运用有限元法分析钢桥面受力疲劳破坏机理

摘 要本文以南京长江三桥为实例，运用新的有限元法对大跨径钢桥面进行受力分析，验证了钢桥面铺装层的最大横向拉应力出现在横隔板附近的梯形加劲肋肋顶和纵隔板顶区域，最大纵向拉应力出现在横隔板顶部的结论。因此，横隔板附近容易同时出现纵向和横向裂缝，纵隔板顶部易产生纵向裂缝，从而导致桥面疲劳破坏，为下一步开展桥面铺装层疲劳性能试验及影响因素研究奠定了基础。

关键词 钢桥面铺装，有限元，应力

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：

正文

1.1课题的研究背景

随着我国高等级公路大规模兴建的同时，大跨径桥梁也进入建设高潮。其中一个共同的特点是，这些大跨径桥梁的主桥普遍采用了钢箱梁结构，这与以往采用的水泥混凝土桥梁结构有着很大的不同。通过调查，近些年来，钢桥面相继出现鼓包、开裂尤其是H 型结构性开裂病害（沿纵、横向加劲肋顶部开裂）等疲劳破坏，给桥梁运营安全带来了极大的隐患。这就需要我们结合钢桥面铺装层的特点，对桥面疲劳破坏的机理进行研究分析，进而采取对应的控制措施。

1.2钢桥面受力机理

与水泥混凝土桥面铺装不同，钢桥面铺装层直接铺设在正交异性钢桥面上，由于正交异性钢桥面板由钢面板、纵肋、横隔板、纵隔板组成，因其受力作用复杂，铺装层铺筑在正交异性板上，共同承受外载作用，因此，在分析铺装层的受力变形时，需将铺装层与正交异性板结构作为一个整体进行分析。

2. 南京长江三桥桥面铺装有限元受力分析

钢桥面铺装层由于钢板加劲肋的作用，使其在加劲肋侧肋顶部附近产生明显的应力集中现象，用梁、板等理论都不能准确地计算出铺装层内部的最大控制应力值以及力学特性，南京长江三桥是我国首次采用环氧铺装的大型钢桥，至今使用时间最长，出现一定程度的早期损坏，本节从南京长江三桥出发，用有限元研究钢桥面的受力特点。

图2-1 正交异性钢桥面板

2.1铺装层内部的最大拉应力（拉应变）

铺装层开裂破坏是钢桥面铺装常见的一种破坏类型，铺装层最大拉应力与拉应变是控制铺装层开裂破坏的重要设计指标，分析其分布变化规律可以了解铺装层开裂破坏的特性以采取有效的防范措施。

南京长江三桥钢桥面铺装层最大拉应力与拉应变的有限元计算结果如表2-1所示。横向最大拉应力位于梯形加劲肋肋顶和纵隔板顶的铺装层表面附近区域，而纵向最大拉应力位于横隔板顶部的铺装层表面，因此在纵向加劲肋顶部和纵隔板顶部铺装层表面易出现纵向开裂，横隔板顶部铺装层表面易出现横向开裂。

表2-1 南京长江三桥钢桥面铺装层最大拉应力与拉应变

2.2铺装层与钢桥面板的层间剪应力分析

铺装层与钢板间的粘结破坏是钢桥面铺装层破坏的另一类常见破坏类型。铺装层与钢桥面板的层间剪应力是控制粘结破坏的主要控制指标。粘结力的破坏直接影响到铺装层与钢板的复合作用，加速铺装层本身的破坏。南京长江三桥钢桥面铺装层与钢板的层间最大剪应力如表2-2 所示。

从表中的计算结果可以看出，层间横向最大剪应力明显大于层间纵向最大剪应力，铺装层与钢桥面板的层间粘结破坏的主要控制指标就是层间横向剪应力。不含纵隔板模型的层间最大剪应力大于含纵隔板模型的层间最大剪应力，这是因为纵隔板的支撑作用，缓和了钢板的变形。考虑铺装层与钢板的层间粘接破坏，控制层间剪应力时，最大层间剪应力并不出现在纵隔板、横隔板等加劲处。

表2-2南京长江三桥铺装层与钢板的层间最大剪应力

2.3铺装层表面最大弯沉分析

钢桥面的铺装层通常采用薄层沥青混凝土，铺装层支撑在正交异性钢板上，因此铺装层表面的弯沉既反映了铺装层与正交异性钢桥面板的整体强度和刚度，也反映了铺装层的使用性能，铺装层的表面弯沉成为钢桥面铺装层受力分析的另一个力学指标。纵隔板的设置，增加了该区域的刚度，含纵隔板模型的铺装层表面最大弯沉小于不含纵隔板模型。南京长江三桥钢桥表面的挠度及铺装层表面的最大弯沉值如表2-3所示。

表2-3南京长江三桥铺装层最大挠度或弯沉值

铺装层的最大拉应力（拉应变）出现在铺装层表面。铺装层的最大横向拉应力出现在横隔板附近的梯形加劲肋肋顶和纵隔板顶区域，铺装层的最大纵向拉应力出现在横隔板顶部，因此横隔板附近易同时出现纵向和横向裂缝，纵隔板顶部易产生纵向裂缝。纵隔板区的层间剪应力要远小于无纵隔板区的层间剪应力，控制铺装层与钢板的层间剪应力时，可以不考虑纵隔板区的铺装层。

3．本文结论及创新之处

3.1本文结论

本文以南京长江三桥为实例，用有限元分析方法对我国桥梁设计指标中规定的几个设计参数（拉应力，剪应力，弯沉）进行了计算，分析与研究了桥面铺装的疲劳破坏形式，得出结论如下：

1）从有限元分析表明铺装层的最大拉应力（拉应变）均出现在铺装层表面，横向最大拉应力位于梯形加劲肋肋顶和纵隔板顶的铺装层表面附近区域，而纵向最大拉应力位于横隔板顶部的铺装层表面，因此在纵向加劲肋顶部和纵隔板顶部铺装层表面易出现纵向开裂，横隔板顶部铺装层表面易出现横向开裂。

2）层间横向最大剪应力明显大于层间纵向最大剪应力，铺装层与钢桥面板的层间粘结破坏的主要控制指标就是层间横向剪应力。

3.2本文创新之处

在于运用新的有限元法分析了大型钢桥铺面的主要受力形式和结构层内部最大拉应力、层间剪应力和路表弯沉等指标，并对桥面铺装疲劳破坏形式进行总结分类，为以后开展桥面铺装层疲劳破坏性能研究提供了条件和新的研究方法。

参考文献

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