预制小箱梁顶板预埋钢筋对桥面铺装层受力影响分析

代勤杰,刘羽翼

(1．武义县建筑工程质量监督站,浙江武义 321200; 2．西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031)

0 引言

桥面铺装层作为保护层,直接承受各种车辆荷载以及环境因素作用,一方面可分散桥面板受到的车辆荷载,另一方面可连接各主梁共同受力[1-3]。近年来,随着交通量的增加与轴载的增大,一些混凝土桥的铺装层出现了大量的病害,导致铺装层发生壅包、车辙、脱落、桥面板与铺装层间滑移等破损,不仅严重阻碍了交通、缩短了桥梁的使用寿命,而且带来了不可估量的经济损失。

目前,国内外对混凝土桥面沥青铺装层的研究主要停留在施工及铺装材料的改性方面,不论是材料设计、结构组合、整体设计和运营养护都未形成一个类似于沥青路面设计的完整体系。但随着计算机的发展以及有限元理论在道路、桥梁领域的应用,可以更多地从桥梁结构设计的层面分析影响铺装层受力的因素。通过建模计算分析,可研究桥梁上部各结构对桥面铺装层受力的影响,从而优化桥面铺装层的设计[4-9]。

本文以实际工程为研究背景,借助ANSYS通用有限元软件,建立了单跨简支箱梁桥的计算分析模型。通过改变铺装层与桥面板之间的摩擦系数,模拟不同的铺装层与桥面板的层间结合能力。在自重、车辆轴载和制动力作用下,通过对比顶板设置预埋钢筋与不设置预埋钢筋的2种情况,研究了预制小箱梁顶板预埋钢筋对桥面铺装层受力的影响。

1 工程概况

本研究依托成都市益州大道南延线工程团坝子大桥。团坝子大桥是孔跨布置为28×35 m的多跨简支箱梁桥,道路全宽60 m,分四幅修建,每幅桥桥墩均采用双柱墩。取中间一幅为对象该幅跨中截面构造如图1所示,桥面宽17.05 m,主道桥湿接缝宽为0.62 m。上部结构为装配式预应力混凝土简支小箱梁,小箱梁使用C50混凝土,梁高1.8 m,边梁宽2.575 m,中梁宽2.2 m,采用了先张法进行预应力张拉,其配筋如图2所示。

图1 跨中横截面(单位:mm)

图2 预埋钢筋构造(单位:mm)

装配式预应力混凝土小箱梁桥面采用 10 cm厚的C50混凝土现浇层+桥梁专用防水层+10 cm沥青混凝土铺装层。桥面防水层采用2 mm厚聚合物改性沥青防水涂料。预制梁混凝土经过凿毛处理,凿毛方法为在梁顶板混凝土表层凿去5～10 mm,使施工面粘结更为牢固。桥面防水层与桥面现浇层及沥青混凝土铺装层间的粘结强度和剪切强度大于1 MPa。

针对一般预制小型箱梁顶板与桥面的连接问题,在设计上通常采取将顶板预埋钢筋预埋在梁板顶面,外露预制梁顶板5 cm的方法,同时也解决了控制保护层厚度和桥面钢筋网铰接等问题。但预埋钢筋的露出部分,因其“[”的形状,时常导致钩鞋、钩裤脚或绊倒人等严重的安全问题[10]。因此,在本次施工过程中对箱梁顶板预埋钢筋作了扳倒处理,见图3。顶板预埋钢筋作为箱梁顶板设计的一部分,在完成其自身功能的同时,是否还对桥面铺装层的受力产生影响是本文关注的问题。

图3 梁顶预埋钢筋扳倒处理

2 有限元模型

2.1 模型基本假定

选取团坝子大桥两高墩之间的桥跨作为分析对象,取半结构(含3片箱梁)作为模型基础进行分析。采用ANSYS有限元分析软件,建立跨径34.84 m、桥面宽8.59 m、铺装层厚10 cm的预应力简支箱梁桥空间有限元模型。桥梁上部结构有限元模型见图4,中梁及边梁立面图见图5、图6。为更加有效地将模型应用于桥面铺装层的力学分析,对模型的结构特征和材料特性做假定:

图4 有限元模型

图5 中梁立面(单位:mm)

图6 边梁立面(单位:mm)

(1)仅考虑桥梁上部结构的计算,不考虑桥梁下部结构的变形。

(2)各结构层材料为均匀连续、各向同性的弹性材料。

(3)铺装层与桥面板层间完全连续接触。

(4)不计桥梁结构自重和混凝土开裂影响。

2.2 材料参数

本模型中,沥青混凝土铺装层、箱梁、横隔板均采用SOLID65实体单元模拟。其中,3片箱梁及横隔板采用C50混凝土,弹性模量取34.5 GPa,泊松比取0.2;沥青混凝土铺装层采用C30混凝土,弹性模量取30.0 GPa,泊松比均取0.2。小箱梁顶板中的预埋钢筋采用COMBIN14单元模拟,所用钢筋型号为HRB400,直径为φ8 mm,弹性模量取2×105MPa,泊松比取0.3。

2.3 接触和边界条件模拟

桥面铺装层与主梁顶面采用全接触模拟。根据ANSYS软件接触分析中,目标面和接触面选择的基本原则,选取强度等级较低的铺装层作为接触面,采用CONTA174单元进行模拟;选取强度等级较高的箱梁顶面作为目标面,采用TARGE170单元进行模拟[11]。边界条件考虑为简支。

2.4 计算荷载

本次分析考虑2种荷载工况。荷载工况一:主力;荷载工况二:主力+附加力。主力包括梁体自重及车辆静活载;附加力仅考虑制动力的影响(因制动力沿纵桥向水平作用在铺装层上,对层间相互作用具有影响)。其中,梁体混凝土容重为25 kN/m3;该桥段汽车活载设置为公路—Ⅰ级,对应为一辆总重550 kN的标准车,车辆荷载的作用位置纵桥向按跨中最大弯矩原则布置,横桥向沿桥梁中心线对称布置,其轴重分布及各车轮的轴距如图7、图8所示。

图7 轴重布置(单位:kN)

图8 车轮轴距(单位:m)

制动力取为165 kN。并按照前、中、后轴重力标准值的比例将制动力分配给前、后、中轮,制动力方向与行车方向一致。制动力荷载布置情况如图9所示。

图9 制动力分布图(单位:kN)

3 理想状态下桥面铺装力学性能

3.1 主力作用

理想状态是指,铺装层与桥面板采用完全粘结的形式(即在ANSYS模型中两者接触面不考虑接触分析),两者共同承受车辆轴载带来的作用,不产生相对滑移,且顶板设置预埋钢筋。图10为仅在主力作用下的计算结果,由图10可知:铺装层内各应力的最大值均出现在车辆车轮作用位置。在车辆轴载作用下,34.84 m预制小箱梁桥的第一主应力(σ1)最大值为0.564 MPa,出现在车辆中轮处,考虑桥梁跨中设置有横隔板,减弱了车辆轴载产生的影响,所以其最大值并未出现在更重的后轮处;第三主应力(σ3)最大值为0.847 MPa,出现在车辆的后轮位置;横桥向正应力(σx)最大为0.583 MPa;横桥向剪应力(τxy)为0.128 MPa;顺桥向剪应力(τyz)最大值为0.205 MPa;桥面板与铺装层间剪应力(τxz)最大值为0.314 MPa。

图10 主力作用下层间应力分布

3.2 主力+附加力作用

同为理想状态,在主力+附加力作用下铺装层的各类应力云图见图11。由图11可以看出:第一主应力(σ1)最大值为0.642 MPa,也出现在车辆中轮处;第三主应力(σ3)最大值为0.853 MPa,出现在车辆的后轮位置;横桥向正应力(σx)最大值为0.609 MPa;横桥向剪应力(τxy)为0.118 MPa;顺桥向剪应力(τyz)最大值为0.229 MPa;桥面板与铺装层间剪应力最大值为(τxz)为0.335 MPa。

图11 主力+附加力作用下层间应力分布

4 不同粘结状态下桥面铺装受力对比

通过改变铺装层与桥面板之间的摩擦系数,模拟不同的铺装层与桥面板的层间结合能力,即不同的粘结状态。对比不同粘结状态以及是否设有顶板预埋钢筋的各类工况下,桥面铺装层的各应力最大值,分析预制小箱梁顶板预埋钢筋对桥面铺装层受力的影响。由表1可以看出,在车辆轴载作用下,无预埋钢筋且拉毛质量“较好”(摩擦系数μ取1.0)与有预埋钢筋拉毛质量“一般”(摩擦系数μ取0.5)2种情况相比,2种工况下各类应力相差均在0.1 MPa以内,且有预埋钢筋时,桥面铺装层的各类应力均稍大于无预埋钢筋。其中,两者的第一主应力相差最大,差值为0.9 MPa。无预埋钢筋且拉毛质量“一般”(摩擦系数μ取0.5)与有预埋钢筋拉毛质量“一般”(摩擦系数μ取0.5)2种情况在车辆荷载作用下,两者各类应力差值均在0.2 MPa以内,相差甚微。后者各类应力稍大于前者,其中差值最大的为第三主应力,差值为0.16 MPa。由此可以看出,在车辆轴载作用下,顶板预埋钢筋对桥面铺装层的影响不大,且有预埋钢筋会略微增大桥面铺装层的受力,增幅在0.01～0.2 MPa之间,可忽略不计。

表1 不同粘结状态下桥梁铺装受力对比(主力作用) 单位：MPa

表2为制动力作用下,在不同粘结状态以及是否设有顶板预埋钢筋的各类工况下,桥面铺装层的各应力状态。由表中数据可以看出,无预埋钢筋且拉毛质量“较好”(摩擦系数μ取1.0)与有预埋钢筋拉毛质量“一般”(摩擦系数μ取0.5)2种情况相比,桥面铺装层各类应力的差值同样是在0.1 MPa以内,且均为前者稍大于后者。其中,两者的第三主应力相差最大,差值为0.085 MPa。无预埋钢筋且拉毛质量“一般”(摩擦系数μ取0.5)与有预埋钢筋拉毛质量“一般”(摩擦系数μ取0.5)2种情况相比,两者桥面铺装层的各类主应力差值均在0.3 MPa以内,差值稍大于表1中在车辆轴载下两者的差值。其中差值最大的为第三主应力,数值为0.163 MPa,且均为后者大于前者。由此可见,在制动力作用下的情况与在车辆轴载单独作用下的情况类似,顶板预埋钢筋对桥面铺装层的影响不大,预埋钢筋会略微增大桥面铺装层的受力,增幅在0.02～0.3 MPa之间。

表2 不同粘结状态下桥梁铺装受力对比(主力+附加力作用) 单位：MPa

5 结束语

通过计算分析的结果可得出结论:

(1)在车辆轴载作用下,箱梁顶板设置预埋钢筋相对于不设置预埋钢筋而言,桥面铺装层的各类应力稍大于后者,但两者的差值较小,差值范围为0.01～0.2 MPa。即在车辆轴载作用下,预制小箱梁顶板预埋钢筋对桥面铺装层的受力影响不大。

(2)在制动力作用下,箱梁顶板设置预埋钢筋时,桥面铺装层的各类应力稍大于不设置预埋钢筋的情况。对比两种情况下桥面铺装层的各类应力,两者的差值较小,差值在0.02～0.3 MPa之间。顶板预埋钢筋在制动力作用下,对桥面铺装层的受力影响不大。

预制小箱梁预埋钢筋对桥面铺装层的受力影响十分微小,因此在对铺装层出现破损问题时,可忽略预埋钢筋造成的影响。在以后的研究中可以考虑桥面铺装层的厚度、两结构层所使用的材料种类、桥梁结构类型等因素的影响,以优化简支梁桥混凝土桥面铺装层的设计。