青混凝土铺装热物性参数[11,12]见表2所列。相对钢桥面铺装表层，铺装底层温度变化较小，变化相位滞后。冬季低温条件下，铺装表层最高温度出现在14:00左右，铺装底层最高温度约滞后1 h出现。铺装底层最低温度大约出现在6:00。此外，铺装温度变化速率随着铺装深度的增大而减小，上午铺装温度上升速率大于下午铺装降温速率，最大升温速率出现在9:00～10:00，最大降温速率出现在15:00～16:00，由于沥青材料的温缩性能，在该时间段钢桥面铺装容易发生开裂。

图3 钢桥面铺装温度应力随时间变化曲线图

2.2 钢桥面铺装温度应力

本节考虑降温条件下钢桥面铺装的温度应力，如图3所示。随着温度的降低，钢桥面铺装的温度应力不断增大，表现为受拉状态，且同一时刻降温产生的横向拉应力与纵向拉应力相差不大。

表2 钢桥面铺装热物性参数表

3 低温-重载耦合作用下钢桥面铺装力学响应

考虑低温-重载耦合作用下钢桥面铺装的力学响应时，应选取钢桥面铺装受力的最不利情况。荷载施加方式如图4所示，荷载从两横隔板中心处（位置1）开始匀速移动，跨过一个横隔板（位置2）至另两个横隔板中心（位置3）结束。由前文可知，在24:00时钢桥面铺装温度应力达到最大。故而将24:00温度场与重载作用耦合，计算150 k N、200 k N、250 k N、300 k N、350 k N五种重轴载作用下的钢桥面铺装力学响应，结果见图5、图6所示。

图4 荷载加载方式图示

图5 钢桥面铺装最大横向拉应力曲线图

图6 钢桥面铺装最大纵向拉应力曲线图

由图5可知，钢桥面铺装横向拉应力随着轴载的增大而增大。轴载从位置1运动到位置2的过程中，钢桥面铺装横向拉应力先减小再增大，最大横向拉应力出现在位置1和位置2，说明两横隔板中间和横隔板上方的钢桥面铺装在低温-重载作用下承受较大的横向拉应力，容易产生纵向裂缝。由图6可知，钢桥面铺装纵向拉应力随着轴载的增大而增大。轴载从位置1运动到位置2的过程中，钢桥面铺装纵向拉应力先缓慢增加再迅速降低，这是由于横隔板限制其附近钢桥面铺装的变形，从而减小了横隔板附近的纵向拉应力。最大纵向拉应力出现在位置2附近，说明该位置更容易产生横向裂缝。对比图5、图6可知，低温-重载耦合作用下钢桥面铺装纵向拉应力总是大于横向拉应力，因此低温-重载耦合作用下钢桥面铺装拉应力控制指标应为纵向拉应力。图7表示低温-重载耦合作用下与重载单独作用下的钢桥面铺装拉应力与轴载的关系。由图7可知，低温-重载耦合作用下钢桥面铺装纵向拉应力约为重载单独作用的140%～200%，横向拉应力约为重载单独作用的250%～400%。结果表明在钢桥面铺装设计中考虑低温-重载耦合作用更为安全。

图7 钢桥面铺装表面最大拉应力曲线图（1：荷载；2：温度-荷载）

4 结论

本文针对钢桥面环氧沥青混凝土铺装结构，建立正交异性钢桥面铺装受力分析模型，模拟钢桥面铺装温度场，考虑低温条件与重载条件耦合作用，研究钢桥面铺装的力学响应，主要结论如下：

（1）相对于钢桥面铺装表层，铺装底层温差变化较小，变化相位滞后，铺装层温度变化速率随着铺装深度的增大而减小。

（2）钢桥面铺装在降温条件下表现为受拉状态，同一时刻产生的横向拉应力与纵向拉应力相差不大。

（3）钢桥面铺装拉应力随着轴载的增大而增大。低温-重载耦合作用下钢桥面铺装纵向拉应力总是大于横向拉应力，因此钢桥面铺装拉应力控制指标应为纵向拉应力。

（4）低温-重载耦合作用下钢桥面铺装纵向拉应力约为重载单独作用的140%～200%，横向拉应力约为重载单独作用的250%～400%，因此，在钢桥面铺装设计中考虑温度和重载的耦合作用更为安全。

[1]张起森,李宇峙,邵腊根,等.厦门沧海大桥桥面沥青铺装层直道疲劳试验研究[J].中国公路学报,2001,14(1):60-65,72.

[2]邵腊庚,张起森,李宇峙,吴军.直道钢桥面沥青铺装层动应变测试与分析[J].公路,2001,(1):63-65.

[3]王汇.重载与温度耦合作用下钢桥面铺装复合结构性能研究[D].南京:东南大学,2012.

[4]徐勋倩,张晨,孙科祥.钢桥面铺装在行车荷载与环境温度共同作用下疲劳损伤分析[J].工程力学,2010,27(11):76-81.

[5]李艳春,张静.温度-荷载耦合作用对钢桥面铺装层力学特性的影响[J].武汉理工大学学报,2013,35(11):98-102.

[6]钱振东,罗剑,敬淼淼.沥青混凝土钢桥面铺装方案受力分析[J].中国公路学报,2005,18(2):61-64.

[7]景立新.全钢载重子午线轮胎特性有限元分析及验证[D].吉林:吉林大学,2007.

[8]李炜.子午线轮胎结构有限元分析和设计原理的若干问题研究[D].合肥:中国科学技术大学，2003.

[9]罗剑.钢混结构混合桥桥面铺装体系受力分析——桃夭门大桥钢桥面铺装力学分析[D].南京:东南大学,2004.

[10]刘振清.大跨径钢桥面铺装设计关键技术研究[D].南京:东南大学,2004.

[11]章熙民,任泽霈,梅飞鸣.传热学（第五版）[M].北京:科学出版社, 2005.

[12]闵朝辉,黄卫,王晓.环氧沥青混凝土钢桥面铺装层温度应力研究[J].公路交通科技,2003,20(4):12-15.

U441+.5

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1009-7716（2017）06-0258-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.076

2017-02-28

彭广银（1985-），男，江苏淮安人，硕士研究生，工程师，副主任工程师，从事道路工程总体、路线及立交设计工作。