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(jì)方法。
背景技術(shù)：
：公鐵兩用大橋以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，允許公路和鐵路共同運(yùn)行，既節(jié)省了資源，又獲得了極大的經(jīng)濟(jì)效益，在橋梁建設(shè)中極為常見(jiàn)。然而現(xiàn)行的橋梁建設(shè)規(guī)范中，并沒(méi)有針對(duì)公鐵兩用大橋這一特殊橋型的具體規(guī)范。在對(duì)公鐵兩用大橋的設(shè)計(jì)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(kāi)設(shè)計(jì)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(duì)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(méi)有確切的應(yīng)對(duì)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(xì)部構(gòu)件的設(shè)計(jì)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(duì)鐵路橋的影響考慮，而鐵路荷載對(duì)公路橋面鋪裝層的沖擊震蕩等間接作用，也會(huì)極大的損壞剪力釘、鋼筋網(wǎng)等細(xì)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(jì)方法是非常必要的。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)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(jì)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(xì)部模型?？紤]公路荷載和鐵路荷載的耦合作用，針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和影響因素進(jìn)行了計(jì)算與分析，對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)提出了有益的補(bǔ)充。本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)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(jì)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(xì)部模型，進(jìn)行靜力學(xué)仿真計(jì)算，然后對(duì)鋼橋面鋪裝的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)：鋪裝材料基本力學(xué)參數(shù)、鋼筋網(wǎng)、剪力釘進(jìn)行模擬仿真，以得到對(duì)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(duì)公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝的影響，通過(guò)整橋模型、公路橋局部模型和橋面鋪裝細(xì)部模型的等效力學(xué)傳遞，分析并設(shè)計(jì)公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)；具體針對(duì)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(jìn)行了力學(xué)響應(yīng)分析，得到了各因素對(duì)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(guò)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(guò)共節(jié)點(diǎn)方法連接；(4)根據(jù)實(shí)際情況于橋墩、橋臺(tái)處約束自由度；(5)根據(jù)《jtgd60-2015公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》對(duì)車(chē)輛簡(jiǎn)化的要求，將簡(jiǎn)化車(chē)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(jì)基本規(guī)范tb10002.12005》中對(duì)鐵路列車(chē)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(jì)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(jìn)行模擬；(2)不同單元之間通過(guò)共節(jié)點(diǎn)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(jì)通用規(guī)范》對(duì)車(chē)輛簡(jiǎn)化的要求，將簡(jiǎn)化車(chē)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(jì)基本規(guī)范tb10002.12005》中對(duì)鐵路列車(chē)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(guò)建立不同尺寸的局部模型，選取得到收斂計(jì)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(lèi)、等級(jí)和厚度等相關(guān)參數(shù)。所述公鐵兩用大橋細(xì)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(jìn)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(duì)應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)自由度耦合；(2)不同單元之間通過(guò)共節(jié)點(diǎn)方法連接；(3)根據(jù)細(xì)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(guò)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(guò)不同剪力釘直徑、間距和高度對(duì)鋪裝層混凝土應(yīng)力應(yīng)變大小的影響，以確定剪力釘?shù)淖罴阎睆健㈤g距和高度。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)建立公鐵兩用大橋的整橋模型，通過(guò)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(jì)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(jìn)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(guò)建立不同尺寸的局部模型，選取得到收斂計(jì)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(lèi)、等級(jí)和厚度等相關(guān)參數(shù)；(3)建立公鐵兩用大橋細(xì)部模型，包括鋼筋網(wǎng)模型和剪力釘模型，通過(guò)對(duì)細(xì)部模型的受力狀態(tài)分析，以及周?chē)炷恋膽?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(jì)參數(shù)。本發(fā)明填補(bǔ)了現(xiàn)行設(shè)計(jì)和施工方法中的空白，針對(duì)公鐵兩用大橋這一特殊橋型，將公路荷載和鐵路荷載對(duì)公路橋橋面鋪裝層的影響得以模擬計(jì)算出來(lái)，模型各項(xiàng)參數(shù)均可以按照實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取值，細(xì)部構(gòu)造例如鋼筋網(wǎng)和剪力釘?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)也可以通過(guò)細(xì)部模型，得到有效的設(shè)計(jì)參考值，解決了設(shè)計(jì)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(bǔ)公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)方法的不足，有助于形成我國(guó)公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)方法的技術(shù)方案，完善我國(guó)公鐵兩用大橋設(shè)計(jì)體系，研究成果可直接應(yīng)用于公鐵兩用大橋的設(shè)計(jì)和維修加固中，具有重要的理論和實(shí)用意義。附圖說(shuō)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(xì)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(shí)施方式下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)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(jì)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(guò)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(guò)共節(jié)點(diǎn)方法連接；(4)根據(jù)實(shí)際情況于橋墩、橋臺(tái)處約束自由度；(5)根據(jù)《jtgd60-2015公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》對(duì)車(chē)輛簡(jiǎn)化的要求，將簡(jiǎn)化車(chē)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(jì)基本規(guī)范tb10002.12005》中對(duì)鐵路列車(chē)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(jì)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(jì)算得到在公鐵兩用大橋承受最不利荷載時(shí)，鋼橋面鋪裝層的應(yīng)變及應(yīng)力值，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)實(shí)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(jìn)行模擬；(2)不同單元之間通過(guò)共節(jié)點(diǎn)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(jì)通用規(guī)范》對(duì)車(chē)輛簡(jiǎn)化的要求，將簡(jiǎn)化車(chē)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(jì)基本規(guī)范tb10002.12005》中對(duì)鐵路列車(chē)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(guò)建立不同尺寸的局部模型，選取得到收斂計(jì)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(lèi)、等級(jí)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(xì)靜力仿真的公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝的多尺度設(shè)計(jì)方法。應(yīng)用ansys軟件建立公鐵兩用大橋細(xì)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(jìn)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(duì)應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)自由度耦合；(2)不同單元之間通過(guò)共節(jié)點(diǎn)方法連接；(3)根據(jù)細(xì)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(guò)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(guò)不同剪力釘直徑、間距和高度對(duì)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(xì)部模型，可以計(jì)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(duì)鋼橋面鋪裝層的應(yīng)變及應(yīng)力影響，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)以下實(shí)施例所示。實(shí)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(shí)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(jì)通用規(guī)范》，鐵路荷載的取值參考《鐵路橋涵設(shè)計(jì)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(xiàng)目列車(chē)荷載汽車(chē)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(duì)最大縱向拉應(yīng)變的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到40％和60％，對(duì)最大橫向拉應(yīng)變的貢獻(xiàn)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(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)荷載貢獻(xiàn)率，同時(shí)考慮公路荷載和鐵路荷載對(duì)公路橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的影響，以此確定設(shè)計(jì)安全值。實(shí)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(shí)加強(qiáng)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(duì)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(duì)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(duì)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??；隨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(shí)際的設(shè)計(jì)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(jì)性，來(lái)選擇最優(yōu)方案。實(shí)施例3：本部分比較不同鋪裝層材料彈性模量對(duì)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(xiàng)應(yīng)力指標(biāo)小幅減小，到達(dá)1200mpa之后，各項(xiàng)應(yīng)力指標(biāo)不再變化。綜合考慮瀝青面層混凝土強(qiáng)度、耐久性和經(jīng)濟(jì)性，混凝土彈性模量選取1200mpa是比較合理的選擇。在進(jìn)行公鐵兩用大橋鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)改變鋪裝層材料的彈性模量，得到鋪裝層重要設(shè)計(jì)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(hù)范圍并不限于上述的實(shí)施例，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變形而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。倘若這些改動(dòng)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(dòng)和變形在內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)12