連續箱梁橋三維有限元分析

不僅是車輛的負荷，也是溫度的負荷。在環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,在鋪裝層內部將會產生較大的應力應變變化,在溫度變化幅度足夠大的時候,其產生的破壞效應甚至超過車輛荷載。所以對瀝青混凝土橋面鋪裝層進行溫度應力分析,對于合理的結構設計與材料的選擇,具有重要意義。目前,橋面鋪裝力學分析中普遍采用的方法是在橋梁結構中截取局部梁段加上適當的約束,進而分析鋪裝層在環境條件作用下的受力狀況。此方法優點在于建模簡單,過程簡化,分析時間較短。但是由于將部分結構從整體結構中孤立出來,故該種方法很難顧及整橋結構特性上的變化對橋面鋪裝的影響,尤其在大跨徑橋梁橋面鋪裝計算中,誤差尤為明顯。筆者在橋梁實際結構尺寸的基礎上,采用大型有限元分析軟件ABAQUS進行整橋模型建模,保留了三跨連續梁橋的力學特性,僅將對鋪裝層力學響應影響較小的結構部件進行簡化,如行車道板,欄桿等部件,從而提高鋪裝層力學分析結果的精度和可靠性。1計算模型的構建1.1元模型的構建筆者以安景高速公路黃梨大橋為工程背景,對其進行有限元三維實體建模1.2鋪裝層力學評價黃梨大橋橋梁結構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行鋪裝,故筆者對鋼筋水泥混凝土及瀝青混凝土的材料參數如不作特殊說明,均按表1中所示參數取值。由于溫度荷載通常將導致鋪裝層內部產生較大的拉應力,從而導致鋪裝層內產生溫縮型裂縫,故本文中鋪裝層力學評價指標采用縱向及橫向最大拉應力。同時,為研究溫縮荷載作用下鋪裝層與橋梁結構的溫縮變形協調性,采用鋪裝層底縱橫向最大剪應力作為評價指標。在此基礎上,分別討論降溫幅度、鋪裝層線膨脹系數、鋪裝層模量以及厚度等因素對鋪裝層的溫度應力響應的影響,得出普遍規律。2降溫差動拉應力數值統計由于季節的差異以及氣候的因素,橋梁及鋪裝層結構在不同的時間段所處的環境溫度是不一樣的由圖2可知,鋪裝層內各力學指標均隨著降溫幅度的增加而呈線性增長趨勢。其中縱向拉應力及橫向拉應力數值上相接近,增長趨勢亦基本相同。層底最大縱向剪應力相對于橫向最大剪應力,其數值與增長幅度均較大。由于降溫幅度對鋪裝層內溫度應力的影響十分明顯,所以在嚴寒或季節性、晝夜性溫差較大的地區,應特別對鋪裝層的低溫抗裂性能進行研究和設計,以確保鋪裝層在溫度荷載作用下的正常使用性能。3鋪裝層線膨脹系數對瀝青混凝土力學響應的影響鋪裝層瀝青混合料的線膨脹系數因材料及環境因素的不同而隨之變化對圖3進行研究對比發現,鋪裝層內各力學響應指標隨著鋪裝層線膨脹系數的增大而增長通過以上分析可以得出,在同樣的抗裂強度下,線膨脹系數較小的瀝青混凝土由于溫度敏感性較小4最大橫向拉應力由于環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,鋪裝層內部最大縱向與橫向拉應力都隨著鋪裝層模量的增大而增長,且基本成線性增長趨勢。最大縱向拉應力及最大橫向拉應力在數值以及增長規律上相當接近。圖4b)顯示了鋪裝層底縱橫向最大剪應力的發展趨勢。隨著鋪裝層模量的增大,鋪裝層底最大縱向剪應力增長十分明顯,與鋪裝層模量的變化接近于線性關系;最大橫向拉應力變化相對較小,且數值均在0.5MPa以下,呈小幅波動規律。綜合鋪裝層內最大拉應力與層底剪應力隨模量的變化規律發現,在保證鋪裝層強度及剛度的技術上,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生的應力水平,從而減少溫縮裂縫的發生,延緩其發展,延長路面正常使用壽命。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,從而導致鋪裝層力學響應也存在差異通過以上分析,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生的層底剪應力水平6鋪裝層材料設計筆者以安景高速公路黃梨大橋為實際工程背景,對其進行三維有限元建模,并分析橋面鋪裝層在溫度荷載的作用下的應力應變響應,得出以下主要結論:1)降溫幅度對鋪裝層溫度應力的影響十分顯著。鋪裝層各力學性能指標均隨著降溫幅度的增加而呈線性增長趨勢。故在低溫嚴寒以及溫差較大地區應對橋面鋪裝層材料的抗裂性能著重關注并嚴格設計。2)鋪裝層線膨脹系數亦能夠顯著影響鋪裝層溫度應力。采用較小線膨脹系數材料的鋪裝層能夠很好地降低內部應力應變水平。在橋面鋪裝層設計中,宜將線膨脹系數引入材料評價指標,進行鋪裝層材料設計。3)由于鋪裝層溫度應力水平隨著材料模量的增大而增長,因此,在材料設計中,應在保證剛度和強度的基礎上,控制鋪裝層的模量,降低溫度應力水平。4)研究結果表明,增加鋪裝層的厚度能夠改善鋪裝層與橋面板之間的剪應力水平,但同時也將導致層內拉應力水平的增長,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,有利于降低溫度應力水平,減少和延緩溫縮裂縫的發生與擴展。圖5a)顯示了鋪裝層最大拉應力隨鋪裝層厚度變化的規律。由圖中可以看出,鋪裝層的縱橫向拉應力均隨著鋪裝層厚度在增大而增長,當鋪裝層厚度由4cm增加至20cm時,最大拉應力值由2.21MPa增大至2.67MPa,增長幅度為20.8%;同樣情況下,最大橫向拉應力由2.07MPa變化至2.38MPa,增長幅