連續(xù)箱梁橋三維有限元分析

連續(xù)箱梁橋三維有限元分析

不僅是車(chē)輛的負(fù)荷，也是溫度的負(fù)荷。在環(huán)境溫度的日周期變化與年周期變化作用條件下,由于鋪裝層四周及底部受到約束作用,在鋪裝層內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力應(yīng)變變化,在溫度變化幅度足夠大的時(shí)候,其產(chǎn)生的破壞效應(yīng)甚至超過(guò)車(chē)輛荷載。所以對(duì)瀝青混凝土橋面鋪裝層進(jìn)行溫度應(yīng)力分析,對(duì)于合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料的選擇,具有重要意義。目前,橋面鋪裝力學(xué)分析中普遍采用的方法是在橋梁結(jié)構(gòu)中截取局部梁段加上適當(dāng)?shù)募s束,進(jìn)而分析鋪裝層在環(huán)境條件作用下的受力狀況。此方法優(yōu)點(diǎn)在于建模簡(jiǎn)單,過(guò)程簡(jiǎn)化,分析時(shí)間較短。但是由于將部分結(jié)構(gòu)從整體結(jié)構(gòu)中孤立出來(lái),故該種方法很難顧及整橋結(jié)構(gòu)特性上的變化對(duì)橋面鋪裝的影響,尤其在大跨徑橋梁橋面鋪裝計(jì)算中,誤差尤為明顯。筆者在橋梁實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上,采用大型有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行整橋模型建模,保留了三跨連續(xù)梁橋的力學(xué)特性,僅將對(duì)鋪裝層力學(xué)響應(yīng)影響較小的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行簡(jiǎn)化,如行車(chē)道板,欄桿等部件,從而提高鋪裝層力學(xué)分析結(jié)果的精度和可靠性。1計(jì)算模型的構(gòu)建1.1元模型的構(gòu)建筆者以安景高速公路黃梨大橋?yàn)楣こ瘫尘?對(duì)其進(jìn)行有限元三維實(shí)體建模1.2鋪裝層力學(xué)評(píng)價(jià)黃梨大橋橋梁結(jié)構(gòu)橋面板等各部件均采用鋼筋水泥混凝土建造,橋面鋪裝采用瀝青混合料進(jìn)行鋪裝,故筆者對(duì)鋼筋水泥混凝土及瀝青混凝土的材料參數(shù)如不作特殊說(shuō)明,均按表1中所示參數(shù)取值。由于溫度荷載通常將導(dǎo)致鋪裝層內(nèi)部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,從而導(dǎo)致鋪裝層內(nèi)產(chǎn)生溫縮型裂縫,故本文中鋪裝層力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)采用縱向及橫向最大拉應(yīng)力。同時(shí),為研究溫縮荷載作用下鋪裝層與橋梁結(jié)構(gòu)的溫縮變形協(xié)調(diào)性,采用鋪裝層底縱橫向最大剪應(yīng)力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上,分別討論降溫幅度、鋪裝層線膨脹系數(shù)、鋪裝層模量以及厚度等因素對(duì)鋪裝層的溫度應(yīng)力響應(yīng)的影響,得出普遍規(guī)律。2降溫差動(dòng)拉應(yīng)力數(shù)值統(tǒng)計(jì)由于季節(jié)的差異以及氣候的因素,橋梁及鋪裝層結(jié)構(gòu)在不同的時(shí)間段所處的環(huán)境溫度是不一樣的由圖2可知,鋪裝層內(nèi)各力學(xué)指標(biāo)均隨著降溫幅度的增加而呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中縱向拉應(yīng)力及橫向拉應(yīng)力數(shù)值上相接近,增長(zhǎng)趨勢(shì)亦基本相同。層底最大縱向剪應(yīng)力相對(duì)于橫向最大剪應(yīng)力,其數(shù)值與增長(zhǎng)幅度均較大。由于降溫幅度對(duì)鋪裝層內(nèi)溫度應(yīng)力的影響十分明顯,所以在嚴(yán)寒或季節(jié)性、晝夜性溫差較大的地區(qū),應(yīng)特別對(duì)鋪裝層的低溫抗裂性能進(jìn)行研究和設(shè)計(jì),以確保鋪裝層在溫度荷載作用下的正常使用性能。3鋪裝層線膨脹系數(shù)對(duì)瀝青混凝土力學(xué)響應(yīng)的影響鋪裝層瀝青混合料的線膨脹系數(shù)因材料及環(huán)境因素的不同而隨之變化對(duì)圖3進(jìn)行研究對(duì)比發(fā)現(xiàn),鋪裝層內(nèi)各力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)隨著鋪裝層線膨脹系數(shù)的增大而增長(zhǎng)通過(guò)以上分析可以得出,在同樣的抗裂強(qiáng)度下,線膨脹系數(shù)較小的瀝青混凝土由于溫度敏感性較小4最大橫向拉應(yīng)力由于環(huán)境溫度的變化以及材料的受力疲勞和老化由圖4a)可以看出,鋪裝層內(nèi)部最大縱向與橫向拉應(yīng)力都隨著鋪裝層模量的增大而增長(zhǎng),且基本成線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。最大縱向拉應(yīng)力及最大橫向拉應(yīng)力在數(shù)值以及增長(zhǎng)規(guī)律上相當(dāng)接近。圖4b)顯示了鋪裝層底縱橫向最大剪應(yīng)力的發(fā)展趨勢(shì)。隨著鋪裝層模量的增大,鋪裝層底最大縱向剪應(yīng)力增長(zhǎng)十分明顯,與鋪裝層模量的變化接近于線性關(guān)系;最大橫向拉應(yīng)力變化相對(duì)較小,且數(shù)值均在0.5MPa以下,呈小幅波動(dòng)規(guī)律。綜合鋪裝層內(nèi)最大拉應(yīng)力與層底剪應(yīng)力隨模量的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn),在保證鋪裝層強(qiáng)度及剛度的技術(shù)上,合理控制鋪裝層的模量,能夠有效地降低鋪裝層在溫度荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力水平,從而減少溫縮裂縫的發(fā)生,延緩其發(fā)展,延長(zhǎng)路面正常使用壽命。5鋪裝層厚度的影響不同的鋪裝方案給出的鋪裝層厚度各不相同,從而導(dǎo)致鋪裝層力學(xué)響應(yīng)也存在差異通過(guò)以上分析,鋪裝層厚度的增加能夠在一定程度上緩解由于溫度荷載而產(chǎn)生的層底剪應(yīng)力水平6鋪裝層材料設(shè)計(jì)筆者以安景高速公路黃梨大橋?yàn)閷?shí)際工程背景,對(duì)其進(jìn)行三維有限元建模,并分析橋面鋪裝層在溫度荷載的作用下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng),得出以下主要結(jié)論:1)降溫幅度對(duì)鋪裝層溫度應(yīng)力的影響十分顯著。鋪裝層各力學(xué)性能指標(biāo)均隨著降溫幅度的增加而呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。故在低溫嚴(yán)寒以及溫差較大地區(qū)應(yīng)對(duì)橋面鋪裝層材料的抗裂性能著重關(guān)注并嚴(yán)格設(shè)計(jì)。2)鋪裝層線膨脹系數(shù)亦能夠顯著影響鋪裝層溫度應(yīng)力。采用較小線膨脹系數(shù)材料的鋪裝層能夠很好地降低內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變水平。在橋面鋪裝層設(shè)計(jì)中,宜將線膨脹系數(shù)引入材料評(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)行鋪裝層材料設(shè)計(jì)。3)由于鋪裝層溫度應(yīng)力水平隨著材料模量的增大而增長(zhǎng),因此,在材料設(shè)計(jì)中,應(yīng)在保證剛度和強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,控制鋪裝層的模量,降低溫度應(yīng)力水平。4)研究結(jié)果表明,增加鋪裝層的厚度能夠改善鋪裝層與橋面板之間的剪應(yīng)力水平,但同時(shí)也將導(dǎo)致層內(nèi)拉應(yīng)力水平的增長(zhǎng),因而確定合理的鋪裝厚度十分重要。在保證鋪裝層使用性能的前提下,采用較薄的鋪裝層厚度,有利于降低溫度應(yīng)力水平,減少和延緩溫縮裂縫的發(fā)生與擴(kuò)展。圖5a)顯示了鋪裝層最大拉應(yīng)力隨鋪裝層厚度變化的規(guī)律。由圖中可以看出,鋪裝層的縱橫向拉應(yīng)力均隨著鋪裝層厚度在增大而增長(zhǎng),當(dāng)鋪裝層厚度由4cm增加至20cm時(shí),最大拉應(yīng)力值由2.21MPa增大至2.67MPa,增長(zhǎng)幅度為20.8%;同樣情況下,最大橫向拉應(yīng)力由2.07MPa變化至2.38MPa,增長(zhǎng)幅