大跨径钢桥桥头剪力键力学作用特性分析论文_闫飞龙, 王保武, 赵庆水

摘要：大型钢桥结构具有结构较轻、经济性较好的特点，从而使其得到了广泛的应用。近几年，钢桥桥头铺装层破坏现象日益严重，为了提高钢桥桥头位置铺装层的抗剪性能，桥头剪力键应运而生。本文对钢桥桥头剪力键尺寸及布置形式进行了设计，并利用有限元软件ANSYS对剪力键的作用进行了力学分析。通过分析发现，桥头剪力键可有效避免钢桥桥头沥青混合料铺装层发生剪切破坏。

关键词：大跨径钢桥；桥头铺装层；剪力键；有限单元法；力学分析

引言

近几年来，桥头跳车现象呈现日益加剧的态势。钢桥桥头跳车会对桥头位置的沥青混合料铺装层造成较大的冲击作用，易造成桥头位置的铺装层受剪破坏，从而影响到行车安全和桥梁使用寿命。为了解决由桥头跳车引发的钢桥桥头铺装层剪切破坏难题，提高桥头位置铺装层的抗剪性能，桥头剪力键应运而生。

桥头剪力键布置形式

剪力键布置形式及焊接：在除锈完成的钢桥面上以垂直于行车道方向焊接两排10mm×10mm×50mm的钢制剪力键，布置间距为30cm。剪力件须经除锈处理，5cm全长焊接在钢桥面上，不得出现虚焊现象，保证焊接强度。如图1所示：

图1 桥头剪力键布置与荷载移动方向图

有限元模型及荷载条件

分析采用温度为20℃（常温），某沥青混合料铺装层的厚度选取为5cm，分别采用桥头有、无剪力键的有限模型进行对比分析。

选取的结构模型为长4250mm×2400mm，横向包含4个U形肋，纵向包含一个横隔板，模型结构如图2、图3所示：

图2无剪力键结构立体图 图3有剪力键结构立体图

依据相关标准，标准轮胎接地压强0.707MPa，考虑30%的冲击作用和30%的超载作用后，最终确定轮胎接地压强为1.2MPa[1]。采用移动荷载加载方式，荷载作用位置和移动方向如图1所示。模型约束条件为横隔板底部固结（全约束），桥头位置固结，高粘沥青混合料铺装层与钢板交界面为完全连续，其他边界为自由边界。

桥头有无剪力键力学分析

图4 桥头剪应力及变形云图

考虑到行车方向，分析的位置选择在剪力键的后方（车辆荷载作用处的前方）。在数据分析时，用Y来表示桥头设置了剪力键，用N来表示桥头无剪力键。计算结果如图5、图6、表3所示：

（a） （b）

图5桥头铺装层有无剪力键水平剪应力沿横桥向变化图

（a） （b）

图6有无剪力键水平剪应力极值对比图

表3 桥头位置剪力键后方高粘沥青混合料铺装层底层有无剪力键最大水平剪应力

对图5、图6以及表3所显示的水平剪应力进行分析，可以得出以下结论：

1）剪力键可以起到减小其后方铺装层纵向剪应力的作用。就其最大纵向剪应力而言，剪力键可以使其降低38%，有效地减小了该位置处沥青混合料铺装层的纵向剪应力。

2）剪力键可起到减小其后方铺装层横向剪应力的作用。就其最大值而言，剪力键可以使其降低22%，有效地减小了该位置处沥青混合料铺装层的横向剪应力。

结论

综上所述，桥头位置设置剪力键可以有效地降低该位置处沥青混合料铺装层的水平剪应力。就最大纵向剪应力而言，其值可降低38%；就最大横向剪应力而言，其值可降低22%。剪力键的设置可以避免或减轻桥头位置铺装层因桥头跳车而引发的剪切破坏，延长其使用寿命，保证钢桥使用安全。

参考文献

[1] 成峰.大跨径钢桥面铺装力学分析深入研究-静力结构分析、移动荷载响应及铺装结构优化分析[D].南京：东南大学，2004.

论文作者:闫飞龙, 王保武, 赵庆水

论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年第4期

论文发表时间:2020/4/22

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