基于MIDAS分析不同交通荷载作用下钢桥面桥面系最不利状态截断面研究

聂 文

(广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司，广东 广州 510000)

0 绪 论

钢桥面铺装体系由正交异性钢桥面系和铺装层组成。由于钢桥面铺装层直接铺设在正交异性板上，而正交异性钢桥面板柔度大，在移动车辆荷载的影响下，钢桥受力复杂，受力比一般的带基层路面铺装复杂。早期对钢桥铺装的研究主要集中在铺装材料特性方面，对钢桥结构的正交异性对铺装层受力性能的影响缺乏深入研究。近年来，逐渐关注正交异性钢桥面系结构参数的变化对铺装层受力性能的重要影响，在研究铺装层时，综合桥面系统、铺装层材料以及铺装结构设计为一体，逐渐为学术界和工程界重视。钢桥面铺装层由于受到加劲肋的加劲支撑作用，在车辆荷载作用下，负弯矩较容易出现在桥梁桥面系的加劲肋、横肋(横隔板)和桥面系的纵隔板的顶部位置的沥青混凝土铺装层结构中，在负弯矩下桥面系铺装层的最大拉应变通常都会表现在桥面铺装结构的表面位置，如果出现桥面铺装层采用的铺装材料的极限抗拉强度表现的不足的情况，桥面铺装层表面的拉应变会导致桥面铺装层材料发生破坏，在铺装表面会出现裂缝。因此，在进行铺装层的计算分析时就必须将铺装层与钢桥面板结合起来考虑。

1 分析方法

本课题研究以虎门二桥为背景，利用Midas分析不同交通荷载作用下桥面系最不利状态截段，为虎门二桥钢桥面铺装结构体系设计提供科学的理论依据。

2 结构建模及计算参数

作为珠三角的地标建筑和重要通道，虎门二桥的建设质量对粤港澳湾区经济、政治和社会影响具有重要的意义，目前我国钢桥面铺装技术整体上处于探索和发展阶段，鉴于虎门二桥的交通量和地理位置的重要性，采用现有技术实施虎门二桥存在一定的风险。为提高虎门二桥钢桥面铺装的可靠性和耐久性，根据虎门二桥实际施工过程及未来运营的实际情况，在荷载变化和外部环境作用下，进行虎门二桥桥面的力学分析。通过关键问题的研究成果，为虎门二桥实际施工过程提供更为可靠的依据和措施，保证桥面质量。

虎门二桥过江通道工程包括两座大跨径悬索桥，分别是：坭洲水道桥的双塔双跨悬索桥跨径布置为658+1 688+522 m(钢箱梁长度为548+1 688 m)、大沙水道桥双塔单跨悬索桥跨径布置为360+1 200+480 m(钢箱梁长度为1 200 m)，如图1所示，标准横断面图见图2。

图1 桥型布置

图2 虎门二桥标准横断面图

3 坭州水道桥双塔双跨悬索桥计算结果分析

悬索桥为缆索支撑桥梁，其结构体系可分为四种主要构件：(1)具有桥面的加劲梁；(2)支撑加劲梁的缆索体系；(3)支撑缆索体系的索塔；(4)竖向和水平支撑缆索体系的锚碇。

悬索桥结构为多次超静定，高度非线性结构，分析计算非常复杂，一般要借助计算机进行分析。桥梁结构设计中一般把悬索桥简化为空间杆系结构进行桥梁结构整体性计算，基本可以满足工程设计需要，这样处理结构模型较简单，便于结构的优化设计及提高计算效率。沥青混凝土弹性模量约为水泥混凝土的1/20，而且桥面铺装层一般较薄(约为50～80 mm)，而一般混凝土桥面板厚度在200 mm以上，在桥梁整体结构力学分析中，不计入铺装层结构刚度。根据坭洲水道桥设计图纸，利用Midas建立模型如图3所示，其中吊杆与主缆采用只受拉结构单元，加劲梁、主塔以及主塔横梁采用梁单元，吊杆与主缆内部基于大位移与小位移的初始内力利用Midas悬索桥建模助手内部计算程序计算获得，全模型节点共895个，单元共896个(其中只受拉单元698个，普通梁单元198个)，固定支承8个，刚性连接173个。主缆、吊杆、加劲梁以及塔墩材料参数如表1所示。坭州悬索桥吊索编号如图4所示。

表1 模型材料参数

图3 坭州悬索桥有限元模型

图4 坭州悬索桥吊索编号

按照《公路桥涵设计通用规范》，采用双向8车道布置汽车—超20级车队，汽车荷载的横向布置如图5所示，纵向布置如图6所示。计算该工况下桥梁的受力状态，分析桥面板的轴向应变。

图5 对称荷载横向布置图

图6 对称荷载纵向布置图

图7 位移变形包络图

由图3～图5位移变形包络图可以看出，位移形变最大的点位于主桥39号索下，39号索附近的37、38、39、40以及41号索下的关键截面位移如表2所示。39号索附近的37、38、39、40以及41号索下节点的内力和应力情况如表3所示。由表可知，挠曲线的主跨跨中最大值挠度为471.791 cm。

表2 关键截面位移

图8 弯矩包络图

图9 扭矩包络图

图10 轴力包络图

图11 剪力包络图

车道荷载作用下的内力分布和变形如图2-图8～2-11，关键截面内力如表3所示。分析沿顺桥方向的平面弯矩、扭矩、轴力及剪力分布情况，如图2-8～2-11可知，在车队荷载作用下，弯矩、轴力及剪力峰值出现在桥塔根部的桥面板处，而扭矩沿顺桥方向分布均匀，这表明了坭州悬索桥在偏载车队荷载下桥塔根部处的桥面板为最不利位置。

表3 关键截面内力

4 结 语

基于虎门二桥钢桥结构形式，利用Midas分析不同交通荷载作用下桥面系最不利状态截段，得到以下结论。

(1)由位移变形包络图可以看出，位移形变最大的点位于主桥39号索下，39号索附近的37、38、39、40以及41号索下节点的挠曲线的主跨跨中最大值挠度为471.791 cm。

(2)在车队荷载作用下，弯矩、轴力及剪力峰值出现在桥塔根部的桥面板处，而扭矩沿顺桥方向分布均匀，这表明了坭州悬索桥的在偏载车队荷载下桥塔根部处的桥面板为最不利位置。