桥面铺装对中小跨径桥梁力学性能影响研究

公󰀁路󰀁交󰀁通󰀁科󰀁技

JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment

Vol󰀁27󰀁No󰀁12

Dec.2010

文章编号:1002-0268(2010)12-0094-05

桥面铺装对中小跨径桥梁力学性能影响研究

唐国斌,项贻强,管品武

1

1

2

(1󰀁浙江大学交通工程研究所,浙江󰀁杭州󰀁310058;2󰀁郑州大学󰀁土木工程学院,河南󰀁郑州󰀁450002)摘要:为分析桥面铺装对中小跨径桥梁受力的影响,以空心板桥为例,通过足尺构件破坏试验,分析铺装层对主梁裂缝、变形和承载力的影响,结合整桥的荷载试验,建立3种分析模型与测试结果进行比较,并探讨了铺装层厚度对整桥受力性能的影响。结果表明,加载过程中桥面铺装与主梁共同受力性能良好,达到极限状态时,铺装层与主梁结合面无水平裂缝出现,桥面铺装能显著提高主梁的抗裂性能和极限承载力;车辆荷载作用下铺装层能够参与整桥受力,随着铺装层厚度加大,梁底拉应力先减小后增大。建议中小跨径桥梁设计和评估时,应适当考虑铺装层对主梁力学性能的贡献。

关键词:桥梁工程;桥面铺装;有限元;力学性能;试验研究中图分类号:U443󰀁33󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

EffectofDeckPavementonMechanicalPerformanceof

Medium󰀂spanandShort󰀂spanBridges

TANGGuobin,XIANGYiqiang,GUANPinwu

1

1

2

(1󰀁InstituteofTrafficEngineering,ZhejiangUniversity,HangzhouZhejiang310058,China;2󰀁CollegeofCivilEngineering,ZhengzhouUniversity,ZhengzhouHenan450002,China)

Abstrac:tInordertoanalysetheeffectofdeckpavementontheperformanceofmedium󰀂spanandshort󰀂spanbridges,afullscaledestructivetestofhollowslabwasperformedtoinvestigatetheeffectofpavementoncracks,deformationandbearingcapacity.Combinedwithfieldtestofacurrenthollowslabbridge,threedistincttypesofanalyticalmodelweresetuptocomparewiththetestresul,tandtheinfluenceofpavement

depthonthemechanicalperformanceofthebridgewasalsoinvestigated.Theresultshowsthat(1)Thegirderandpavementworktogetherwellduetowellbondbetweenthem,andnohorizontalcrackoccursattheinterfaceundertheultimateload.Thepavementhasasignificanteffectonimprovingthecrackingperformanceandbearingcapacity.(2)Thepavementworkswellwithalltheslabsundervehicleload,andthetensilestressfirstincreasesandthendecreaseswiththeincreaseofpavementdepth.Itissuggestedtoconsiderthecontributionofpavementtothemechanicalperformanceofthegirderproperlyindesignandevaluationofsuchbridges.Keywords:bridgeengineering;deckpavemen;tFEM;mechanicalperformance;experimentalresearch0󰀁前言

在桥梁设计中,通常将桥面铺装层视为桥梁附属结构,假定其不参与主梁受力

[1]

响较小,采用上述假定计算不会有明显误差。此外,

由于大跨桥梁通常采用柔性铺装,使铺装层在设计时,只能作为桥梁的功能层,而不能参与主梁受力。而对于中小跨径桥梁,目前常用组合式铺装,即下层为6~10cm厚的水泥混凝土,上层为4~9cm沥

。对大跨桥梁而

言,由于主梁截面较大,铺装层对主梁截面特性影

收稿日期:2009󰀂10󰀂26

作者简介:唐国斌(1982-),男,河南洛阳人,博士研究生,从事混凝土桥梁非线性理论研究󰀁(zzutgb@126󰀁com)󰀁

󰀁第12期唐国斌,等:桥面铺装对中小跨径桥梁力学性能影响研究

95

青层。铺装层在设计和施工时,通常采用构造措施确保其与主梁结合性能。对近年修建的中小跨径桥梁的调查也表明,桥面铺装混凝土层与主梁脱粘的现象较少出现。因此,在结构设计和分析时,应适当考虑桥面铺装层与主梁共同受力,尤其在进行荷载试验评定其结构性能时,如果忽略铺装层的影响,可能导致测试值与理论值差别较大,从而影响评定结果。

对于铺装层的研究,国内外主要集中于铺装层的力学分析、设计理论及病害防治,而针对铺装层与主梁共同受力的问题则关注较少。由于铺装层和主梁混凝土浇注顺序不同,主梁具有二次受力的特征。周旺华

[5]

[2-4]

1󰀁试验研究

1󰀁1󰀁试验概况

试件采用3片跨径10m的足尺构件,设计荷载公路I级(设计活载弯矩2󰀁2kN󰀂m),截面尺寸及配筋如图1所示。其中,预应力筋采用7󰀁5低松弛270级钢绞线,普通钢筋采用HRB335级。试件采用长线台法在构件厂生产、养护,试件养护28d后,置其中2片梁于试验临时支座上,在梁顶分别浇注10cm厚的素混凝土层和钢纤维混凝土层以模拟桥面铺装,试验材料力学性能如表1所示。铺装层混凝土养护28d后,进行抗弯试验。试验主要测试跨中截面应力状态,在跨中截面的顶板、底板以及腹板沿截面高度分别布置混凝土应变片。为研究试件的变形特征,在支座、1/4跨和跨中各布置2个百分表。试验荷载由液压千斤顶提供,荷载传感器配合应变仪测定,采用跨中集中加荷方式,分级加载至试件破坏。

、赵顺波

[6]

等学者曾对二次受力

结构进行了试验研究和理论分析,其中部分成果

[7-8]

被混凝土结构设计规范引用。此外,基于铺装层对主梁受力性能的改善,中小跨径桥梁加固改造中也常通过对铺装层翻新、加厚以提高结构承载力。张雷顺等试验验证了这种方法的可行

[10]

性;詹华熙等对这种加固方法的设计和施工进行了探讨。

鉴于中小跨径桥梁数量巨大,即使是小技术的

[11]

改进也能带来可观的经济效益,为此,本文以预应力混凝土空心板桥为例,结合桥梁荷载试验和3个构件的承载力试验,分析铺装层对结构刚度、开裂和承载力的影响,并探讨铺装层参数对整桥受力性能的影响。

[9]

图1󰀁空心板梁截面

Fig󰀁1󰀁Cross󰀂sectionofahollowslabgirder

表1󰀁混凝土材料力学性能(单位:MPa)

Tab󰀁1󰀁Mechanicalpropertiesofconcrete(Unit:MPa)

预制梁

试件编号

B1B2B3

fcu60󰀁760󰀁760󰀁7

fcm39󰀁039󰀁039󰀁0

ftm3󰀁113󰀁113󰀁11

Ecm360793607936079

fcu-51.445.9

fcm-33.730.8

2.2.

铺装层

ftm-9794

Ecm-3478133830

无

水泥混凝土钢纤维混凝土铺装材料

1󰀁2󰀁裂缝和破坏特征

表2列出各级荷载下试验梁的裂缝开展情况,

其中,󰀂为荷载因子,定义为试验荷载值与活载设计值之比,表征桥梁的超载能力;n为各级荷载下裂缝数目;lcr为平均裂缝间距; max为该级荷载下最大裂缝宽度。由表可知,3片梁的开裂荷载因子分别为1󰀁76、2󰀁40和2󰀁40,极限荷载因子分别为3󰀁65、4󰀁57和4󰀁48,这表明10cm厚的混凝土铺装和钢纤维混凝土铺装对主梁的开裂荷载提高36󰀁3%,对结

构的极限承载力分别提高25󰀁2%和22󰀁7%。

图2绘出试验梁达到极限荷载时的裂缝分布情况。由图可知,梁体裂缝主要出现在梁体l/5~4l/5范围内,试验梁B2和B3的裂缝分布范围略小于B1,其中B1共出现29条裂缝,最大裂缝宽度为0󰀁60mm,而B2、B3都出现24条,最大裂缝宽度分别为1󰀁50mm和1󰀁60mm。从裂缝的分布规律来看,虽然无铺装层的试验梁裂缝分布较为细密,但达到极限状态时最大裂缝宽度0󰀁6mm尚小于延性构件的

96

表2󰀁试验梁裂缝开展表

公路交通科技第27卷

Tab󰀁2󰀁Crackpropagationontestbeams

试件

󰀂1󰀁762󰀁04

B1

2󰀁692󰀁993󰀁65(破坏值)

2󰀁402󰀁76

B2

3󰀁7󰀁134󰀁57(破坏值)

2󰀁402󰀁76

B3

3󰀁763󰀁954󰀁48(破坏值)

n141525291419222414182124

46󰀁728󰀁828󰀁526󰀁1

0󰀁050󰀁220󰀁701󰀁60

46󰀁726󰀁123󰀁824󰀁3

0󰀁050󰀁200󰀁651󰀁50

21󰀁321󰀁419󰀁521󰀁8

0󰀁050󰀁120󰀁250󰀁60

lcr/cm

max/cm

检验标志1󰀁5mm发挥。

[12]

,这并不利于材料强度的充分

图3󰀁试验梁破坏形态Fig󰀁3󰀁Failuremodesoftestbeams

为3个阶段,即不开裂弹性阶段、开裂弹性阶段和

图2󰀁试验梁单侧裂缝图Fig󰀁2󰀁Cracksontestbeams

塑性阶段。与无铺装层试件相比,浇注铺装层试件

的荷载󰀂挠度关系曲线的塑性段更趋明显。这一方面由于铺装层(二期恒载)作用,受拉区钢筋应力超前;另一方面由于截面高度增大,含钢率降低,从而使受拉区钢筋强度得到充分发挥。当达到极限状态时,试验梁的跨中挠度分别为105、115󰀁5、145󰀁0mm,分别为计算跨度的1/91、1/83和1/66。

图3绘出试验梁的破坏形态,所有试件的破坏均由受压区混凝土被压碎导致,没有出现受拉区钢筋或钢绞线拉断的现象。比较3片梁的破坏形态,

达到极限状态时,浇注铺装层的试验梁裂缝宽度和挠度都较前者大,这反映了铺装层混凝土对结构延性的贡献。对于试验梁B2和B3而言,达到极限荷载时铺装层与主梁之间无水平裂缝出现,表明铺装层与主梁协同受力性能较好;同时跨中受弯主裂缝穿越铺装层与主梁结合面,这表明其试件破坏主要由铺装层混凝土强度控制,这也解释了试验梁B2极限承载力高于B3的原因。比较图3中B2和B3的破坏形态,由于钢纤维的阻裂作用,受弯主裂缝和受压区压隙裂缝发展都有所减缓,从而使试件B3的极限变形有所加大,并导致铺装层裂而不碎的破坏形态。

1󰀁3󰀁荷载󰀂挠度曲线

图4绘出试验梁的荷载󰀂挠度关系曲线,与一般预应力混凝土梁变形性能类似,试验梁的变形共分

图4󰀁跨中荷载󰀂挠度关系曲线图Fig󰀁4󰀁Load󰀂deflectioncurveofmid󰀂span

1󰀁4󰀁受力特征

空心板梁在使用过程中根据其受力特征,可分

为2个阶段:第1阶段,即预制构件形成简支后,桥面铺装混凝土达到设计强度以前,在这一阶段,作用于结构上弯矩M1(包括一、二期恒载、施工活

󰀁第12期唐国斌,等:桥面铺装对中小跨径桥梁力学性能影响研究

97

载)由预制构件承担;在第2阶段,即铺装层混凝土达到设计强度后,施加于结构的荷载M2(车辆荷载)由预制构件和铺装层共同承担。由于铺装层混凝土浇注前后的二次受力特性,与一次整浇同截面梁相比存在纵向受拉钢筋应力超前和铺装层混凝土受压应变滞后现象。这种二次受力特征与铺装层厚度、一阶段荷载大小、含钢率、钢材品种、混凝土强度等级及有效预压应力有关,采用二次受力特征系数!来反映二次受力特征,根据试验结果统计分析得!表达式为

[5]

混凝土层厚9cm,混凝土层厚10cm。该桥梁设计荷载公路I级,静载试验加载效率0󰀁95。

图5󰀁空心板桥截面图(单位:cm)

Fig󰀁5󰀁Cross󰀂sectionofaPChollowslabbridge(unit:cm)

:

KM1h1

,1-M1uh(1)

!=C

为分析铺装层对整桥受力性能的影响,采用3

种模型对试验荷载下结构的应力状态进行计算:

模型1:采用铰接板法计算横向分布系数,采用平面梁理论计算;模型2:采用空间实体单元计算,不计铺装层,如图6(a)所示;

模型3:采用空间实体单元计算,考虑铺装层混凝土和沥青混凝土影响,如图6(b)所示。

式中,h1为预制构件高度;h为预制构件和铺装层总高度;M1u为预制构件的极限弯矩;C为常数;K为安全系数。对于预应力混凝土构件,C=0󰀁9,K=1󰀁5。

此外,对于采用无明显屈服台阶预应力筋的预应力试件,一期荷载作用下,预应力筋应力超前的性质使其正截面达到极限承载状态时,预应力钢筋应力可能超过条件屈服应力进入强化阶段,导致其极限承载明显高于同条件的一次整浇梁。试验结果表明

[5]

,!越大正截面承载力提高的程度也越大。

根据试验结果建议,正截面承载力设计时可将预应力钢筋抗拉强度fpy乘以应力增大系数!pc进行计算

[6]

:

!pc=1+0󰀁25

M1h-1。

M1uh1

(2)

2󰀁2󰀁计算结果

图6󰀁计算模型Fig󰀁6󰀁FEMmodel

󰀁󰀁根据本文试验梁的开裂情况,可判断有铺装层

的预应力筋应力将大于后者。另外,叠合梁的破坏由受压区混凝土压碎造成,考虑受压区混凝土应变滞后影响,结构承载力将高于一次整浇梁。但对于采用铺装层翻新加固的桥梁而言,由于梁体通常已出现裂缝,文献[10]在进行加固截面设计时,仍采用一次整浇梁的假定进行计算,这种方法值得商榷。

2󰀁铺装层对整桥受力性能影响

2󰀁1󰀁计算模型

以某新建空心板桥为例,结合桥梁静载试验测试结果,分析桥面铺装的整桥受力性能的影响。该桥为3跨简支结构,单跨跨径13m,桥面宽13󰀁5m,其上部结构为13片装配式预应力混凝土空心板梁,如图1所示,桥面铺装采用组合式铺装,其中沥青

图7、图8绘出了跨中偏载工况下各模型计算结果与实测值的对比情况。从图中可以看出,3种模型计算结果有较大的差异。总体而言,模型3的结果与实测值更为接近,能够较准确地反映桥梁的真实受力状态,这说明桥面铺装的混凝土层和沥青层都能参与整桥受力;相反不考虑桥面铺装的模型,不论是空间模型(模型2)还是平面模型(模型1),计算结果都明显偏大。因而,在桥梁设计中不计铺装层的作用,是偏安全的设计,但就前文试验结果而言,可合理利用这一有利因素,特别是抗裂验算。

此外,对本桥而言,采用3种模型计算的挠度校验系数分别为0󰀁29、0󰀁66和0󰀁27,应力校验系数分别为0󰀁45、0󰀁72和0󰀁38。这也说明当计算模型不计入桥面铺装时,荷载试验的评定结果将难以如实反映桥梁的受力状态。

98公路交通科技第27卷

图10󰀁最大拉应力与铺装厚度关系

Fig󰀁10󰀁Relationbetweenmaximumtensilestressand

pavementdepth

4󰀁结论

本文针对中小跨径桥梁中的桥面铺装层与主梁整体受力问题,进行一系列研究得出以下结论:(1)试验过程中,铺装层混凝土与试验梁共同受力性能良好,达到极限状态时,铺装层与主梁结合面不会出现水平裂缝;

(2)桥面铺装对试验梁的抗裂、刚度和极限承载力都有显著提高,采用10cm厚的混凝土和钢纤维混凝土铺装层,试件的开裂荷载提高36󰀁3%,极限承载力分别提高25󰀁2%和22󰀁7%;

3󰀁铺装层厚度的影响

以本文空心板桥为例,假定铺装层的厚度从0变化至20cm,采用空间模型对厚度的影响进行分

析。图9给出车辆荷载偏载作用下跨中梁底正应力分布曲线,随着铺装层厚度增加梁底应力分布趋于均匀,空心板整体受力性能增强。对铺装层厚度和最大拉应力进行归一化处理,其中hb和∀b分别为不考虑铺装层时空心板梁的高度和最大拉应力。图10绘出最大拉应力与铺装层厚度的关系,由图10可知,随着铺装层厚度增加,梁底拉应力逐渐减小,当铺装层厚度约为梁高0󰀁3倍时,梁底拉应力达到最小值,随后又增大。因而,对不同材料和截面的中小跨径桥梁,选用合适的铺装层厚度将更利于结构的受力。

(3)在进行中小跨径桥梁评估时,其计算模型宜适当考虑铺装层影响,以减小计算假定导致的误差。

(4)不同材料和截面的中小跨径桥梁,选用合适的铺装层厚度将更利于结构的受力,对本文空心板桥而言,铺装层最优厚度约为0󰀁3倍梁高。

参考文献:References:

[1]󰀁顾安邦,范立础.桥梁工程(上)

交通出版社,2000.

GUAnbang,FANLichu.BridgeEngineering(VolumeI)[M].Beijing:ChinaCommunicationsPress,2000.

[2]󰀁黄卫.大跨径桥梁钢桥面铺装设计[J].土木工程学

报,2007,

40(9):

65-77.

ChinaCivilEngineeringJourna,l

HUANGWe.iDesignofDeckPavementforLong󰀂spanSteelBridges[J].2007,40(9):65-77.

[3]󰀁HADIDIR,SAADEGHVAZIRIMA.TransverseCracking

ofConcreteBridgeDecks:State󰀂of󰀂the󰀂art[J].JournalofBridgeEngineering,2005,10(5):503-510.

[4]󰀁HADIDIR,SAADEGHVAZIRIMA.TransverseCracking

ofConcreteBridgeDecks:EffectsofDesignFactors[J].

图9󰀁车辆偏载作用下跨中应力分布

Fig󰀁9󰀁

Stressdistributionatmid󰀂spanduetoeccentricvehicleloadingwithdifferentpavementdepths

JournalofBridgeEngineering,2005,10(5):511-519.

[5]󰀁周旺华.现代混凝土叠合结构[M].北京:中国建筑

工业出版社,1998.

[M].北京:人民

(下转第104页)

104公路交通科技第27卷

[9]󰀁彭伟,李建中.非经典阻尼对减隔震连续梁桥地震响应

的影响[J].中国公路学报,2008,21(5):PENGWe,i

LIJianzhong.

DampingonSeismicResponseContinuousGirderBridge[J].andTransport,2008,21(5):

[10]

63-69.

[13]

InfluenceofNon󰀂classical

ofIsolatedSeismicChinaJournalofHighway63-69.

2006,

SeismicMitigationandIsolationTechniquestoMulti󰀂spanContinuousGirderBridges[J].2005(6):

5-7.

2007,

BridgeConstruction,

彭天波,李建中,范立础.双曲面球型减隔震支座的开发及应用[J].同济大学学报:自然科学版,35(2):176-180.PENGTianbo,[J].

LIJianzhong,

FANLichu.Development

NaturalScience,

andApplicationofDoubleSphericalAseismicBearing

JournalofTongjiUniversity:

176-180.

2005,eta.l

2007,35(2):

王志强,葛继平.粘滞阻尼器和Lock󰀂up装置在连续梁桥抗震中应用[J].石家庄铁道学院学报,19(1):5-9.WANGZhiqiang,

GEJiping.

ApplicationofViscous

[14]

JournalofShijiazhuang

DamperandLock󰀂upDevicesintheSeismicDesignofContinuousGirderBridges[J].RailwayInstitute,

2006,19(1):5-9.

2008,

方海,李升玉,王曙光,等.高烈度区连续梁桥的减震设计方法研究[J].地震工程与工程振动,25(6):178-182.FANGHa,i

LIShengyu,

WANGShuguang,

ResearchonEarthquake󰀂reductionDesignMethodofContinuousGirderBridgesinaHigh󰀂intensityEarthquakeArea[J].

JournalofEarthquakeEngineeringand

2005,25(6):178-182.

20-26.

EngineeringVibration,

[11]陈兴冲,商耀兆,张永亮,等.高墩大跨度铁路简支钢桁梁桥的减震性能分析[J].世界地震工程,24(1):6-11.

CHENXingchong,SHANGYaozhao,ZHANGYongliang,eta.lAnalysisofSeismicReductionPerformanceontheHighPierandLongSpanRailwaySimply󰀂supportedSteelTrussGirders[J].2008,

24(1):

6-11.

2005(6):5-7.YEAijun.

StudyofApplicationof

WorldEarthquakeEngineering,

[15]

黄勇.汶川地震中梁式桥的震害和预防震害的新方法[J].地震工程与工程振动,2008,28(5):HUANGYong.Protection[J].

ThePerformanceofGirderBridgesinJournalofEarthquakeEngineeringand

2008,28(5):20-26.

[12]冯凌云,叶爱君.多跨连续梁桥的减隔震应用研究[J].桥梁建设,FENGLingyun,

WenchuanEarthquakeandaNewMethodforSeismicEngineeringVibration,

(上接第98页)

󰀁󰀁

󰀁

ZHOUWanghua.ModernCompositeConcreteStructure[M].Beijing:ChinaBuildingIndustryPress,1998.

[6]󰀁赵顺波,张新中.混凝土叠合结构设计原理与应用

[M].北京:中国水利水电出版社,ZHAO

Shunbo,

ZHANG

2001.

Design

and

Xinzhong.

[10]

StrengthenRCBridge󰀂deck[J].ChinaCivilEngineeringJourna,l2003,36(4):82-85.

詹华熙,王国亮,魏洪昌.桥面补强层加固法系统研究[J].公路交通科技,2006,23(4):87-90,103.

ZHANHuax,iWANGGuoliang,WEIHongchang.SystemicResearchontheReinforceMethodofExternally󰀂bondedDeckSlab[J].

JournalofHighway

2006,

and23

TransportationResearchandDevelopment,(4):87-90,103.

[11]

ApplicationofConcreteCompositeStructure[M].Beijing:ChinaWaterpowerPress,2001.

[7]󰀁中华人民共和国建设部.GB50010󰀂2002混凝土结构设

计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,

2002.

P.R.China.MinistryofConstruction.GB50010󰀂2002CodeforDesignofConcreteStructure[S].Beijing:ChinaArchitecture&BuildingPress,2002.

[8]󰀁中华人民共和国建设部.GBJ10󰀂混凝土结构设计规

范[S].北京:中国建筑工业出版社,forDesignofConcreteStructures[S].Architecture&BuildingPress,19.

[9]󰀁张雷顺,韩菊红,郭进军,等.新老混凝土粘结补强

在某钢筋混凝土桥面板加固整修中的应用[J].土木工程学报,

2003,36(4):

82-85.

GUOJinjuneta.l

ZHANGLeishun,

HANJuhong,

19.Beijing:

China

[12]

P.R.China.MinistryofConstruction.GBJ10󰀂Code

中国土木工程学会.2020年中国土木工程科学和技术发展研究[C]//2020年中国科学和技术发展研究暨科学家讨论会(下),北京:中国科学技术出版社,2004:86-93.ChinaCivilEngineeringSociety.AVisionofScienceandTechnologyDevelopmentofCivilEngineering[C]//ProceedingsofSymposiumonDevelopmentofScienceandTechnologyin2020,Beijing:ChinaScienceandTechnologyPress,2004:86-93.

中华人民共和国建设部.GB50204󰀂2002,混凝土结构工程施工质量验收规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

P.R.China.MinistryofConstructionGB50204󰀂2002CodeforAcceptanceofConstructionalQualityofConcreteStructures[S].Beijing:ChinaArchitecture&BuildingPress,2002.

ApplicationofBondbetweenNewandOldConcreteto