大跨径钢桥面沥青铺装层有限元分析
摘 要：为了研究大跨径钢桥面沥青铺装的疲劳开裂，探讨不同钢桥面与铺装层的工作状态对铺装层受力的影响，采用有限元分析方法及断裂力学，分别建立钢板和铺装层各自完好或含有裂缝等4种不同状态下的三维有限元模型，计算分析了正交异性钢板和沥青铺装层不同工作状态下的沥青铺装层受力。
关键词：道路工程；桥面铺装；沥青混合料；裂缝正交异性桥面板
引言：在我国，由于车流量增长速度较快，特别是重型车辆和超载车辆的增加，其疲劳问题也日益突出，桥面铺装层作为大跨径钢桥的重要组成部分，疲劳开裂问题是桥面铺装层最主要的破坏形式之一。国内外部分大跨径钢桥在建成通车后都会相继出现沥青铺装层与钢桥面板的疲劳开裂，而目前将两者结合起来考虑研究铺装层受力状况及疲劳裂缝扩展的研究比较少，因此研究正交异性板在开裂状态与完好状态下铺装层的受力情况具有现实意义。
正文：
正交异性钢桥面板，是用纵横向相互垂直的加劲肋（纵肋和横肋）以及桥面盖板所组成的共同承受车轮荷载的结构，其构造细节十分复杂。当车辆通过时，汽车轮载在各部件上产生的应力，以及在各部件交叉处产生的局部应力和变形也非常复杂，因此钢桥面板的疲劳问题是设计考虑的重点之一。自1966年英国Severn桥采用扁平钢箱梁以来，正交异性板陆续出现许多疲劳裂纹。由于正交异性板不可能更换，产生裂纹后修补又较为困难，50多年来，通过一系列的试验研究和有限元分析方法，以及实践、试验经验总结，对钢桥面板构造细节的设计和焊接工艺不断进行了改进，使得钢桥面板产生裂纹的概率大大减少。
但是由于正交异性钢桥面板自身较薄，钢材用量少，承载能力大，在大量的垂直、重复荷载作用下，会产生较大的局部鼓曲状变形，而且任一部件的竖向挠曲变形都将引起与之相邻部件的面外挠曲变形，在焊缝约束处产生弯曲次应力。而且，汽车轮载在桥梁使用寿命（ge;100年）内的作用次数很多，一旦产生裂纹，又直接导致桥面铺装层的损伤，因此至今正交异性钢桥面板的疲劳问题仍备受关注。
在我国，作为早期公路用桥破损桥面板更新的主要选择，由纵肋、横梁和桥面盖板三者焊接组成的钢桥面板因其质量轻、强度高、施工速度快的优点，已在国内外大中跨度的现代公路钢桥中得到广泛的应用，如虎门大桥、杭州湾大桥、江阴长江大桥、苏通大桥、润扬大桥、南京长江二桥等大跨径桥梁均采用正交异性钢桥面板作为其桥面板的选择。另外正交异性钢桥面板也已作为早期公路用桥破损桥面板更新的主要选择，如著名的南京长江大桥在历经27个月的封闭改造时把正桥公路混凝土桥面全部更换成钢桥面。然而，由于直接承受车辆的荷载作用，在车轮局部荷载作用下，桥面板局部横向发生弯曲，加上焊接节点的应力集中现象和难免的焊接缺陷问题，钢桥面板易于疲劳开裂。
正交异性钢桥面板的概念体系首先是由德国桥梁专家Leonhardt提出并主要应用于第二次世界大战之后修复受战争损坏的桥梁以及解决材料短缺的问题。1950年，西德在Mannllein复建完成了跨越Neckar河的Kurpfalz桥，Kurpfalz桥是世界上第一座明确使用开口加劲肋的正交异性钢桥面板的桥梁，是正交异性钢桥面板发展史上的一个里程碑，1951年西德复建完成了Dusseldorf-Neuss连续钢箱梁桥，跨度为103m 206m 103m。它是跨度超过200m的第一座钢梁桥。其关键技术就是采用了正交异性钢桥面板这种桥面板结构形式，从而使桥自重有效的减少。开口肋截面形式的正交异性板具有构造较为简单、易于加工制造、便于肋与肋之间的连接等优点，但是由于其抗扭刚度小，焊接工作量大，纵肋跨度较小等不足之处，因此，闭口肋形式的正交异性板因其具有抗扭刚度大、稳定性好、焊接工作量少、承载能力大等优点开始被广泛采用。
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