钢桥桥面及钢桥桥面铺装的非均匀厚度设计：可行性与应力分析

《Structures》：Non-uniform thickness design for steel bridge deck and steel bridge deck pavement: Feasibility and stress analysis

针对钢桥面板铺装（SBDP）的应力集中问题，提出非均匀厚度设计方法，通过局部增厚SBD并相应减薄SBDP，有效降低铺装层应力。结合三种典型铺装组合（GA+SMA、EA+EA、EA+SMA）的有限元分析和工程案例验证，结果表明该方法可减少35%-90.4%的变形并降低48.1%的最大应力，优于传统均匀增厚设计。

　　

作者：易通民、熊超学、徐子健、钱振东

东南大学智能交通系统研究中心，中国江苏省南京市江宁区，邮编211189

摘要

为了解决钢桥桥面铺装（SBDP）频繁出现的损坏问题，本研究提出了一种非均匀厚度设计方法，该方法在关键区域局部增厚钢桥桥面（SBD），同时减小SBDP的厚度以缓解应力集中。研究了三种典型的SBDP组合：GA+SMA（柔性）、EA+EA（刚性）和EA+SMA（刚柔结合）。其中，GA、EA和SMA分别代表浇筑沥青混合料、环氧沥青混合料和石沥青混合料。首先，根据SBDP的力学特性定义了所提出的非均匀厚度设计的原则和实施方法，关键设计参数包括SBD的基准厚度、厚度增量和增厚范围。然后，根据设计标准和变换截面法计算了SBD-SBDP复合结构的挠度和等效弯曲刚度，并分析了非均匀厚度设计参数对复合结构的影响。通过建立有限元模型评估了SBDP中的应力响应。最后，以一座新建的钢箱梁桥作为工程案例，验证了该设计的可行性。结果表明，在桥跨中部应用非均匀厚度设计可显著降低复合结构的挠度。与均匀厚度组相比，所有非均匀厚度组的挠度降低幅度均超过35%，最大降低幅度达到90.4%。当SBD的基准厚度为12毫米时，非均匀厚度组的刚度也有显著提高。有限元分析进一步表明，非均匀厚度设计显著降低了SBDP中的横向拉应力（S11）和纵向拉应力（S33），最大应力降低幅度可达48.1%。所有三种SBDP组合均观察到应力降低，其中GA+SMA组合的应力集中降低最为明显。

引言

钢桥桥面铺装（SBDP）铺设在钢桥桥面（SBD）上，直接影响钢桥的整体使用性能。与普通铺装不同，钢桥桥面在桥跨中部和支撑区域附近会发生显著的弯曲变形，导致SBDP长期受到拉力和压缩力的作用[1]、[2]、[3]，这可能导致开裂、分层和其他形式的损坏。同时，SBD、加劲肋和横隔板形成的不连续支撑会在SBDP内部产生复杂的应力集中，增加在重复交通荷载作用下的损坏可能性[4]。

在工程实践中已经采取了大量措施来解决这些问题。20世纪80年代，中国许多钢桥桥面铺装在通车后不久就出现了早期开裂和分层现象[5]，这促使人们引入高性能材料来提高铺装性能。在SBDP中使用了高粘弹性改性剂，以增强混合料的柔韧性，并提高SBDP与SBD之间的变形适应性，从而降低应力集中[6]。一种典型的柔性组合是浇筑沥青（GA）+石沥青（SMA）SBDP，它由下层的GA混合料和上层的SMA混合料组成。然而，这种组合可能在高温下的稳定性有限。相比之下，环氧沥青（EA）[7]、聚氨酯[8]和超高性能混凝土（UHPC）[9]常用于下层。这些材料的模量远高于传统沥青混合料，有助于抵抗不规则支撑的不利影响。另一种常见的组合是EA+EA刚性SBDP，由两层EA混合料组成。这些方案通常会导致更高的材料成本和更大的施工复杂性（例如，更严格的温度或时间要求、专用设备或固化控制）。同时，一些研究采用了刚性下层复合结构，即将刚性、高模量层（通常是UHPC或EA）粘合到SBD上，作为更坚固的复合支撑。这种策略在降低局部应力方面显示出效果，尽管关于“刚性”的标准以及层间粘结的长期可靠性仍存在争议[10]、[11]、[12]。对铺装层的调整[13]、层间粘结的改进[14]以及施工技术的进步[15]、[16]也在一定程度上缓解了应力集中。然而，这些方法主要基于材料或施工方面，随着成本和复杂性的增加，其边际效益趋于减弱。更重要的是，大多数研究仍然将SBDP视为一个独立组件，被动地适应钢桥的支撑结构（包括SBD、加劲肋和横隔板），这限制了SBDP性能的进一步提升。

支撑刚度不足是SBDP频繁损坏的主要原因之一。作为支撑结构的关键组成部分，增加SBD的均匀厚度已被证明可以直接且有效地提高整体刚度[17]、[18]、[19]，减少弯曲变形，从而缓解SBDP的局部应力集中。有限元分析表明，SBD厚度每增加6毫米，载荷作用下的应变和应力会显著降低[20]。实际上，中国早期应用的桥面厚度从10毫米增加到14毫米，香港-珠海-澳门大桥的桥面厚度甚至达到了24毫米[20]、[21]。然而，均匀增厚会增加自重和施工复杂性，限制了其广泛应用。这种刚度提升与额外重量和施工负担之间的实际矛盾表明，可能需要一种更有针对性的结构策略。

总之，尽管通过高性能材料、优化的铺装层组合和改进的施工技术取得了显著进展，但大多数现有研究仍然将SBDP视为一个独立组件。此外，SBD与SBDP之间的协同设计尚未得到系统研究。在中国传统的施工方法中，SBD通常是一块具有平坦顶面的正交各向异性钢板，SBDP通常采用沿桥纵向厚度恒定的双层结构，如图1(a)所示。这种设计提供了连续且平滑的行驶表面，但往往忽视了SBD-SBDP在纵向上的弯矩和挠度变化。随着交通荷载的持续增加，工程实践通常依赖于对SBD或SBDP的整体措施，如增厚SBD或采用更高性能的材料。为了解决这一限制，本研究将SBD和SBDP视为一个复合结构，并提出了针对较大弯矩和挠度区域的非均匀厚度设计。该设计在局部增厚SBD的同时，相应减小SBDP的厚度，以调整刚度分布并缓解应力集中。所提出设计的示意图如图1(b)所示。非均匀厚度的优势有两个方面：它能够在应力敏感区域实现有针对性的刚度提升，从而减少由变形适应性引起的SBDP中的拉应力需求；与均匀增厚相比，由于厚度增加仅限于关键区域，因此可能更为理想。

在本研究中，可行性仅从有限的角度来理解：所提出的设计应降低SBDP中的应力水平，同时不损害SBD-SBDP复合结构的使用性能。基于这一定义，本研究首先介绍了SBD-SBDP复合结构非均匀厚度设计的基本原理，并提出了确定厚度调整区域的程序。然后使用设计标准评估复合结构的挠度，同时利用变换截面法量化关键参数（包括SBD的基准厚度、厚度增量和增厚范围）对复合结构等效弯曲刚度的影响。随后建立有限元模型，评估非均匀厚度设计如何缓解SBDP中的应力集中，并比较代表性铺装组合的应力响应。最后，以中国安徽省一座新建桥梁的工程案例为例，展示了该设计的可行性和工程适用性，为未来的实施提供了理论和实践参考。

非均匀厚度设计原理

SBDP在不同位置的弯矩和挠度存在显著差异。沿纵向方向，桥跨中部通常承受较大的正弯矩，而靠近支撑区域的区域则承受一定的负弯矩。除了由结构自重引起的桥跨中部向下挠度外，横向也会发生局部变形。

方法论

本节研究了非均匀厚度设计对SBD-SBDP复合结构变形和应力特性的影响。分析包括三个方面：挠度、等效弯曲刚度和应力响应。挠度的计算遵循《公路钢桥桥面铺装设计与施工规范》（JTG/T 3364–02–2019）附录A的规定[22]。刚度的评估采用变换截面法。

非均匀厚度设计对结构挠度的影响

根据中国标准[22]，图5显示了计算得到的挠度结果。在三种SBDP组合中，刚性EA+EA的组合挠度最小，柔性GA+SMA的组合挠度最大，EA+SMA的组合介于两者之间。对于均匀厚度组，随着SBD厚度的增加，SBD-SBDP复合结构的挠度显著降低。当SBD厚度从12毫米增加到20毫米时，所有三种SBDP组合的挠度都有所减小。

案例研究：非均匀厚度设计的应用

选择中国安徽省的合柳叶公路桥作为工程案例，应用并验证SBD-SBDP复合结构的非均匀厚度设计。该桥是一座新建的连续钢箱梁桥，桥跨布局为100米-180米-100米，设计用于一级公路荷载。该桥位于亚热带湿润季风气候区，历史最高温度为41°C，最低温度为-20.6°C，年平均温度……

结论

为了缓解由应力集中引起的SBDP早期损坏问题，本研究基于中国安徽省一座新建钢箱梁桥的工程实践，探讨了SBD和SBDP的非均匀厚度设计应用。研究了三种典型的SBDP组合：GA+SMA（柔性）、EA+EA（刚性）和EA+SMA（刚柔结合）。主要结论如下：

(1)

所应用的非均匀厚度设计……

作者贡献声明

易通民：撰写——原始草案、方法论、研究、资金获取。熊超学：监督、方法论。徐子健：资源、研究。钱振东：监督、方法论、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（编号2018YFB1600304）和江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX23_0300）的支持。