钢桥面铺装体系参数敏感性分析

摘要 ：通过建立钢桥面铺装体系的空间有限元模型，研究钢桥面铺装各主要设计指标与钢桥面铺装体系各主要构造参数变化之间的规律，找出其中的主要因素与次要因素，为钢桥面铺装的设计提供有价值的参考。

关键词：钢桥面铺装体系、有限元、敏感性分析、

1、引言

钢桥面铺装体系由直接承受车轮荷载的沥青混凝土铺装层和构成主梁的正交异性钢桥面板组成，其中，正交异性钢桥面板的构造复杂，参数众多，主要包括：桥面板厚度、加劲肋的尺寸及布置等。此外，铺装本身的刚度对铺装的受力及变形也着重要影响。因此，研究和分析钢桥面铺装各主要设计指标与钢桥面铺装体系各主要构造参数变化之间的规律，找出其中的主要因素与次要因素，对钢桥面铺装的设计来说具有重要的现实意义。

2、计算模型和主要影响因素的选取

由于钢桥面铺装体系在荷载作用下的力学响应不仅于结构参数息息相关，而且与所作用荷载的位置也有着密切的连续，对荷位1荷载大小为1.08MPa的钢桥面铺装体系进行空间有限元模型的参数化得敏感性分析，模型的主要参数如表2.1所示。

表2.1钢桥面铺装体系敏感性分析参数表

3、铺装层结构参数变化的敏感性分析

铺装层结构参数主要包括铺装层材料的弹性模量和铺装层的厚度，由于在不同温度下铺装层的弹性模量有着较大的变化，因此，实际工作状态下的钢桥面铺装层的力学性能也有较大的变化，因此，只有对铺装层结构参数进行敏感性分析，才能为了全面的掌握和分析钢桥面铺装体系的力学性能。

3.1、铺装层厚度变化的影响

由表3.1可知，随着铺装层的厚度的增加，最大横向拉应力呈现出先增大后减小的基本变化规律，横向拉应力变化幅度不大，在0.222MPa到0.235MPa之间。最大挠度总体呈现减少的基本趋势，最大挠度变化幅度也不大，在0.883mm到0.891mm之间。这一定程度上说明铺装层厚度变化对控制铺装体系设计的主要力学指标的影响并不明显。

表3.1铺装层厚度变化对最大横向拉应力和最大挠度的影响分析一览表

3.2、铺装层弹性模量变化的影响

由表3.2可知，随着铺装层的弹性模量的增加，最大横向拉应力逐渐增大，当铺装层弹性模量为1000MPa时，最大横向拉应力只有0.137MPa，而当铺装层弹性模量为2500MPa时，最大横向拉应力为0.420MPa，铺装层弹性模量变化对钢桥面铺装层的最大挠度影响并没有其对最大横向拉应力的影响明显，但相对于铺装层厚度的影响来说，却有较大的变化，其中当铺装层弹性模量为1000MPa时，最大挠度为0.892mm，而当铺装层弹性模量2500MPa时，大挠度为0.757mm。

表3.2铺装层弹性模量变化对最大横向拉应力和最大挠度的影响分析一览表

4、正交异性钢桥面板结构参数变化的敏感性分析

正交异性钢桥面板大跨度钢箱梁桥的主要受力构件，是直接承受车轮荷载的作用，其结构刚度直接影响着铺筑于其上的沥青混凝土的应力状态，而直接影响结构参数正交异性钢桥面板刚度的参数主要包括顶板厚度、U肋结构形式和横隔板的间距等。为了便于比较和分析，在考虑横隔板间距为3.2m不变的前提下，重点讨论正交异性钢桥面板的顶板厚度、U肋的厚度、倾角和高度等结构参数改变对铺装层最大横向拉应力和最大局部挠度的影响。

4.1、顶板结构参数变化的敏感性分析

由表4.1可知，随着顶板厚度的增加，最大横向拉应力逐渐减少，并且减少的幅度较大，其中当顶板的厚度为10mm时，最大横向拉应力为0.365MPa，而当顶板厚度为18mm时，最大横向拉应力为0.197MPa。由图3-6可知,随着顶板厚度的增加,最大挠度逐渐减少，其中当顶板的厚度为10mm时，最大横向拉应力为1.027mm，而当顶板厚度为18mm时，最大横向拉应力为0.856mm。

表4.1顶板厚度变化对最大横向拉应力和最大挠度的影响分析一览表

4.2、U肋结构参数变化的敏感性分析

由于U形加劲肋的存在，一方面，在节省钢材用量的同时，大大的增强了其整体的抗弯刚度大、抗扭刚度，并提高了其局部的稳定性，从而使得顶板能够承受较大车轮局部荷载的作用；而另一方面，U形加劲肋的存在，使得承受车轮荷载的正交异性结构变得更加复杂，同时，也改变了铺筑于其上的沥青混凝土铺装层应力和局部挠度。因此，详细的分析U肋结构参数的改变对钢桥面沥青混凝土铺装层力学性能的影响具有重要的现实意义。

U肋结构参数主要包括三个方面：构成U肋钢板的厚度、U肋的高度以及U肋的倾角等三个方面（如图4.1所示）。为此，本文重点从这三个方面着手，研究其对铺装层最大横向拉应力和最大局部挠度的影响。

（1）、U肋厚度的影响

由表4.2可知，随着U肋厚度的增加，最大横向拉应力逐渐减少，当U肋厚度为6mm时，最大横向拉应力为0.237MPa，而当U肋厚度为14mm时，最大横向拉应力为0.194MPa，另外，随着U肋厚度的增加，最大挠度逐渐减少，其中当U肋厚度为时6mm，最大横向拉应力为1.081mm，而当顶板厚度为14mm时，最大横向拉应力为0.642mm。

表4.2 U肋厚度变化对最大横向拉应力和最大挠度的影响分析一览表

（2）U肋高度的影响

由表4.3可知，随着U肋高度的增加，最大横向拉应力呈现出先增大后减少的基本趋势，当U肋高度为200mm时，最大横向拉应力达到最大值0.320MPa，随后随着U肋高度的增加，最大横向拉力迅速减少，当U肋高度为320mm时，最大横向拉应力为0.214MPa，另外，随着U肋高度的增加，钢桥面铺装体系的局部刚度得到有效的增强，因此，钢桥面铺装最大局部挠度迅速减少，当U肋厚度为时160mm，最大挠度为1.837mm，当U肋厚度为时320mm，最大挠度为0.767mm。

表4.3 U肋高度变化对最大横向拉应力和最大挠度的影响分析一览表

（3）U肋倾角的影响

与变化U肋高度的方法类似，为了便于在同一荷载位置下研究控制钢桥面铺装体系设计的各力学指标的变化规律，在保持上开口宽度、加劲肋顶板焊接点位置以及U肋高度h不变的情况下，改变U肋的倾角θ，倾角θ的变化范围从73度到90度之间变化。由表4.4可知，随着U肋倾角的增加，最大横向拉应力逐渐减少，当U肋倾角为73度时，最大横向拉应力达到最大值0.2531MPa，当U肋倾角为90度时，最大横向拉应力为0.177MPa。另外，由于荷载作用U肋腹板正上方，随着U肋倾角增加，钢桥面板抵抗荷载的刚度逐渐增加，因此钢桥面铺装最大局部挠度迅速减少，当U肋倾角为73度时，最大挠度为0.934mm，当U肋倾角为90度时，最大挠度为0.812mm。

表4.4 U肋高度变化对最大横向拉应力和最大挠度的影响分析一览表

5各主要影响参数的比较分析

综上分析，进一步把最大横向拉应力和最大挠度随钢桥面铺装体系结构参数变化中的最大值和最小值的变化幅值绘制成图5.1和图5.2进行比较分析，由图可知钢桥面铺装层最大横向拉应力的因素的大小顺序为：铺装层弹模>顶板厚度>U肋高度>U肋倾角>U肋厚度>铺装厚度。而影响钢桥面铺装层最大局部挠度的因素的大小顺序为：U肋高度>U肋厚度>铺装层弹模>顶板厚度>U肋倾角>铺装厚度。

6、结论

通过建立典型的钢桥铺装体系的有限元模型，对钢桥面铺装体系各主要力学指标随构造参数变化的基本规律进行详细的研究，得到基本结论如下：

（1）在铺装层结构参数变化方面，随着铺装层的厚度的增加，最大横向拉应力呈现出先增大后减小的基本变化规律，横向拉应力变化幅度不大，最大挠度总体呈现减少的基本趋势，最大挠度变化幅度也不大，铺装层厚度变化对控制铺装体系主要力学性能指标的影响并不明显。随着铺装层的弹性模量的增加，最大横向拉应力逐渐增大，最大挠度逐渐减少，铺装层弹性模量变化对钢桥面铺装层的最大挠度影响和最大横向拉应力的有较明显影响。

（2）在正交异性钢桥面板结构参数变化方面：随着顶板厚度和U肋厚度的增加，最大横向拉应力和最大挠度逐渐减少，并且减少的幅度较大。随着U肋高度的增加，钢桥面铺装体系的局部刚度得到有效的增强，钢桥面铺装最大局部挠度迅速减少，铺装层顶面而大横向拉应力呈现出先增大后减少的基本趋势。随着U肋倾角的增加，抵抗车轮荷载的结构刚度逐渐增大，最大横向拉应力和最大局部挠度逐渐减少。

（3）影响钢桥面铺装层最大横向拉应力的因素的大小顺序为：铺装层弹模>顶板厚度>U肋高度>U肋倾角>U肋厚度>铺装厚度；影响钢桥面铺装层最大局部挠度的因素的大小顺序为：U肋高度>U肋厚度>铺装层弹模>顶板厚度>U肋倾角>铺装厚度。

注：本章论文的所有图表及公式以PDF形式查看