連續(xù)式橋梁伸縮縫界面黏結(jié)性能研究

唐古南，李立寒

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

連續(xù)式橋梁伸縮縫是20世紀(jì)70年代由英國發(fā)展起來的一種新興的橋梁伸縮縫，由瀝青結(jié)合料、集料、搭接鋼板和填塞料4個(gè)部分構(gòu)成[1]，其結(jié)構(gòu)示意如圖1。連續(xù)式橋梁伸縮縫兼具施工簡(jiǎn)便、成本低廉、行車舒適、使用年限長、以及可半幅施工不中斷交通等諸多優(yōu)點(diǎn)，在歐美及東南亞得到廣泛應(yīng)用[2]。該伸縮縫在使用過程中出現(xiàn)的病害主要有：裂縫和車轍[3-4]，而伸縮縫最容易出現(xiàn)裂縫的位置是：①伸縮縫與橋面鋪裝層的垂直界面；②鋼板邊緣[5]。

筆者將通過有限元軟件ABAQUS計(jì)算伸縮縫與橋面鋪裝層的垂直界面在溫度和荷載作用下的受力特征，初步分析界面脫開原因，以及探討伸縮縫材料模量、鋪裝厚度、寬度和界面接觸條件對(duì)界面黏結(jié)性能的影響，從而對(duì)伸縮縫界面黏結(jié)性能提出一些理論性的改善建議。

圖1 連續(xù)式橋梁伸縮縫結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure schematic diagram of continuous expansion joint

1 模型建立

1.1 荷載位置

利用有限元軟件ABAQUS，建立伸縮縫的二維平面應(yīng)變模型。為了分析荷載作用下伸縮縫填料與橋面瀝青鋪裝層界面的受力特征(界面即伸縮縫與橋面鋪裝層的垂直界面，界面位置如圖2)，考慮荷載在伸縮縫上3個(gè)不同位置，荷載位置如圖2，即荷載中心作用于橋面接縫邊緣、荷載作用于伸縮縫邊緣、荷載中心線與橋面接縫中心線重合。文中施加的荷載為城市道路橋梁A級(jí)荷載中最大軸重200 kN對(duì)應(yīng)的接地壓強(qiáng)0.67 MPa[6]。

圖2 荷載作用位置Fig.2 Location of loads

1.2 材料模型

在建立力學(xué)分析模型時(shí)，對(duì)各材料的力學(xué)行為均采用線彈性模型來模擬，相應(yīng)的表征參數(shù)為彈性(回彈)模量E和泊松比μ，各材料參數(shù)選取如表1，實(shí)驗(yàn)測(cè)得20℃伸縮縫填料彈性模量為200 MPa。

表1 材料參數(shù) Table 1 Material parameters

1.3 邊界條件

模型的邊界條件主要包括兩個(gè)方面，即模型各表面的位移邊界條件和不同材料界面的接觸條件。橋梁伸縮縫一般位于橋墩上，伸縮位置的支撐條件為簡(jiǎn)支，由此伸縮縫豎向位移為0。在橫向，混凝土的溫度收縮變形將造成伸縮縫橫向位移，因此在橫向施加初始位移，可以模擬伸縮縫的橫向變形。

1)在分析荷載作用時(shí)，模型邊界條件：固定模型底面豎向位移和模型兩邊橫向位移、不同材料界面完全連續(xù)。

2)在分析溫度脹縮作用時(shí)，模型邊界條件：固定模型底面豎向位移和模型一邊橫向位移，在模型另一邊施加水平位移Δ，不同材料界面完全連續(xù)。

3)在分析伸縮縫與橋面鋪裝層的垂直界面接觸條件對(duì)界面黏結(jié)狀態(tài)影響時(shí)，主要是考慮不同摩擦系數(shù)的影響。

1.4 有限元模型

采用有限元法建立伸縮縫的二維平面應(yīng)變模型，圖3為受力分析簡(jiǎn)圖(典型的伸縮縫尺寸為500 mm × 100 mm，鋼板尺寸200 mm × 6 mm[7-8])，劃分后二維模型網(wǎng)格如圖4。

圖3 連續(xù)式橋梁伸縮縫受力分析Fig.3 Force analysis diagram of continuous bridge expansion joints

圖4 2D網(wǎng)格劃分Fig.4 2D Meshing diagram

2 連續(xù)式橋梁伸縮縫界面受力分析

2.1 荷載作用下的伸縮縫界面受力分析

為了分析荷載作用下伸縮縫填料與橋面瀝青鋪裝層界面的受力特征，考慮荷載在伸縮縫上3個(gè)不同位置，3個(gè)位置如圖2。分別計(jì)算每個(gè)荷載位置下伸縮縫填料與橋面瀝青鋪裝層界面的正應(yīng)力Sx和剪應(yīng)力Sxy分布情況，如圖5。

圖5 荷載作用下界面正應(yīng)力Sx及剪應(yīng)力SXY分布Fig.5 Distribution of interfacial normal stress Sx and shear stress Sxy under traffic loads

從圖5(a)可以看出：3個(gè)位置荷載作用下，沿伸縮縫深度方向，伸縮縫與橋面鋪裝層界面上大多數(shù)點(diǎn)受壓應(yīng)力作用，只有靠近表面的少許點(diǎn)受拉應(yīng)力作用；此外，3種荷載位置中，當(dāng)荷載作用在位置2時(shí)，沿著伸縮縫深度方向，界面上每一點(diǎn)的正應(yīng)力Sx值都最大。

從圖5(b)可以看出：3個(gè)位置荷載作用下，伸縮縫與橋面瀝青鋪裝層的界面剪應(yīng)力Sxy最大值都是出現(xiàn)在離伸縮縫表面0.8 cm左右處；此外，3種荷載位置中，當(dāng)荷載作用在位置2時(shí)，沿著伸縮縫深度方向，界面上每一點(diǎn)的剪應(yīng)力Sxy值都最大。

綜上，3個(gè)荷載位置作用下，當(dāng)荷載作用在位置2時(shí)，沿著伸縮縫深度方向，界面上每一點(diǎn)的剪應(yīng)力Sxy值和正應(yīng)力Sx值都比其他兩個(gè)位置大很多，所以認(rèn)為荷載位置2為最不利荷載作用位置；荷載作用下，剪應(yīng)力Sxy比正應(yīng)力Sx對(duì)界面受力狀態(tài)的影響更大，所以將剪應(yīng)力Sxy作為荷載作用下伸縮縫界面的主要力學(xué)分析指標(biāo)；荷載作用下，剪應(yīng)力Sxy最大值為0.33 MPa，認(rèn)為剪應(yīng)力值最大處為界面在荷載作用下最不利的位置，即距離伸縮縫表面0.8 cm左右的區(qū)域?yàn)榻缑嬖诤奢d作用下的最不利位置。

對(duì)于荷載作用下，界面剪應(yīng)力值在伸縮縫層底區(qū)域有一定的突變，這主要可能是由于本模型比較簡(jiǎn)單，其中采用的水泥混凝土模量很大，而伸縮縫材料模量很小，在這兩種模量相差很大的材料接觸的地方未做相關(guān)處理引起的。

2.2 溫度作用下的伸縮縫界面受力分析

為了分析溫度收縮變形時(shí)伸縮縫和橋面瀝青鋪裝層的界面受力特征，通過固定伸縮縫模型一邊橫向位移，對(duì)另一邊施加3種不同初始水平位移Δ1= 5 mm，Δ2= 10 mm，Δ3= 15 mm(對(duì)于20 m長的橋梁，在-20～40 ℃下，其收縮位移為10 mm左右)，來模擬溫度作用下伸縮縫的伸縮變形，建立的模型如圖6。計(jì)算出溫度作用下，伸縮縫填料與橋面瀝青鋪裝層界面的拉應(yīng)力Sx和剪應(yīng)力Sxy分布情況如圖7。

圖6 水平位移Fig.6 Horizontal displacement diagram

圖7 溫度作用下界面拉應(yīng)力Sx 及界面剪應(yīng)力Sxy分布Fig.7 Distribution of interfacial tensile stress Sx and interfacial shear stress Sxy under temperature

從圖7(a)可以看出：在3種初始溫度位移作用下，隨著施加的溫度位移不斷增大，界面拉應(yīng)力Sx值也在不斷增大；沿著伸縮縫深度方向，界面拉應(yīng)力Sx值不斷減小但是在層底區(qū)域發(fā)生突變，界面拉應(yīng)力Sx最大值出現(xiàn)在伸縮縫界面頂點(diǎn)處。

由圖7(b)可以看出：在3種初始溫度位移作用下，隨著施加的溫度位移不斷增大，伸縮縫與橋面瀝青鋪裝層的界面剪應(yīng)力Sxy值也在不斷增大；沿著伸縮縫深度方向，界面剪應(yīng)力值先減小再增大，峰值出現(xiàn)在伸縮縫界面頂點(diǎn)處。

綜上，在溫度作用下，界面拉應(yīng)力Sx比起剪應(yīng)力Sxy對(duì)界面受力狀態(tài)的影響更大，所以將界面拉應(yīng)力Sx作為溫度作用下界面的主要力學(xué)分析指標(biāo)；溫度作用下，界面拉應(yīng)力Sx最大值出現(xiàn)在伸縮縫界面頂點(diǎn)，認(rèn)為拉應(yīng)力出現(xiàn)峰值的位置是界面在溫度作用下最不利的位置，即溫度作用下，界面的最不利位置為伸縮縫界面頂點(diǎn)。

對(duì)于溫度作用下，界面拉應(yīng)力值在伸縮縫層底區(qū)域有一定的突變，這主要可能是由于本模型比較簡(jiǎn)單，其中采用的水泥混凝土模量很大，而伸縮縫材料模量很小，在這兩種模量相差很大的材料接觸的地方未做相關(guān)處理引起的。

2.3 連續(xù)式橋梁伸縮縫界面脫開原因分析

連續(xù)式橋梁伸縮縫界面主要受到荷載和溫度收縮變形的反復(fù)作用。當(dāng)荷載作用產(chǎn)生的界面剪應(yīng)力值大于界面的黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，伸縮縫界面在荷載作用下的最不利位置即伸縮縫表面區(qū)域會(huì)先開裂，然后向下擴(kuò)展，最后整個(gè)界面產(chǎn)生裂縫，在荷載的反復(fù)作用下，界面就會(huì)脫開。當(dāng)溫度收縮變形產(chǎn)生的界面拉應(yīng)力值大于界面黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，伸縮縫界面在溫縮作用下的最不利位置即伸縮縫界面頂點(diǎn)處，會(huì)先開裂然后向下擴(kuò)展，最后整個(gè)界面產(chǎn)生裂縫，在溫度收縮變形的反復(fù)作用下，界面就會(huì)脫開。通過力學(xué)計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度收縮變形比較大時(shí)，由溫度收縮變形產(chǎn)生的界面拉應(yīng)力值要比荷載作用產(chǎn)生的剪應(yīng)力值大；當(dāng)溫度收縮變形比較小時(shí)，由溫度收縮變形產(chǎn)生的界面拉應(yīng)力值要比荷載作用產(chǎn)生的剪應(yīng)力值小。由于連續(xù)式橋梁伸縮縫只適用于中小跨徑、溫度收縮變形比較小的橋梁，所以造成伸縮縫界面脫開的主要因素是荷載的反復(fù)作用。

3 伸縮縫界面黏結(jié)性能影響因素

連續(xù)式伸縮縫界面的黏結(jié)性能影響因素有很多，筆者主要考慮伸縮縫的材料模量、伸縮縫的鋪裝厚度、寬度和界面接觸條件等4個(gè)方面。

3.1 伸縮縫材料模量

伸縮縫所用的填料為彈塑性改性瀝青混合料，由于其特殊的級(jí)配和油石比造成了該混合料的模量比較低，和兩邊的橋面瀝青鋪裝材料模量相差很大，筆者假定在特定溫度環(huán)境下，橋面鋪裝層模量不變(E2= 1 400 MPa)，通過改變彈塑性改性瀝青混合料的模量，即通過不同的模量比λ(λ=伸縮縫材料模量E1/橋面鋪裝層模量E2)，來模擬分析伸縮縫界面在荷載和溫度作用下相應(yīng)力學(xué)指標(biāo)的變化趨勢(shì)，如圖8。

圖8 荷載剪應(yīng)力Sxy及溫度拉應(yīng)力Sx隨材料模量變化曲線Fig.8 Curve of shear stress Sxy and tensile stress Sxchanging with material modulus

從圖8(a)可以看出：在距離伸縮縫表面層一定深度范圍內(nèi)(5 cm左右)，隨著伸縮縫材料模量的不斷增大，沿著伸縮縫深度方向，界面上每一點(diǎn)的荷載剪應(yīng)力Sxy值不斷減小，剪應(yīng)力Sxy峰值出現(xiàn)在離伸縮縫表面0.8 cm左右處；超過這個(gè)深度范圍之外，隨著伸縮縫材料模量的不斷增大，沿著伸縮縫深度方向，界面上每一點(diǎn)的荷載剪應(yīng)力Sxy值不斷增大。

從圖8(b)可以看出：隨著伸縮縫材料模量的不斷增大，沿著伸縮縫深度方向，界面上每一點(diǎn)的溫度拉應(yīng)力Sx值都不斷增大，拉應(yīng)力Sx峰值出現(xiàn)在伸縮縫界面頂點(diǎn)。

綜上，去除模型本身的不足對(duì)結(jié)果的相關(guān)影響，筆者重點(diǎn)分析在界面拉應(yīng)力和剪應(yīng)力峰值區(qū)域，伸縮縫材料模量對(duì)界面的受力影響。由前面分析可知，界面剪應(yīng)力和拉應(yīng)力峰值區(qū)域?yàn)樯炜s縫表面區(qū)域，在峰值區(qū)域，提高伸縮縫材料模量，可以降低界面荷載剪應(yīng)力值，但是同時(shí)也會(huì)提高界面溫度拉應(yīng)力值； 由于界面荷載剪應(yīng)力比起界面溫度拉應(yīng)力對(duì)界面的黏結(jié)狀態(tài)影響更大，所以可以優(yōu)先考慮降低荷載剪應(yīng)力值，即可以適當(dāng)提高伸縮縫材料模量值，來相應(yīng)提高界面黏結(jié)性能。

3.2 伸縮縫鋪裝厚度

連續(xù)式橋梁伸縮縫的鋪裝厚度對(duì)伸縮縫界面在溫度和荷載作用下的受力狀態(tài)有一定的影響，因此有必要分析伸縮縫界面在不同鋪裝厚度下的受力變化情況，圖9(a)，(b)分別為在荷載和溫度作用下界面剪應(yīng)力Sxy和拉應(yīng)力Sx隨伸縮縫厚度變化的趨勢(shì)。

圖9 荷載剪應(yīng)力Sxy及溫度拉應(yīng)力Sx隨伸縮縫厚度變化曲線Fig.9 Curve of shear stress Sxy and tensile stress Sxchanging with expansion joint thickness

從圖9(a)可以看出：隨著伸縮縫鋪裝厚度的增加，荷載作用產(chǎn)生的界面剪應(yīng)力值不斷增大；從圖9(b)可以看出：隨著伸縮縫鋪裝厚度的增加，溫度作用產(chǎn)生的界面拉應(yīng)力值也不斷增大。

從圖9可以發(fā)現(xiàn)：增加伸縮縫鋪裝厚度會(huì)提高界面剪應(yīng)力和拉應(yīng)力值，對(duì)界面黏結(jié)狀態(tài)不利，所以應(yīng)該限制伸縮縫鋪裝厚度，但是伸縮縫的鋪裝厚度同時(shí)受限于橋面鋪裝層厚度，所以要綜合考慮這些方面的影響。

綜上，隨著伸縮縫鋪裝厚度的增加，界面剪應(yīng)力值不斷增大，可能是由于在相同的荷載作用下，增加伸縮縫厚度會(huì)增加伸縮縫的表面豎向變形，同樣會(huì)增加伸縮縫界面的剪切變形，所以界面剪應(yīng)力值隨著鋪裝厚度的增加而增加；隨著伸縮縫鋪裝厚度的增加，界面拉應(yīng)力也不斷增大，可能是隨著鋪裝厚度的增加，伸縮縫界面的面積也在不斷增大的緣故。

3.3 伸縮縫寬度

伸縮縫寬度一般是根據(jù)伸縮量大小來確定的，不同伸縮縫寬度對(duì)界面力狀態(tài)的影響如圖10。

圖10 荷載剪應(yīng)力Sxy及溫度拉應(yīng)力Sx隨伸縮縫寬度變化曲線Fig.10 Curve of shear stress Sxy and tensile stress Sx changing with expansion joint width

從圖10(a)可以看出：隨著伸縮縫寬度的增加，界面剪應(yīng)力Sxy值基本不變；由圖10(b)可以看出：隨著伸縮縫寬度的增加，沿著伸縮縫深度方向，界面上每一點(diǎn)的拉應(yīng)力值Sx不斷減小。

綜上，增加伸縮縫寬度，對(duì)界面剪應(yīng)力值Sxy基本沒影響，卻可以減小界面拉應(yīng)力Sxy值，所以適當(dāng)增加伸縮縫寬度有利于伸縮縫的界面黏結(jié)性能。但是由于伸縮縫材料本身的特性，增加伸縮縫寬度也會(huì)增加伸縮縫的豎向位移，所以必須綜合考慮確定一個(gè)合適的寬度既有利于界面黏結(jié)同時(shí)也能保證伸縮縫的豎向位移。

3.4 界面接觸條件

伸縮縫與橋面鋪裝層的界面接觸條件對(duì)界面受力特征的影響主要是摩擦系數(shù)的影響，如圖11。

圖11 荷載剪應(yīng)力Sxy及界面切向位移與摩擦系數(shù)關(guān)系曲線Fig.11 Correlation curve among shear stress Sxy, interface tangential displacement and friction coefficient

從圖11(a)中可以看出：隨著界面摩擦系數(shù)的增加，沿著伸縮縫深度方向，界面上每一點(diǎn)的荷載剪應(yīng)力Sxy值都在不斷增大；由圖11(b)中可以看出：隨著界面摩擦系數(shù)的增加，沿著伸縮縫深度方向，界面上每一點(diǎn)的切向位移都在不斷減小。

綜上，增加界面摩擦系數(shù)，界面荷載剪應(yīng)力會(huì)隨之增加，但是界面各點(diǎn)的切向位移隨之減??；當(dāng)界面摩擦系數(shù)增加0.25，界面剪應(yīng)力增加96%，界面切向位移減小35%，所以界面摩擦系數(shù)的變化對(duì)剪應(yīng)力的影響更大，適當(dāng)?shù)販p小摩擦系數(shù)可以減小界面剪應(yīng)力。

4 結(jié) 論

1)伸縮縫界面同時(shí)受到荷載剪應(yīng)力和溫度拉應(yīng)力的作用，當(dāng)溫度收縮變形比較大時(shí)，由溫度收縮變形產(chǎn)生的界面拉應(yīng)力值要比荷載作用產(chǎn)生的剪應(yīng)力值大；當(dāng)溫度收縮變形比較小時(shí)，由溫度收縮變形產(chǎn)生的界面拉應(yīng)力值要比荷載作用產(chǎn)生的剪應(yīng)力值小。

2)適當(dāng)?shù)靥岣呱炜s縫材料模量，即適當(dāng)?shù)販p小伸縮縫材料和橋面鋪裝層的模量差可以相應(yīng)地提高伸縮縫界面的黏結(jié)性能；適當(dāng)?shù)卦黾由炜s縫寬度可以相應(yīng)地提高伸縮縫界面的黏結(jié)性能；適當(dāng)?shù)販p小伸縮縫鋪裝厚度有利于伸縮縫界面的黏結(jié)性能，但是伸縮縫鋪裝厚度同時(shí)受限于橋面鋪裝厚度；適當(dāng)?shù)販p小界面摩擦系數(shù)可以減小界面剪應(yīng)力，有利于伸縮縫界面黏結(jié)性能。

[1] 唐濤.彈塑性體改性瀝青橋梁伸縮縫在寒冷地區(qū)應(yīng)用技術(shù)的研究[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2003.Tang Tao.Research on Technique of Modified Asphalt Bridge Expansion Joint Applied in Low Temperature Areas [D].Harbin: Northeast Forestry University,2003.

[2] Johnson I D,McAndrew S P.Research into the Condition and Performance of Bridge Deck Expansion Joints [R].Browthorne,Berkshire,England: Bridge Resource Centre, Transport Research Laboratory,1993.

[3] Park P,El-Tawil S,Park Sang-Yeol.Improved geometric design of bridge asphalt plug joints [J].Bridge Engineering,2011,16:158-165.

[4] Park P,El-Tawil S,Sang-Yeol P,et al.Behavior of bridge asphalt plug joints under thermal and traffic loads [J].Bridge Engineering,2010,5:250-259.

[5] Bramel B K,Dolan C W,Puckett J A,et al.Asphalt Plug Joints:Characterization and Specifications [D].Laramie,Wyoming: Department of Civil and Architectural Engineering,University of Wyoming,1999.

[6] CJJ 11—2011 城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2011.CJJ 11—2011 Code for Design of the Municipal Bridge [S].Beijing:China Building Industry Press,2011.

[7] ASTM D 6297-01 Standard Specification for Asphaltic Plug Joints for Bridges [S].Paris:West Conshohocken,2007.

[8] Bridge Joint Association.Standard for Asphaltic Plug Joints [S].Blackwater,Camberley,U.K.:Concrete Bridge Development Group,2003.