RPC-正交异性组合桥面荷载横向分布系数研究

柯红军，马伟

（长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004）

RPC-正交异性组合桥面荷载横向分布系数研究

柯红军，马伟

（长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004）

为研究活性粉末砼（RPC）-正交异性组合桥面在车辆荷载作用下的横向分布系数，以某自锚式悬索桥为工程背景，取两相邻吊杆间部分钢箱梁建立节段局部模型，采用车辆后轴重加载，通过对横桥向单车加载、双车加载和三车加载及不同横向加载位置所对应的不同工况进行分析，得到5cmRPC组合桥面和纯钢桥面、不同RPC厚度两种情况下的荷载横向分布系数。研究结果表明，RPC组合桥面可明显改善荷载横向分布，分布系数比纯钢桥面更均匀，受力更合理；桥面荷载横向分布系数的变化规律与其结构刚度有着紧密关系，随着RPC厚度的增加，组合桥面荷载横向分布系数的变化幅度逐渐减小，RPC厚度建议取50mm。

桥梁；活性粉末砼（RPC）；正交异性板；组合桥面；车辆荷载；横向分布系数

在车辆荷载作用下，桥面直接承受荷载，并将其传递给主梁、支座、桥墩，结构本身受力特性是一个复杂的空间力学问题，从结构内力和变形上对其进行精确分析是困难的，为既简化分析又保证精度，引入荷载横向分布系数的概念，将复杂的空间问题转化成简单的平面问题。国内外学者对桥面荷载横向分布系数进行了大量研究，采用杠杆原理法、偏心压力法、铰接板（梁）法、钢接梁法、比拟正交异性板法、G-M法和弹性支承连续梁法对装配式T梁桥、宽箱梁桥、空心板桥、小箱梁桥、刚架拱桥、板桥和组合梁桥等桥面的荷载横向分布进行分析，取得了相应研究成果。但现有研究基本针对传统的桥梁，很少针对采用新型铺装材料的组合梁桥。倪章军通过考虑工字形钢纵梁与GFRP桥面板共同受力，分析了不同参数对横向分布系数的影响；张铟考虑支撑梁和FRP桥面板的两种组合情况，对比分析了FRP桥面板预应力砼梁桥与砼桥面板预应力砼梁桥、FRP桥面板钢梁桥与砼桥面板钢梁桥的荷载横向分布系数；杨永清采用聚合物改性砼（MPC）加固空心板桥，为得到加固后的横向分布计算方法，对荷载的横向分布系数进行了研究。

当今交通事业飞速发展，钢箱梁结构被越来越多地应用到大跨径桥梁中，不同材料与正交异性板组合结构在车辆荷载下的横向分布系数也是一个值得研究的问题。目前，活性粉末砼（RPC）-正交异性组合桥面的荷载横向分布系数尚未有人研究，该文将对此展开分析。

1　荷载横向分布系数计算原理

在荷载作用下，横桥向各主梁会不同程度地参与受力，并随着荷载作用位置的不同，各主梁承担的荷载也不一样。为得到某根主梁最不利荷载位置下的最大内力，通常的方法是先在横桥向确定荷载最不利位置，然后将荷载在桥纵向移动，找到纵向的最不利位置，计算出最大内力值。该方法的中心思想就是将空间力学问题转化为平面力学问题，即假设一荷载P作用于（x，y）处，某主梁截面处的内力值S按下式计算：

式中：η（x，y）为空间计算中某梁的内力影响面；η1（x）为单位荷载沿横桥向作用不同位置时，某梁的荷载横向分布影响线；η2（y）为单梁在纵桥向某一截面的内力影响线。

2　荷载横向分布系数计算

2.1理论计算模型

钢箱梁不同于普通砼箱梁，其横隔板间距较小，整体构造及力学性能复杂，在车辆荷载作用下，局部受力特征明显。截取具有代表性的两相邻吊杆间距12m的钢箱梁节段，并按对称结构取一半建立有限元模型，其横断面如图1所示，组成构件的几何参数如表1所示。采用有限元软件MIDASFEA进行分析，钢结构部分采用板单元模拟，RPC铺装层采用体单元模拟，顶板与RPC铺装层的接触面完全耦合，全桥共划分为616535个单元、610903个节点。边界条件除底板、底板U肋为固结约束外，其他组成构件切开部位按正对称结构进行约束。有限元模型如图2所示。

图1　1/2钢箱梁横断面图

表1　钢箱梁构件几何参数　mm

图2　钢箱梁有限元模型

2.2荷载工况

根据JTGD64-2015《公路钢结构桥梁设计规范》，桥面加载车辆的主要技术指标如表2所示。考虑到横隔板间距只有3m，而车辆的轴距最小为1.4 m、最大为7m，当某轴轮载作用于跨中位置时，最近的车轴位于桥面板的刚性支承横隔板处，由于车辆荷载作用下刚性支承的局部效应十分显著，横隔板处产生的荷载效应对跨中的影响可忽略不计；当中或后轴两轴对称作用于跨中位置时，荷载效应比单轴作用跨中的结果更不利。因此，在建模加载计算时，考虑最不利荷载的最不利加载位置，采用车辆后轴重力标准值2×140kN在跨中对称加载。车轮着地尺寸为0.6m（宽）×0.2m（长），荷载按均布荷载形式施加。

表2　车辆荷载的主要技术指标

桥面单向三车道，从内往外分别为超车道、重车道和慢车道，车道布置为2×3.75m+3.5m。由图1可知顶板U肋共20根，取从左到右第1-20号U肋，分别计算其在单车加载、双车加载和三车加载下的荷载横向分布系数。单车、双车、三车加载下共计8种工况（如图3所示）：

（1）单车加载。单车加载分3种工况，分别为车辆左后轮中心距超车道外边线0.5m、车辆后轴位于重车道正中间、车辆右后轮中心距慢车道外边线0.5m。记为工况1～3。

（2）双车加载。双车加载分3种工况，第一辆车加载位置同单车加载，第二辆车加载位置分别在第一辆车的右边、左边，车辆距离均为1.3m。记为工况4～6。

（3）三车加载。三车加载分2种工况，第一、二辆车加载位置同双车加载的一、三工况，第三辆车加载位置分别在第二辆车的右边、左边，两相邻车辆间距均为1.3m。记为工况7～8。

图3　荷载工况示意图（单位：m）

2.3分析结果

组合桥面结构在车辆荷载的直接作用下，U肋纵向发生挠曲变形，将车辆沿横桥向不同位置加载，可得到各U肋跨中的挠度影响线，并由式（2）计算跨中的荷载横向分布系数。为揭示RPC-正交异性组合桥面的荷载横向分布规律，通过以下2个参量变化作对比分析：1）纯钢桥面与组合桥面；2）不同RPC厚度的组合桥面。

式中：mk为第k号U肋的荷载横向分布系数；fi为第k号U肋的挠度值；N为横向分布车辆数。

2.3.1纯钢桥面与组合桥面对比分析

无论是正交异性板纯钢桥面，还是RPC-正交异性组合桥面，在车辆轮载作用下都有较明显的局部效应，单个箱室内，U肋在荷载下的挠度随着U肋距车轮的距离增大而减小。由于钢箱梁设有纵隔板，当车轮只作用于纵隔板一侧时，另一侧板和U肋会发生向上的翘曲变形，在计算荷载横向分布系数时不考虑向上变形的U肋参与荷载分布作用，这种情况下计算的U肋内力比实际内力大，在用于指导实践时结果也偏于安全（如图4～11所示）。

图4　工况1下纯钢桥面与组合桥面横向分布系数对比

图5　工况2下纯钢桥面与组合桥面横向分布系数对比

图6　工况3下纯钢桥面与组合桥面横向分布系数对比

图7　工况4下纯钢桥面与组合桥面横向分布系数对比

图8　工况5下纯钢桥面与组合桥面横向分布系数对比

由图4～11可知：纯钢桥面单车加载的工况1 ～3分别出现2个峰值，双车加载的工况4～6分别出现4个峰值，三车加载的工况7～8分别出现6个峰值，各峰值位置即为车轮的加载位置，说明其受力具有明显的局部效应；而增加铺装RPC层后的组合桥面，其分布系数峰值明显消减，车轮作用位置的U肋横向分布系数减小，两相邻车轮之间的U肋横向分布系数增大，尤其在双车加载、三车加载的相邻车辆之间的位置，各U肋横向分布系数非常接近，近似均匀受力，说明桥面结构局部效应减弱，整体受力性能得到加强。

图9　工况6下纯钢桥面与组合桥面横向分布系数对比

图10　工况7下纯钢桥面与组合桥面横向分布系数对比

图11　工况8下纯钢桥面与组合桥面横向分布系数对比

2.3.2不同RPC厚度的组合桥面对比分析

由于钢箱梁顶板厚度小，其在荷载作用下局部变形大，当与弹性模量大、强度高的RPC材料组成组合桥面时，其等效刚度大幅度提高，在轮载作用下的局部效应减弱，局部变形也得到改善（如图12～ 19所示）。

图12　工况1下不同RPC厚度组合桥面横向分布系数

图13　工况2下不同RPC厚度组合桥面横向分布系数

图14　工况3下不同RPC厚度组合桥面横向分布系数

由图12～19可知：随着RPC厚度的增加，组合桥面荷载横向分布系数的变化幅度逐渐减小，桥面协调受力性能增强。从图中波峰、波谷的峰值转换处可以看出，当RPC厚度取40～60mm时，桥面横向分布系数更均匀，结构整体性能更佳。在考虑结构自重及工程经济性因素的前提下，RPC厚度建议取50mm。

图15　工况4下不同RPC厚度组合桥面横向分布系数

图16　工况5下不同RPC厚度组合桥面横向分布系数

图17　工况6下不同RPC厚度组合桥面横向分布系数

图18　工况7下不同RPC厚度组合桥面横向分布系数

图19　工况8下不同RPC厚度组合桥面横向分布系数

3　结论

（1）纯钢桥面的荷载横向分布系数变化幅度大，局部效应明显，相比之下，RPC-正交异性组合桥面的荷载横向分布系数变化相对趋于平缓，说明RPC组合桥面刚度大，能显著改善局部受力，提高整体协调受力性能。

（2）桥面荷载横向分布系数的变化规律与其结构刚度有着紧密关系，随着RPC厚度的增加，结构刚度增大，组合桥面荷载横向分布系数的变化幅度逐渐减小，桥面协调受力性能增强；当RPC厚度取40～60mm时，横向分布系数更均匀，结构整体性能更佳。在考虑结构自重及工程经济性因素的前提下，RPC厚度建议取50mm。

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2016-02-29