季冻区中小跨径钢桥面铺装的力学响应

为了提出季冻区中小跨径钢桥面铺装控制指标,采用ANSYS软件模拟了铺装层在不同工况下(不同纵、横向荷位布置)的受力特性,研究了荷载(超载)、汽车制动力及温度对铺装层力学响应的影响。结果表明:超载对铺装层性能影响显著,铺装层间黏结的抗剪强度是关键控制指标;随着制动力的增大,各剪应力均逐渐增大,应重点考虑界面抗剪强度;在低温条件下(-40℃～0℃),铺装层表面拉应力较大,应以铺装层表面拉应力为控制指标,而在高温条件下(40℃～60℃),铺装层竖向位移较大,应以铺装表面竖向位移为控制指标。     

大跨径斜拉桥设纵隔板对钢桥面铺装力学特性的影响

利用通用有限元ANSYS软件,计算分析大跨径斜拉桥设纵隔板对钢桥面铺装力学特性的影响,并分析纵隔板两侧加劲肋刚度对钢桥面铺装受力的敏感性.结果表明,铺装层表面最大横向拉应力/应变最不利荷位是荷载对称施加于一加劲肋正上方且紧靠纵隔板一侧,该荷位作用下计算加劲肋的挠跨比控制在要求的1/800～1/1 700范围内;铺装层表面最大纵向拉应力/应变和最大竖向位移最不利荷位均是荷载施加于相邻两加劲肋中心之间的正上方且跨过纵隔板.同时指出纵隔板上方铺装层表面出现更明显的应力集中,它可以通过改变纵隔板两侧加劲肋刚度得以降低,而且纵隔板上方铺装层表面最大横向拉应力/应变与纵隔板两侧加劲肋刚度有很好的相关关系.     

考虑温度-车辆耦合的准低温季节混凝土桥铺装应力分析

为了研究环境与车载耦合作用对混凝土桥铺装层受力的影响,首先推导材料特性随温度变化的沥青混合料桥面铺装在温度—车辆耦合作用下的应力有限元计算公式。然后采用有限元方法建立混凝土箱梁桥多层铺装复合结构仿真模型,通过现场实测和仿真计算,分析准低温季节铺装结构温度场日变化和车辆荷载耦合作用下的铺装层拉应力。计算结果表明:拉应力峰值出现在桥墩上方对应的铺装层表面,较易较早出现开裂破坏;考虑铺装各层结构温度梯度变化后,耦合作用下的横向拉应力峰值在中午处于谷值,纵向拉应力峰值变化不明显;耦合荷载作用下的横向拉应力峰值比车辆荷载作用情况增加2.76倍,纵向拉应力峰值涨幅为42%。在铺装层的设计中必须考虑温度荷载的作用。     

正交异性钢桥面铺装层表面裂缝应力强度因子分析

首先建立了正交异性钢桥面系三维断裂力学有限元模型,计算并对比了开裂铺装层与完好铺装层表面最大拉应变值,结果发现铺装层开裂后会使表面拉应变值减小,表明铺装层表面最大拉应变不适合作为带裂缝铺装层的设计指标,因为铺装层的疲劳破坏是由裂缝前沿的奇异应力场强度,即应力强度因子的大小所决定;接着计算了铺装层表面纵向裂缝和横向裂缝的应力强度因子值,分析了应力强度因子随荷载作用位置变化的规律,确定了轴载作用的最不利荷位。     

非均布轮载下钢桥面铺装力学响应分析

为了对非均布轮栽作用于不同钢桥面系的效应进行预估,在构造理想传力垫层建立三维有限元接触分析模型的基础上,计算了均匀分布、凸形分布、凹形分布3种荷栽分布下铺装层的力学响应。计算分析表明,构造传力垫层加栽的接触分析方法是分析正交异性桥面系作用复杂荷栽模式的一种有效方法,特别是当要考虑多种复杂荷栽模式、多个作用位置时。不同荷栽下铺装层力学响应的对比显示：3种荷栽模式下横向拉应变沿横断面的分布规律相当一致,但凸形分布的计算结果最大、均匀分布次之、凹形分布的计算结果最小;轴载一定时,高胎压轮胎服从凸形分布,所以高压轮胎对铺装层有更大的破坏作用。     

基于车-桥耦合动力作用的车辆与桥梁力学行为

为研究车-桥耦合动力作用下的车辆与桥梁力学行为,基于ABAQUS有限元软件建立二自由度四分之一车辆模型和简支桥模型。车辆模型考虑橡胶轮胎超弹性,桥面铺装层考虑沥青混合料黏弹性。基于轮胎与桥面铺装层接触关系,建立车-桥耦合动力模型,采用中心差分法和有限元理论求解车辆和桥梁时域响应。结果表明:通过与现场桥面铺装层上面层跨中竖向应力测量值比较,验证所建车-桥耦合动力模型具有一定可行性;未添加路面不平度上面层跨中最大竖向压应力、最大横向压应力、最大纵向压应力分别为0.608,0.283,0.338 MPa,添加路面不平度上面层跨中最大竖向压应力、最大横向压应力、最大纵向压应力分别为1.327,0.652,0.706 MPa,分别增大118.257%,130.389%,108.876%;未添加路面不平度最小和最大车辆悬架弹力分别为36.178,59.322 kN,变化幅度为63.973%,添加路面不平度最小和最大悬架弹力分别为33.738,60.859 kN,变化幅度为80.387%;未添加路面不平度纵梁跨中最大竖向压应力、最大横向拉应力、最大纵向压应力分别为0.282,0.193,0.159 MPa,添加路面不平度分别为0.449,0.418,0.348 MPa,分别增加59.220%,116.580%,118.868%。添加路面不平度,车-桥耦合动力效应增强,车辆与桥梁各项响应均增大。     

不均匀压力下旧混凝土路面沥青加铺层响应分析

针对典型旧混凝土路面沥青加铺层结构,利用ABAQUS,建立了考虑轮胎-道面竖向接触压力不均匀分布的三维有限元模型,并对接触压力分布对沥青加铺层压应变、弯拉应变和剪应变的影响进行了分析。结果表明,非均匀接触压力下,压应变峰值显著增大,增幅达55.6%;非均布条件下,加铺层层底横向弯拉应变出现了2处明显的波峰,且峰值应变较均布条件下增大32%;不均匀接触压力会导致加铺层剪应变峰值增大,导致车辙和推移等病害的产生。     

基于桥面铺装材料与复合结构的力学响应研究

基于现场实测数据,并采用有限元软件,对桥面铺装材料及铺装结构进行建模与力学响应分析。结果表明,基于实测数据建立的桥面铺装材料的永久变形预估模型具有良好的适用性与有效性,其模型系数达0.907。铺装材料的模量经反演计算,其误差仅为3.71%。沥青层内最大拉应力、沥青层与混凝土铺装层间剪应力的临界荷位是小箱梁跨中的中心（A1）;上下面层拉应变的临界荷位均为小箱梁支座处腹板上方（B3）;沥青层最大剪应力的临界荷位是小箱梁跨中腹板上方（A3）。     

沥青混凝土铺装层对桥面结构力学性能影响的有限元分析

采用有限元法,分析了沥青混凝土铺装层对桥面结构力学性能影响,结果表明,铺装层最大横向拉应变和拉应力均比最大纵向应变及拉应力大很多,且在沥青混凝土上表面出现;纵向最大拉应力要比横向最大拉应力明显小;铺装下层拉应力要比铺装上层拉应力小,横桥向最大拉应力比纵桥向最大拉应力要明显大;在行车荷载作用下,荷位对铺装各层剪应力影响较小。层间最大横向剪应力要比层内的最大剪应力、层间纵向最大剪应力大很多,横隔板支撑作用随着荷位不断向横隔板靠近越来越明显,这为桥面铺装设计规范化的发展积累提供了参考。     

冬季极端气候下城市快速路钢桥面铺装力学响应

为研究冬季极端气候下城市快速路钢桥面铺装的力学响应及适合该极端气候下的钢桥面铺装方案,解决冬季极端气候下钢桥面铺装在行车荷载作用下容易产生的开裂问题,利用ABAQUS建立钢桥面三维铺装体系模型,模拟不同铺装层厚度组合和不同工作温度等条件,计算“双层EA”结构和“下层EA+上层SMA”结构的铺装层上表面最大拉应力、最大拉应变、最大竖向位移及层间最大剪应力4个特征力学响应值,分析钢桥面铺装厚度对力学控制指标的影响,探究钢桥面铺装温度对力学控制指标的影响,以此进行冬季极端气候下城市快速路钢桥面铺装的结构组合方案优选。研究结果表明:相同铺装材料下,对比3种厚度组合的桥面铺装层上表面最大拉应力、最大拉应变、最大竖向位移及层间最大剪应力,均为下层2. 5 cm+上层3. 5 cm下层3 cm+上层3. 5 cm下层3 cm+上层4 cm;在-45～50℃范围内,随着温度升高,两种铺装结构的铺装层上表面最大拉应力和层间最大剪应力逐渐减小,铺装层上表面最大拉应变、最大竖向位移增大;“双层EA”结构铺装层上表面最大拉力大于“下层EA+上层SMA”结构;“双层EA”结构和“下层EA+上层SMA”结构铺装层上表面最大拉应变、最大竖向位移和层间最大剪应力较为接近;“下层3 cm EA+上层4 cm SMA”的铺装结构能够适应冬季极端气候工况。     

温度-移动荷载耦合作用下沥青路面结构力学响应研究

建立沥青路面结构有限元模型,计算沥青路面结构在一天内温度连续变化条件下温度场分布,在此基础上进行温度与移动荷载耦合,分析沥青路面结构在温度-移动荷载耦合作用下的力学响应。结果表明,沥青面层温度场在一天内的变化呈现先减小、后迅速增大、再减小并趋于缓和的趋势,基层以下路面结构层温度几乎不发生变化;在温度-移动荷载耦合作用下,路表最大竖向位移比不考虑温度作用时最大竖向位移增大8.60%,沥青层层底拉应变比不考虑温度作用时层底拉应变增大176.26%;车辆速度和轴重影响沥青路面的力学响应,随着荷载移动速度的增大,路表竖向位移减小、竖向压应力增大,随着轮胎接地压强的增加,路表横向压应力、竖向压应力和纵向压应力都增大。     

超高性能轻型组合桥面铺装体系基本力学性能研究

为解决大跨径钢桥面疲劳开裂和铺装层早期损坏这两大难题,提出薄层聚合物混凝土(TPO)铺筑于超高韧性混凝土(STC)-钢桥面板的超高性能轻型组合桥面铺装体系。基于马房大桥的有限元模型,分析STC+TPO铺装体系的受力和变形特点。计算结果表明:采用STC+TPO铺装体系,钢桥面板中的拉应变平均降幅达76.4%,铺装层中的拉应变峰值和竖向位移峰值降幅均大于49.0%;此外,车辆荷载、环境温度和铺装层厚度等对STC+TPO铺装体系的受力状况有较大影响,60℃时STC-TPO界面抗剪强度可达2.56 MPa;STC+TPO铺装体系能大幅提高桥面系刚度,降低铺装层和桥面板的应力应变幅值,从而减小桥面板和铺装层疲劳开裂的风险;同时,STC和TPO的抗拉强度及界面抗剪强度均满足重载和高温环境下的使用要求。     

移动荷载作用下钢桥面铺装层振动特性分析

为了分析移动荷载对钢桥面铺装体系的振动特性响应的影响,采用通用有限元软件ABAQUS将行车荷载简为均布移动荷载,建立含有路面铺装层的钢混桥梁上部结构三维有限元模型。通过改变车辆轴数、行车速度,来探究钢桥面铺装体系的垂向位移、横向拉应力、横向剪应力的变化趋势,并对比了静力荷载、单轴移动荷载和多轴移动荷载作用下的动态响应。大量的数值模拟结果表明,移动荷载作用下的垂向位移均大于静力荷载作用下的垂向位移,多轴移动荷载作用下的垂向位移具有叠加效果,多轴移动荷载作用下的垂向位移大于单轴,并且随着行车速度的提升,钢桥面的动态响应逐步增加。最后得出的结论对进一步分析钢混桥面铺装体系的动态响应提供理论参考价值。     

基于可靠度指标的桥面铺装层设计参数确定

通过对桥面铺装层力学性能的分析研究,确定对铺装层力学性能与其设计参数的关系,如铺装层最大横向拉应力、最大横向剪应力及其表面最大弯沉与铺装层厚度之间的关系;铺装层最大横向拉应力、最大横向剪应力、最大横向拉应变、最大纵向拉应力、最大纵向剪应力、最大纵向拉应变与铺装层材料弹性模量之间的关系,建立了桥面铺装层可靠度计算模型,确立可靠度指标与铺装层设计参数的关系,为桥面铺装可靠性设计提供依据。     

水泥砼桥面沥青铺装受力特性研究

以来马(来宾—马山)高速公路上林互通式立交桥沥青铺装工程为例,建立梁体有限元模型,在最不利荷位处加载,以铺装层层顶拉应力和层间剪应力为计算指标,分析不同铺装模量、厚度对沥青铺装受力的影响。结果表明,根据不同模量组合下应力变化情况,采用上粗下细的铺装方案更为合理;增加铺装层厚度能改善铺装层的受力状况,其中以合理增加铺装上层厚度为宜。     

热轧纵肋与传统纵肋正交异性钢桥面铺装层受力特性对比研究

为研究热轧纵肋正交异性钢桥面板铺装层的受力特性,首先建立了钢桥面铺装体系的精细化有限元分析模型,进行多轮位工况下的仿真分析,得到铺装层主要设计指标(表面最大拉应力、层底最大剪应力及最大竖向压应变)对应的最不利荷位,并与传统纵肋钢桥面铺装模型进行比较。对热轧纵肋钢桥面铺装层主要设计指标进行构造参数局部敏感性分析,得出各指标的主要影响参数。研究结果表明:当采用相同铺装方案时,热轧纵肋钢桥面铺装层最大竖向压应变相对传统纵肋钢桥面铺装层的更小,从而表现出更好的抗车辙能力;铺装层弹性模量、铺装层厚度与顶板厚度对各设计指标影响较大,而横隔板厚度与纵肋肋底厚度的影响较小。     

大跨度桥梁混凝土收缩徐变对桥面铺装受力的影响分析

混凝土收缩徐变使主梁的竖向挠度增大,由于铺装层与主梁粘合在一起,铺装层与主梁共同变形,铺装层的变形受到端部伸缩装置、主梁的粘结等的约束从而使铺装层受力。该文针对布柳河大桥工程实例,采用有限元的方法计算混凝土的收缩徐变引起的铺装层的应力。计算结果表明,混凝土的收缩徐变效应对铺装层产生的拉应力和剪应力不容忽略。     

机场复合式道面力学响应敏感性分析

为了研究不同边界条件对飞机轮载作用下机场复合式道面力学响应的影响,基于三维有限元模型,考虑临界荷位到水泥混凝土板接缝的传荷能力,获取了不同起落架构型的3种飞机(B737-300,B767-300ER和B777-300ER)轮载作用下复合式道面各层的力学响应,并对不同层间结合系数、不同沥青加铺层厚度、不同水泥板厚度及有无制动力下复合式道面的力学响应做了对比分析。结果表明:多轴起落架荷载下的力学响应呈多应力峰值,力学响应随轮轴数增加显著增大且呈现出叠加效应;随着层间结合系数的减小,沥青加铺层表面应力峰值和沥青加铺层层底应力峰值均增大,水泥板底拉应力峰值减小,机型越大,力学响应对层间结合系数的敏感性就越强;随着沥青加铺层厚度的增加,沥青加铺层层底拉应力峰值逐渐增大,板底部拉应力峰值均匀减小;沥青加铺层层底应力峰值随着水泥板厚度的增加而减小;水泥板厚度在25～35 cm时,水泥板底应力峰值随厚度增加而减小,厚度在35～40 cm时,板底应力峰值随厚度增加反而增大;飞机制动过程中,沥青加铺层表面的纵向压应力增加显著,解释了跑道两端车辙比较严重的现象;沥青加铺层层底,在起落架前方表现为压应力,在起落架后方表现为拉应力,拉应力峰值沿着飞机运动方向呈阶梯形减小,除单轴双轮的B777-300外,其他机型作用下沥青加铺层层底拉应力增加显著,很好地解释了跑道两端滑移裂缝、疲劳裂缝严重的现象。     

水泥混凝土桥桥面沥青铺装层的有限元分析

桥面铺装问题解决的前提是明确铺装层结构的受力状态及特点。采用三维有限元分析方法,建立了完整的简支T梁混凝土桥,确定了临界荷位,分析了在非均布荷载作用下,不同沥青铺装层结构组合的力学响应。分析显示,当荷载完全作用于边梁一侧时,对铺装结构最为不利;非均布荷载对铺装层结构的力学响应有很大影响,凸型荷载产生的最大剪应力或是层间剪应力都明显大于凹型荷载产生的应力;铺装层间水平方向的相对滑移趋势随面层厚度的增大,显著减小;合理的材料设计和结构组合对沥青混凝土桥面铺装具有重要意义。     

钢桥面铺装粘弹性力学分析

由动态力学试验数据通过粘弹性力学关系式转换,得到用Prony级数进行数值表征的广义Maxwell模型参数。在此基础上,以九江长江公路大桥为例,通过有限元建模,模拟分析荷载-温度耦合作用下钢桥面铺装面层表面的应变状态,计算得到典型温度下4种铺装结构表面最大横向弯拉应变及其分布特征。结果表明,某温度下的一个加载过程中,任一荷位出现最大表面横向弯拉应变的位置在横断面上的分布是不同的,而双层环氧沥青混凝土铺装结构增加Eliminator防水粘结层可有效降低铺装表面最大横向拉应变。