本發(fā)明屬于橋梁結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，特別涉及一種公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝的多尺度設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
：公鐵兩用大橋以其獨特的結(jié)構(gòu)特點，允許公路和鐵路共同運行，既節(jié)省了資源，又獲得了極大的經(jīng)濟效益，在橋梁建設(shè)中極為常見。然而現(xiàn)行的橋梁建設(shè)規(guī)范中，并沒有針對公鐵兩用大橋這一特殊橋型的具體規(guī)范。在對公鐵兩用大橋的設(shè)計及維修加固中，公鐵兩用大橋的公路橋和鐵路橋往往是分開設(shè)計的，缺少整體性的考慮。公路橋橋面鋪裝層作為最易遭到損壞的部位之一，受到公路荷載的直接作用，由于公路橋和鐵路橋之間的連接，鐵路荷載對橋面鋪裝層的間接作用同樣不容忽視，而現(xiàn)行的規(guī)范和施工方法中，并沒有確切的應(yīng)對方法。公鐵兩用大橋公路橋橋面鋪裝層的剪力釘、鋼筋網(wǎng)等細部構(gòu)件的設(shè)計參數(shù)，往往是從一般公路橋梁的應(yīng)用中推廣得出的，缺少對鐵路橋的影響考慮，而鐵路荷載對公路橋面鋪裝層的沖擊震蕩等間接作用，也會極大的損壞剪力釘、鋼筋網(wǎng)等細部構(gòu)件的服役壽命。因此，一種能夠綜合考慮鐵路橋和公路橋的荷載耦合作用的公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝的設(shè)計方法是非常必要的。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝的多尺度設(shè)計方法，建立公鐵兩用大橋多尺度模型，包括整橋模型、局部模型和細部模型?？紤]公路荷載和鐵路荷載的耦合作用，針對不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)和影響因素進行了計算與分析，對相關(guān)設(shè)計提出了有益的補充。本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題采用的技術(shù)方案如下：一種公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝的多尺度設(shè)計方法，其特征在于：該方法包括：應(yīng)用模擬軟件(ansys)建立公鐵兩用大橋整橋模型、公路橋局部模型和鋪裝層細部模型，進行靜力學(xué)仿真計算，然后對鋼橋面鋪裝的各項設(shè)計參數(shù)：鋪裝材料基本力學(xué)參數(shù)、鋼筋網(wǎng)、剪力釘進行模擬仿真，以得到對鋼橋面鋪裝層的影響情況。本發(fā)明考慮了公路荷載和鐵路荷載的耦合作用對公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝的影響，通過整橋模型、公路橋局部模型和橋面鋪裝細部模型的等效力學(xué)傳遞，分析并設(shè)計公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)；具體針對公路-鐵路荷載效應(yīng)、各尺度模型的幾何尺寸、橋面鋪裝材料的剛度匹配、鋼筋網(wǎng)間距、鋼筋直徑、剪力釘間距和剪力釘直徑等因素進行了力學(xué)響應(yīng)分析，得到了各因素對公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝受力與變形的影響大小。所述公鐵兩用大橋整橋模型的建立具體包括如下步驟：(1)通過等效抗彎剛度方法，將各橋面鋪裝層等效為一整塊正交異性鋼橋面板；(2)正交異性鋼橋面板及公路縱梁用shell63單元模擬，桁架桿件及三角形托架用beam188單元模擬；(3)不同單元之間通過共節(jié)點方法連接；(4)根據(jù)實際情況于橋墩、橋臺處約束自由度；(5)根據(jù)《jtgd60-2015公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》對車輛簡化的要求，將簡化車輛靜荷載滿布于公鐵兩用大橋的公路橋部分；(6)根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范tb10002.12005》中對鐵路列車豎向靜活載的規(guī)定，將“中-活載”加載于鐵軌縱梁之上；(7)分析公鐵兩用大橋公路橋橋面鋪裝層在公路荷載和鐵路荷載的耦合作用下的應(yīng)力和應(yīng)變大小，以此作為設(shè)計和維修加固的參考依據(jù)。所述公鐵兩用大橋局部模型的建立具體包括如下步驟：(1)將正交異性鋼橋面板、公路縱梁以及三角托架鉚接鋼板用shell63單元模擬，將三角托架用beam188單元模擬，將橋面鋪裝層用solid65單元進行模擬；(2)不同單元之間通過共節(jié)點方法連接；(3)根據(jù)所選局部模型在整橋模型中的位置，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件；(4)根據(jù)《jtgd60-2015公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》對車輛簡化的要求，將簡化車輛靜荷載滿布于公鐵兩用大橋的公路橋部分；(5)根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范tb10002.12005》中對鐵路列車豎向靜活載的規(guī)定，將“中-活載”加載于鐵軌縱梁之上；(6)通過建立不同尺寸的局部模型，選取得到收斂計算結(jié)果的尺寸模型；(7)分析公路荷載和鐵路荷載作用下，鋪裝層混凝土的受力大小，以確定采用適合的混凝土種類、等級和厚度等相關(guān)參數(shù)。所述公鐵兩用大橋細部模型的建立具體包括如下步驟：(1)將橋面鋪裝用solid65單元進行模擬，鋼筋網(wǎng)采用桿單元link8單元模擬，剪力釘用beam188單元模擬，并將混凝土鋪裝下層與剪力釘對應(yīng)位置的節(jié)點自由度耦合；(2)不同單元之間通過共節(jié)點方法連接；(3)根據(jù)細部模型在整橋模型中的位置，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件；(4)建立鋼筋網(wǎng)模型，通過不同鋼筋間距、鋼筋直徑下的混凝土應(yīng)力應(yīng)變大小，以確定最佳間距和直徑；(5)建立剪力釘模型，通過不同剪力釘直徑、間距和高度對鋪裝層混凝土應(yīng)力應(yīng)變大小的影響，以確定剪力釘?shù)淖罴阎睆?、間距和高度。本發(fā)明具有如下優(yōu)點：(1)建立公鐵兩用大橋的整橋模型，通過施加公路荷載和鐵路荷載，可以得到公路荷載和鐵路荷載的共同作用下，公鐵兩用大橋公路橋鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變影響大小，以此作為設(shè)計和維修加固的參考依據(jù)；(2)建立公鐵兩用大橋局部模型，準(zhǔn)確的模擬鋪裝層的承載狀態(tài)，鋪裝層混凝土采用solid65單元進行模擬，正交異性鋼板、公路縱梁和三角托架鉚接鋼板采用shell63單元模擬，三角托架采用beam188單元模擬，通過建立不同尺寸的局部模型，選取得到收斂計算結(jié)果的尺寸模型，以此分析公路荷載和鐵路荷載作用下，鋪裝層混凝土的受力大小，以確定采用適合的混凝土種類、等級和厚度等相關(guān)參數(shù)；(3)建立公鐵兩用大橋細部模型，包括鋼筋網(wǎng)模型和剪力釘模型，通過對細部模型的受力狀態(tài)分析，以及周圍混凝土的應(yīng)力應(yīng)變大小，以確定最優(yōu)的鋼筋網(wǎng)間距、鋼筋直徑、剪力釘間距和剪力釘直徑等設(shè)計參數(shù)。本發(fā)明填補了現(xiàn)行設(shè)計和施工方法中的空白，針對公鐵兩用大橋這一特殊橋型，將公路荷載和鐵路荷載對公路橋橋面鋪裝層的影響得以模擬計算出來，模型各項參數(shù)均可以按照實際設(shè)計參數(shù)和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)取值，細部構(gòu)造例如鋼筋網(wǎng)和剪力釘?shù)脑O(shè)計參數(shù)也可以通過細部模型，得到有效的設(shè)計參考值，解決了設(shè)計和維修加固中所面臨的部分技術(shù)難題。本發(fā)明可以彌補公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝設(shè)計方法的不足，有助于形成我國公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝設(shè)計方法的技術(shù)方案，完善我國公鐵兩用大橋設(shè)計體系，研究成果可直接應(yīng)用于公鐵兩用大橋的設(shè)計和維修加固中，具有重要的理論和實用意義。附圖說明圖1為公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝圖；圖2為公鐵兩用大橋整橋模型圖；圖3為公鐵兩用大橋公路橋施加公路荷載圖；圖4為公鐵兩用大橋公路橋局部模型；圖5為公鐵兩用大橋公路橋橋面鋪裝細部模型；圖6為鋼筋網(wǎng)模型圖；圖7為剪力釘模型圖；圖8為不同荷載作用下公鐵兩用大橋鋪裝層的應(yīng)變響應(yīng)。具體實施方式下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體的說明，如圖1-8所示，一種公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝的多尺度設(shè)計方法，應(yīng)用ansys軟件建立公鐵兩用大橋整橋有限元模型，如圖2所示，具體步驟如下：(1)通過等效抗彎剛度方法，將各橋面鋪裝層等效為一整塊正交異性鋼橋面板；(2)正交異性鋼橋面板及公路縱梁用shell63單元模擬；桁架桿件及三角形托架用beam188單元模擬；(3)不同單元之間通過共節(jié)點方法連接；(4)根據(jù)實際情況于橋墩、橋臺處約束自由度；(5)根據(jù)《jtgd60-2015公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》對車輛簡化的要求，將簡化車輛靜荷載滿布于公鐵兩用大橋的公路橋部分，施加公路荷載模型如圖2所示；(6)根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范tb10002.12005》中對鐵路列車豎向靜活載的規(guī)定，將“中-活載”加載于鐵軌縱梁之上；(7)分析公鐵兩用大橋公路橋橋面鋪裝層在公路荷載和鐵路荷載的耦合作用下的應(yīng)力和應(yīng)變大小，以此作為設(shè)計和維修加固的參考依據(jù)。根據(jù)本發(fā)明所建立的公鐵兩用大橋整橋有限元模型，考慮施加的公路荷載和鐵路荷載的耦合作用，可以計算得到在公鐵兩用大橋承受最不利荷載時，鋼橋面鋪裝層的應(yīng)變及應(yīng)力值，具體計算結(jié)果見實施例所示。應(yīng)用ansys軟件建立公鐵兩用大橋局部模型，如圖4所示，具體如下：(1)正交異性鋼橋面板、公路縱梁以及三角托架鉚接鋼板用shell63單元模擬；三角托架用beam188單元模擬；橋面鋪裝層用solid65單元進行模擬；(2)不同單元之間通過共節(jié)點方法連接；(3)根據(jù)所選局部模型在整橋模型中的位置，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件；(4)根據(jù)《jtgd60-2015公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》對車輛簡化的要求，將簡化車輛靜荷載滿布于公鐵兩用大橋的公路橋部分；(5)根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范tb10002.12005》中對鐵路列車豎向靜活載的規(guī)定，將“中-活載”加載于鐵軌縱梁之上；(6)通過建立不同尺寸的局部模型，選取得到收斂計算結(jié)果的尺寸模型；(7)分析公路荷載和鐵路荷載作用下，鋪裝層混凝土的受力大小，以確定采用適合的混凝土種類、等級和厚度等相關(guān)參數(shù)。本發(fā)明的目的在于，提供基于精細靜力仿真的公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝的多尺度設(shè)計方法。應(yīng)用ansys軟件建立公鐵兩用大橋細部模型，如圖5所示，考慮模型的幾何尺寸、橋面鋪裝材料的剛度匹配、鋼筋網(wǎng)間距、鋼筋直徑、剪力釘間距和剪力釘直徑等因素的影響，具體步驟如下：(1)橋面鋪裝用solid65單元進行模擬；鋼筋網(wǎng)采用桿單元link8單元模擬；剪力釘用beam188單元模擬，并將混凝土鋪裝下層與剪力釘對應(yīng)位置的節(jié)點自由度耦合；(2)不同單元之間通過共節(jié)點方法連接；(3)根據(jù)細部模型在整橋模型中的位置，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件；(4)建立鋼筋網(wǎng)模型，通過不同鋼筋間距、鋼筋直徑下的混凝土應(yīng)力應(yīng)變大小，確定最佳間距和直徑；(5)建立剪力釘模型，通過不同剪力釘直徑、間距和高度對鋪裝層混凝土應(yīng)力應(yīng)變大小的影響，以確定剪力釘?shù)淖罴阎睆?、間距和高度。根據(jù)本發(fā)明所建立的公鐵兩用大橋細部模型，可以計算得到不同模型尺寸大小、不同鋼筋網(wǎng)直徑和間距、不同剪力釘直徑和間距對鋼橋面鋪裝層的應(yīng)變及應(yīng)力影響，具體計算結(jié)果見以下實施例所示。實施例中選取橋梁參數(shù)為：平列式公鐵兩用大橋，主橋孔跨布置：4×160m+5×128m，北聯(lián)5孔128m平弦連續(xù)鋼桁梁，南聯(lián)為4孔160m在支墩處設(shè)下加勁弦的連續(xù)鋼桁梁，橫斷面布置：6.95m(公路橋)+10m(鐵路橋)+6.95m(公路橋)。實施例1：本部分比較公鐵兩用大橋整橋模型在公路荷載和鐵路荷載的耦合作用下，鋼橋面鋪裝層的應(yīng)變大小。公路荷載的取值參考《jtgd60-2015公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》，鐵路荷載的取值參考《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范tb10002.12005》。表(1)：公路和鐵路耦合荷載作用下鋼橋面鋪裝層的應(yīng)變值(με)項目列車荷載汽車荷載聯(lián)合荷載最大縱向拉應(yīng)變92.468.4152最大橫向拉應(yīng)變33.947.881.7從表(1)和圖8可以看出，公路荷載和鐵路荷載對最大縱向拉應(yīng)變的貢獻率分別達到40％和60％，對最大橫向拉應(yīng)變的貢獻率則分別為58.5％和41.5％，控制應(yīng)變?yōu)榭v向拉應(yīng)變(順橋向)。在公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，可以根據(jù)荷載貢獻率，同時考慮公路荷載和鐵路荷載對公路橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的影響，以此確定設(shè)計安全值。實施例2：剪力釘作為抗剪構(gòu)件廣泛應(yīng)用于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中，其重要作用是承受混凝土與鋼板之間的剪切作用，同時加強鋼橋面板和鋪裝層的整體性。本部分比較分析不同剪力釘直徑、間距和高度對鋼橋面鋪裝層的應(yīng)力影響。表(2)不同剪力釘間距鋼橋面鋪裝層承載狀態(tài)(mpa)剪力釘間距橫向拉應(yīng)力縱向拉應(yīng)力橫向剪應(yīng)力縱向剪應(yīng)力300mm×300mm0.580.5420.3560.902400mm×400mm0.60.5630.3870.987500mm×500mm0.6790.6840.4991.176表(3)不同剪力釘直徑混凝土鋪裝下層承載狀態(tài)(mpa)剪力釘直徑橫向拉應(yīng)力縱向拉應(yīng)力橫向剪應(yīng)力縱向剪應(yīng)力11mm0.6790.6840.4991.13513mm0.650.6520.4671.09515mm0.620.6230.4451.04217mm0.6130.6110.4331.029表(4)剪力釘高度對瀝青面層承載狀態(tài)的影響(mpa)剪力釘高度橫向拉應(yīng)力縱向拉應(yīng)力橫向剪應(yīng)力縱向剪應(yīng)力50mm0.0130.0510.1370.13260mm0.0120.0510.1370.13270mm0.0130.0520.1370.132表(5)剪力釘高度對混凝土鋪裝下層承載狀態(tài)的影響(mpa)剪力釘高度橫向拉應(yīng)力縱向拉應(yīng)力橫向剪應(yīng)力縱向剪應(yīng)力50mm0.6770.690.4991.17960mm0.580.5640.3720.92870mm0.550.5240.3490.872由表(2)-(5)可以看出，隨著剪力釘間距的減小，鋼橋面鋪裝層間的剪應(yīng)力、拉應(yīng)力逐漸減?。浑S著剪力釘直徑的增加，鋼橋面鋪裝層的剪應(yīng)力、拉應(yīng)力也逐漸減??；隨著剪力釘高度的增加，混凝土鋪裝下層的剪應(yīng)力、拉應(yīng)力逐漸減小。在實際的設(shè)計和維修加固中，可以根據(jù)所需剪力釘提供的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力大小，以及施工可行性和經(jīng)濟性，來選擇最優(yōu)方案。實施例3：本部分比較不同鋪裝層材料彈性模量對瀝青面層的剛度影響。表(6)瀝青面層剛度影響(mpa)彈性模量/mpa橫向拉應(yīng)力縱向拉應(yīng)力橫向剪應(yīng)力縱向剪應(yīng)力4000.030.0320.1310.1288000.0280.0310.1290.12510000.0260.030.1280.12512000.0250.0290.1270.12414000.0250.0290.1270.124由表(6)可知，隨著瀝青面層彈性模量增大，瀝青面層各項應(yīng)力指標(biāo)小幅減小，到達1200mpa之后，各項應(yīng)力指標(biāo)不再變化。綜合考慮瀝青面層混凝土強度、耐久性和經(jīng)濟性，混凝土彈性模量選取1200mpa是比較合理的選擇。在進行公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，可以通過改變鋪裝層材料的彈性模量，得到鋪裝層重要設(shè)計指標(biāo)的應(yīng)力變化情況，以此作為依據(jù)綜合考慮應(yīng)選用的瀝青面層彈性模量。本發(fā)明的保護范圍并不限于上述的實施例，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變形而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。倘若這些改動和變形屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍內(nèi)，則本發(fā)明的意圖也包含這些改動和變形在內(nèi)。當(dāng)前第1頁12