车辆动载-大气温度-桥型结构耦合作用下钢桥面铺装动态力学响应特性研究

At present, structural design for steel bridge pavement remains in the statics stage. In this proposal, the dynamic modulus functional expression of pavement material will be obtained on the dynamic modulus test data by using the time temperature equivalence principle and Genetic Algorithm. Modulus functional expression can show the dynamic response relation of the material parameter in variation of the driving speed and atmospheric temperature. And then, the carrier model needed for dynamic response analysis is a composite structure model of “orthotropic steel bridge decks plus pavement” in consideration of the whole bridge structure characteristics based on the substructure method and stiffness matching principle. Finally, a dynamic mechanics response model and analysis for steel bridge pavement will be established and the mechanics control index on pavement material and structure will be acquired under the couple effect of dynamic load of moving vehicle, atmospheric temperature, bridge structure and so on. The research results will guide the steel-bridge pavement structural design and provide mechanics analysis foundation for its dynamic design methods and theory.

目前钢桥面铺装结构设计仍然停留在静力学设计阶段。本项目首先利用时温等效原理和基因遗传算法拟合动态模量试验数据，得出铺装材料动态模量函数式，函数式可以有效表征出材料参数随行车速度和大气温度变化的动态响应关系。而后，基于子结构法和刚度匹配原则，建立考虑整桥桥型结构特点的“正交异形钢桥面板+铺装层”的复合结构模型，为动态响应分析提供载体模型。最后，构建考虑行车动载、大气温度、桥型结构等因素耦合作用下的钢桥面铺装动态力学响应模型，进行钢桥面铺装层的动态力学响应分析，获取铺装材料与结构的力学控制指标。研究成果可以指导钢桥面铺装层结构设计，为钢桥面铺装动态设计方法和理论的构建提供力学分析依据。

为了研究车辆动载、大气温度等实时动态变化因素对桥面铺装层力学特性的影响，弥补钢桥面铺装结构设计经验法或基于静态力学分析的设计方法在实际应用过程中不能较好反映实际环境情况的缺陷。本项目选取环氧沥青混凝土、浇注式沥青混凝土、SMA沥青混凝土三种桥面铺装常用材料，对其动态参数进行试验研究。采用4℃、20℃、40℃和60℃作为弯曲动态模量的试验温度，利用UTM试验加载系统对上述材料进行四点弯曲梁动态频率扫描试验测试铺装材料的动态模量。针对斜拉桥、悬索桥，利用Abaqus软件建立整桥结构的鱼骨梁有限元仿真模型，计算出钢桥面板最不利响应区域。采用子结构法，准确建立局部复合结构模型与整桥模型的力学对应关系，依据刚度匹配原则，根据计算所得钢桥面板最不利区域的应力、变形云图，在精密的网格密度下对铺装进行力学响应分析，采用网格对应的方式，确定出局部模型的边界约束条件，建立与箱梁节段尺寸相近的钢桥面铺装体系局部分析模型。基于时温等效原理，利用基因遗传算法，通过迭代运算方式精确地描述出材料模量随温度、加载频率变化的关系曲线，拟合得到环氧沥青铺装材料的动态模量与试验温度、加载频率的函数关系式，对有限元软件进行二次开发，将上述函数关系式进行有限元数值格式化处理植入Abaqus软件中，作为铺装材料动态模量的参数，进一步输入不同桥型的仿真模型中，用以分析环氧沥青混合料作为桥面铺装层，在正交异性桥面板上的剪切、弯拉的应力应变值及其与气候温度、车辆荷载与桥型结构的变化规律，为铺装设计提供力学分析依据。