文章编号:1671-2579(2006)04-0179-06正交异性钢桥面铺装结构理论研究进展杨建军,周志刚,刘晓燕(长沙理工大学,湖南长沙 410076)摘 要:正交异性钢箱梁桥桥面铺装在大跨径桥梁上的工程应用一直是一项极具挑战性的工程技术难题,因此正交异性钢桥面铺装技术的研究受到学术界和工程界的广泛关注。
近几年来关于该课题的研究不断深入,取得了一些阶段性的研究成果。
该文综述了国内外关于正交异性钢桥面铺装体系结构理论方面的主要研究成果,特别是近10年来在该领域取得的新进展,以期为关注该课题的科研人员和相关项目的工程技术人员提供参考。
关键词:正交异性;桥面铺装;钢箱梁;结构理论;研究进展钢箱梁桥面铺装是国际性的工程技术难题。
由于钢箱梁桥面铺装的使用条件、施工工艺、质量控制与要求的特殊性,对它的强度、抗疲劳性能、抗车辙性能、抗剪切性能以及变形协调性等均有较高的要求,目前尚未形成普遍有效的钢桥面铺装设计理论与方法。
随着国内外大跨径桥梁建设的发展(表1为我国新建或在建的部分大跨径钢箱梁桥),以及扁平异性钢箱梁以其卓越的力学性能和经济性能得到了广泛的采用,但正交异性钢桥面铺装的工程应用一直没有得到很好解决,国内外钢箱梁桥面铺装在使用年限内发生破坏的情况屡见不鲜,因此正交异性钢桥面铺装技术的研究受到学术界和工程界的广泛关注。
收稿日期:2006-04-10基金项目:湖南省自然科学基金重点项目(编号:04JJ6027).作者简介:杨建军,男,硕士研究生,讲师.6 总结(1)国外对钢桥面铺装的研究和应用较早,但随着现代交通的发展,其钢桥面铺装也出现了部分问题,需要用发展的眼光不断进行研究。
(2)钢桥面铺装设计需要考虑的因素主要包括:气温环境条件、交通荷载特点、桥面板刚度特性等。
(3)我国钢桥面铺装使用的环境条件较国外更苛刻,应在合理借鉴国外成功经验的基础上,研究设计出适合我国气候、交通、桥面板结构特点的钢桥面铺装方案。
参考文献:[1] Medani,T.O.Asphalt Surfacing A pplied to Orthotr opicSteel Bridg e Decks,A Literature Study.Report 7-01-127-1[R],Road and Railroad Res.L ab.Delft U niver sityof T echno lo gy ,the N ether lands,M arch 2001.[2] M edani,T.O.T ow ards a N ew D esign Philoso phy forSurfacing s o n O rthotr opic Steel Bridg e Decks.Report 7-01-127-2[R ],Ro ad and Railro ad b.Delft U niv ersity of T echnolo g y,the N etherlands,June 2001.[3] R.Gar y H icks,Ian J.Dussek,Char les Seim.A sphaltSur faces o n Steel Deck Br idges.T r anspor tatio n Research Record N o.00-0149[C],N atio nal Resear ch Council,Washingto n D.C.,2000.[4] 潘承纬.Guss 沥青混凝土成效特性之研究[D].国立中央大学土木工程研究所硕士学位论文,2002.[5] 陈仕周,张 华.钢桥面SM A 铺装技术的研究与发展[J].公路交通科技,2004(10).[6] 吕伟民,郭忠印.高强沥青混凝土的配制及其特性[J].中国公路学报,1996(1).[7] 黄 卫,张晓春,胡光伟.大跨径钢桥面铺装理论与设计的研究进展[J].东南大学学报(自然科学版),2002(3).第26卷 第4期2006年8月中 外 公 路 179表1我国新建或在建的部分大跨径钢箱梁桥桥名建成年份/年跨径/m桥型加劲梁形式汕头礐石大桥199847+47+100+518+100+47+47斜拉桥钢箱梁武汉白沙洲长江大桥200050+180+618+180+50斜拉桥钢箱梁南京长江二桥南汊桥200158.5+246.5+628+246.5+58.5斜拉桥钢箱梁武汉军山长江大桥200148+204+460+204+48斜拉桥钢箱梁舟山桃夭门大桥200448+48+50+580+50+48+48斜拉桥钢箱梁安徽安庆长江大桥2004215+510+215斜拉桥钢箱梁润扬长江大桥北汊桥2005175.4+406+175.4斜拉桥钢箱梁苏通长江公路大桥2009100+100+300+1088+300+100+100斜拉桥钢箱梁杭州湾大桥2009y1+448+y2+318+y3(36km)斜拉桥钢箱梁西陵长江大桥1996225+900+255悬索桥钢箱梁虎门大桥1997302+888+348.5悬索桥钢箱梁香港青马大桥1997355+1377+300悬索桥开空钢箱梁江阴长江大桥1999369+1385+309悬索桥钢箱梁厦门海沧大桥1999230+648+230悬索桥钢箱梁重庆鹅公岩长江大桥2000180+600+180悬索桥钢箱梁湖北宜昌长江大桥2001246.3+960+246.3悬索桥钢箱梁润扬长江大桥2005470+1490+470悬索桥钢箱梁香港青龙大桥2007180+1418+190悬索桥优化钢箱梁1正交异性梁板结构正交异性钢桥面板结构,即正交异性支撑结构(图1)上的板,作为弹性支撑连续正交异性板分析已有多种解法,其中解析法是一种较为成熟的经典计算方法,并以Pelican与Esslinger于1957年共同提出的P-E法最为著名。
随着计算机技术的发展,更为精确的数值解法成为正交异性钢桥面板结构计算的主流趋势,目前,较为成熟的是有限差分法、有限条法(张佑启/Cheng.Y.K 于1969年)和有限元法。
在这方面,Dowling(1971)、Tinawi(1977)、Powell(1963)等人的工作为分析研究提供了重要的依据和试验结果。
1974年,正交异性面板桥梁专业协会及Shilling,Charles G.(美)为美国联邦公路交通运输协会提交了正交异性钢桥面桥梁设计及建筑规范。
1976年Blight、Geoffrey E.等人分析了温度和交通荷载对正交异性钢桥面及铺装结构体系弯沉和偏移的作用,分析表明温度和交通荷载的速度对结构的变形有一定影响。
1995年Yao T.Hsu等人提出运用/弹性支撑上的等效梁0(EBEF)经验理论法来分析正交异性结构钢箱梁的扭曲变形效应。
1997年童乐为等人通过结构计算和试验分析正交异性钢桥面结构的力学特性和疲劳性能。
1999年徐军等人研究了正交异性钢桥面板在弹性阶段的应力特性,并分析了构造布置对铺装层力学性能的影响。
同年王应良等人以南京长江第二大桥为工程背景运用有限元方法计算了扁平异性钢箱梁的横隔板的荷载力学响应,并给出板上开挖工程通道的合理位置。
2000年张运良等人分析了具有脱层的正交异性梁板结构的非线性力学特征,并给出临界荷载的计算方法。
2002年陈生金对正交异性钢桥面结构的非弹性行为进行了分析研究,并提出结构的应力集中区域塑性变形控制应纳入结构设计规范。
同年Wolchuk分析了正交异性结构的力学特性,并建议将严格限制正交异性桥面板的柔度纳入桥面铺装设计的规范体系。
2003年万鹏等人讨论了在不同边界条件和加载方式下通过有限元法和P-E法计算正交异性板结构的力学特性的差异,研究结果表明有限元法更能体现结构的整体受力和变形性能。
2004年刘清平等人运用有限元方法分析了斜拉桥正交异性桥面结构的局部应力分布。
2005年Pfeil、Michele S.(巴西)等人对正交异性板结构在荷载作用下产生的应力集中现象进行了计算分析,并提出了结构设计的合理几何参数。
图1正交异性支撑结构(U形肋)180中外公路26卷2铺装层力学特性1971年Ko roneose(德)研究了正交异性钢桥面铺装体系的荷载颤震效应,研究表明沥青铺装层的粘弹性效应在10~20e的温度范围内变化最为显著,温度对铺装层在荷载冲击下的共振效应有明显的影响作用。
1987年,Guenther,G.H.(西德)等人对正交异性桥面板铺装体系进行了计算分析,并归纳沥青混凝土铺装层的力学性能。
1991年,Ali Touran和Alex Okereke(美)对北美地区的12座正交异性钢箱梁桥进行了广泛调查,对该类梁桥的适用性及桥面铺装的服役状态进行了总结分析,并对铺装病害产生的原因进行了初步的探讨。
Battista,R.C.(1999,巴西), ZH U,X.Q.(2000)等人通过有限元法计算和试验分析,对正交异性钢桥面铺装体系在交通荷载作用下的疲劳开裂进行了静力学及动力学的分析研究。
2000~ 2005年我国的黄卫、钱振东、茅荃、胡光伟、邓学钧、顾兴宇、王辉、成峰、高雪池、钟海辉、张亚平等人提交了一系列关于正交异性钢桥面铺装层力学计算及分析的论文,研究铺装层的力学特性及受力变形特点,对铺装层的结构性破坏力学机理进行了分析阐述,研究结果为进一步了解正交异性钢桥面板铺装体系的力学特性和预防铺装体系的结构性破坏有较好的理论指导意义,其中以黄卫、钱振东、邓学钧、顾兴宇等人的研究成果具有代表性。
2000年,肖秋明等人研究了交通荷载行驶和制动时铺装层的剪切应力特性,分析时将桥面铺装结构简化为刚性支撑上的弹性层结构,运用圆形均布垂直与水平力叠加作用下非轴对称性空间课题的一般解计算了铺装层荷载作用区域的剪应力分布及量值,并给出粘结层设计抗剪强度的建议取值范围。
2001年胡光伟等人应用Perzy na理论,对沥青混合料铺装层行车荷载响应特性进行数值模拟,对铺装层结构的非线性力学性能进行了分析,该研究对铺装的推移、车辙等材料非线性破坏研究有一定指导意义。
2002年T atsuo Nishizaw a(日)等人运用有限条元、有限棱柱元和有限连接元构建正交异性桥面铺装结构模型,并给定求解方程,该有限元模型中将板肋结构、粘结层和铺装层设定为3个相对独立结构体系进行结构分析。
2003年罗立峰对桥面铺装结构的界面接触问题进行了分析,该研究对钢桥面铺装的粘结层失效问题有一定理论指导意义。
2004年李昶等人分析了动态荷载作用下铺装体系结构参数的敏感性,该研究对铺装层力学分析有补充和进一步完善的作用。
3荷载效应与温度效应1995年周家蓓对台湾地区的公路交通荷载进行了调查统计,结果表明超载现象非常严重(比设计标准高2.7倍),而且实测交通轴载类型与设计轴载有明显差别,因此建议在钢桥设计中应修正使用的规范。