基于Abaqus對橋梁伸縮縫的概述

魏列江

（甘肅順達(dá)路橋建設(shè)有限公司，甘肅蘭州730000）

基于Abaqus對橋梁伸縮縫的概述

魏列江

（甘肅順達(dá)路橋建設(shè)有限公司，甘肅蘭州730000）

從施工、運(yùn)行過程、運(yùn)用有限元分析軟件Abaqus對伸縮縫進(jìn)行動力學(xué)仿真等角度分析，對橋梁伸縮縫破壞現(xiàn)象原因及控制措施進(jìn)行闡述，以人、機(jī)、料等方面通過合理的調(diào)整、配置、有條件改造等手段減少橋梁伸縮縫施工中的錯臺現(xiàn)象，從而保障伸縮縫施工質(zhì)量，順應(yīng)現(xiàn)代公路施工發(fā)展方向。

高速公路；大跨橋梁伸縮縫；不平整機(jī)理；動力學(xué)仿真；控制技術(shù)

“十三五”開局之年，隨著我國交通業(yè)與汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車智能化進(jìn)程加快。為達(dá)到2020年的小康社會，道路建設(shè)越來越引起國家各個職能部門的高度重視。為了方便居民的出行，國家出臺各種融資模式，刺激高速公路的建設(shè)。甘肅省的道路“6873”計(jì)劃出臺后，地方政府為加快當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，積極響應(yīng)國家有關(guān)部門對道路工程建設(shè)的決策。由于甘肅省隴南地區(qū)山大溝深，為山嶺區(qū)域，建設(shè)難度大，投資高。對建設(shè)質(zhì)量提出更高的要求。

伸縮縫是橋梁不可或缺的一個重要組成部分，也是橋梁最薄弱的環(huán)節(jié)。因?yàn)樗跍囟茸兓瘯r對橋梁梁體長度變化起緩沖，在交通工具通行時受到荷載的反復(fù)作用，它一直暴露在空氣中，受外界環(huán)境的影響較大。最容易遭到破壞，又是較難修補(bǔ)的部位。文章從十堰至天水國家高速公路甘肅段徽縣（大石碑）至天水公路（STLM-03）施工過程中，總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，對橋梁伸縮縫的破壞可能發(fā)生的情況與施工過程中存在的問題，進(jìn)行理論分析并在施工過程中采取的質(zhì)量控制措施。

1　橋梁伸縮縫裝置破壞的各種因素

1）社會客觀因素。社會進(jìn)步的發(fā)展、人民物質(zhì)生活的極大豐富致使交通量增大，公路運(yùn)輸集散作用隨之迫切，重型車輛與日劇增故車輛對橋梁伸縮縫的沖擊次數(shù)與沖擊動荷載加大，在設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)時遠(yuǎn)景設(shè)計(jì)不夠完善，一般都在套用通用圖；施工時，施工隊(duì)伍參差不齊，在進(jìn)行施工時略有缺陷致使伸縮縫破壞加速［1］。

2）設(shè)計(jì)過程中的問題。橋梁結(jié)構(gòu)的橋面板的剛度不足，變形量較大，特別是箱梁的翼緣板處濕接縫處厚度較薄，此處受到彎剪扭的作用較大；很多橋梁伸縮縫裝置的設(shè)計(jì)錨固在橋面鋪裝層，與梁體、背墻的錨固不夠，容易使在荷載作用下開焊或脫落，混凝土的厚度不足，在沖擊荷載作用下，力的傳遞路徑過小，沒有有效的滯回曲線，混凝土被壓碎，混凝土對鋼筋的握裹力（機(jī)械咬合力、摩擦力、化學(xué)吸附力等）失效［2］；未能有效考慮到溫度對伸縮縫伸縮量變化的影響，在安裝伸縮縫裝置時對其初始伸縮量與其變化的位移量與施工當(dāng)?shù)貧鉁厮枭炜s量不相符，其選型不當(dāng)造成破壞；對大跨橋梁，斜橋，彎橋的沒有足夠、完善的專項(xiàng)設(shè)計(jì)；未對伸縮縫兩側(cè)的后澆帶的混凝土進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)：包括所選材料的物理性質(zhì)、混凝土配合比、振搗后混凝土的密實(shí)度、28 d養(yǎng)生完成后其強(qiáng)度提出要求與規(guī)定，橋面鋪裝層與瀝青路面結(jié)構(gòu)層之間的層間水不能有效的排除，致使錨固鋼筋受到電化學(xué)腐蝕，加速破壞伸縮縫；連續(xù)伸縮縫的設(shè)計(jì)不夠完善?，F(xiàn)在施工技術(shù)的高速發(fā)展與新型材料的運(yùn)用，橋梁的跨度也創(chuàng)造了奇跡，高速公路選用大跨徑與簡支連續(xù)式梁橋，為保證橋梁的自由伸縮與橋面的連續(xù)就需要設(shè)置伸縮縫，伸縮縫的位置設(shè)置不夠完善，變形的假縫不規(guī)范，致使伸縮縫被破壞，導(dǎo)致橋面、橋頭跳車。

3）施工過程中的因素。在進(jìn)行施工中，施工班組對伸縮縫裝置施工工藝的重視程度不到位，有時候未能嚴(yán)格依據(jù)施工工藝要求的標(biāo)準(zhǔn)和伸縮縫安裝工序進(jìn)行有效的施工；特別是在進(jìn)行錨固件約束時未能按焊接標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，無法保證其質(zhì)量；伸縮縫槽口后澆帶混凝土未能澆筑、振搗密實(shí)，達(dá)不到密實(shí)度與強(qiáng)度的要求，難以承受在車輛荷載作用下的沖擊，從而使微觀裂縫發(fā)展成通縫，形成宏觀裂縫，最后成貫通裂縫；為加快施工進(jìn)度趕工期，施工班組不按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，使得伸縮縫質(zhì)量存在隱患，過早失效；伸縮縫裝置與兩側(cè)混凝土粘結(jié)不好，橋面鋪裝層質(zhì)量達(dá)不到要求，瀝青混凝土碾壓不密實(shí)，形成薄弱夾層，在進(jìn)行開槽時瀝青面層容易脫落、開裂，最終破壞伸縮縫混凝土與橋面瀝青路面的粘結(jié)；施工班組缺乏有效的施工經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目部質(zhì)檢部缺乏其驗(yàn)收的相關(guān)措施。

4）管理維護(hù)因素。我國存在的一種普遍的現(xiàn)象：注重建設(shè)過程，忽略養(yǎng)護(hù)維修，在橋梁建設(shè)好后，有些高速公路養(yǎng)護(hù)區(qū)不能很好的去養(yǎng)護(hù)橋梁，特別是伸縮縫裝置的沙土、雜土未能及時清掃，造成伸縮縫使用效果不理想，耐久性差；原有橋梁、橋面焊接逐年老化，未能及時修復(fù)，使得破壞加??；由于交通管理不善，車輛超載控制不嚴(yán)，特別是地方公路晚上超載汽車過多，對橋梁的耐久性提出挑戰(zhàn)。

2　伸縮縫施工時的質(zhì)量控制

為了橋梁伸縮縫裝置在施工時質(zhì)量更加可靠，十天路面三標(biāo)的伸縮縫施工從伸縮縫裝置的進(jìn)場進(jìn)行了嚴(yán)格的把控。

1）在進(jìn)行伸縮縫施工之前，項(xiàng)目部對其進(jìn)行嚴(yán)格的把控，在伸縮縫生產(chǎn)廠家進(jìn)行實(shí)地考察，進(jìn)一步對伸縮縫的加工有了很多的了解。從原材進(jìn)場（異性鋼Q345）、除銹、下料、異型鋼定位設(shè)置初始位移量、焊接、拋丸處理、噴底漆、噴面層漆、風(fēng)干、抽樣進(jìn)行外委試驗(yàn)檢測等（如圖1）。從源頭上項(xiàng)目部對其質(zhì)量進(jìn)行控制，爭取做一個精品工程。

圖1　伸縮縫裝置質(zhì)量控制流程

2）在外圍檢測各項(xiàng)指標(biāo)都合格后，十天路面三標(biāo)才允許伸縮縫裝置進(jìn)場。項(xiàng)目部對橋臺、墩柱伸縮縫預(yù)留槽也進(jìn)行了檢驗(yàn)，在破除路面時嚴(yán)格控制切縫寬度與線型，保證開槽時的準(zhǔn)確性，為后續(xù)工作打好基礎(chǔ)。其工藝為：切縫→破除槽內(nèi)面層→清理伸縮縫預(yù)留槽→沖洗槽內(nèi)雜物→檢查預(yù)埋鋼筋（若缺失進(jìn)行植筋）→伸縮縫裝置定位→焊接→定位模板→澆筑混凝土→養(yǎng)生（如下頁圖2）。

十天路面的質(zhì)量要求之嚴(yán)，為打造一個精品，從各個細(xì)部做起，為保證伸縮縫的使用壽命，做到一道伸縮縫一個臺賬，把質(zhì)量做到責(zé)任到人。

3　運(yùn)用Abaqus有限元數(shù)值模擬

為使得對橋梁伸縮縫裝置的研究更加可靠，本文主要根據(jù)十天路面三標(biāo)的伸縮縫進(jìn)行有限元仿真分析，不僅為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工、建成日常養(yǎng)護(hù)提供理論依據(jù)，而且還可以對以后施工中存在的問題進(jìn)行理論指導(dǎo)［3］。

3.1伸縮縫裝置的結(jié)構(gòu)與荷載形式

1）橋梁伸縮縫結(jié)構(gòu)。位移量較大的伸縮縫裝置主要由：支撐系統(tǒng)（中梁、邊梁、橫梁以及彈橡膠支承）、位移系統(tǒng)（滑動支座、剪切彈簧等）、錨固系統(tǒng)（錨固鋼筋和位移箱）組成。

圖2　伸縮縫施工流程

2）伸縮縫的荷載。在進(jìn)行伸縮縫設(shè)計(jì)時，都采用公路一級荷載，車輛荷載通過輪胎傳遞給中梁、橫梁、支承箱和梁體（如圖3）。

圖3　車輛荷載傳遞路徑

在伸縮縫設(shè)計(jì)時依據(jù)《橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)范，伸縮縫頂面作用力為靜力荷載：豎向靜荷載（汽車后軸質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值140 kN，沖擊系數(shù)為1.45。故汽車單組輪最大荷載為101.5 kN。為直觀研究選取伸縮量為480型伸縮縫裝置，由5根中梁，位移1.5 m/對，最大伸長量是橫梁間距1.05 m，均布荷載：

水平靜荷載為后軸的0.3，即42 kN。車輪著地寬度與長度為0.6 m×0.2 m。最不利情況：荷載（140 kN）都在同根中梁上；疲勞荷載：規(guī)范規(guī)定伸縮縫疲勞荷載主要是豎向荷載為140 kN。不考慮制動荷載，考慮在克服風(fēng)荷載所產(chǎn)生的摩擦力，水平摩擦力為140×0.03=4.2 kN；荷載頻率f≤10 Hz；循環(huán)次數(shù)為2×106。

材料特性：伸縮縫型鋼均采用熱軋Q335NHD耐候鋼制成（如下頁表1）。

將中梁采用工字鋼進(jìn)行截面等效（如下頁圖5）。

得出中梁質(zhì)心在ymax=70 mm，慣性矩IX=1.195× 107mm4，彎矩截面系數(shù)W=IX/ymax=1.707×105mm3。

3.2伸縮縫的工況模擬

對伸縮縫裝置中梁進(jìn)行有限元分析，把單跨度伸縮裝置簡化為圖6。

表1　Q335NHD耐候鋼物理力學(xué)性能

圖5　中梁等效截面（mm）

圖6　簡支梁模型（mm）

受到豎向靜荷載P：汽車單輪豎向荷載，集中力P作用于跨中；水平靜荷載、水平疲勞荷載為F，其變形云圖如圖7。

圖7　簡支梁變形云圖

因?yàn)檐囕喼貫槊娼佑|，長度為0.2 m，寬度為0.6 m，故用均布荷載進(jìn)行分析（如圖8）。

圖8　均布荷載受力情況（mm）

用均布荷載進(jìn)行分析，其變形云圖如圖9。

圖9　均布荷載變形云圖

由圖9的變形云圖對比分析可得出：集中荷載最大應(yīng)力值和豎向變形值均大于均布荷載作用時的值，最大應(yīng)力增大25%，最大變形增大11.5%。所以設(shè)計(jì)時采用均布荷載進(jìn)行計(jì)算。

綜合分析以下工作狀況，數(shù)據(jù)如表2：

工作狀況1：不考慮車輛制動力，中梁靜載荷。

豎向靜載：140/2×1.45=101.5 kN。

工作狀況2：考慮車輛制動力，中梁靜載荷。

豎向靜載：140/2×1.45=101.5kN水平靜載：21kN。

工作狀況3：按照國家規(guī)范，中梁疲勞荷載。

豎向疲勞荷載：140/2×1.45=101.5 kN；水平疲勞荷載：2.1 kN。

對支承橫梁有限元分析，其受力情況如圖10。

豎向靜荷載P傳到中梁在傳到橫梁，多根橫梁承擔(dān)傳來的荷載，得到最大豎向荷載為93.5 kN。

表2　各工況數(shù)據(jù)分析

圖10　支承橫梁受力情況（mm）

自身質(zhì)量產(chǎn)生的豎向荷載：伸縮縫由5根中梁，位移1.5 m/對，最大伸長量是橫梁間距1.05 m，均布荷載。

水平力對橫梁產(chǎn)生彎矩作用，根據(jù)工況計(jì)算水平力。

工作狀況1：不考慮制動力，橫梁靜荷載分析。

豎向荷載：93.5 kN；自身質(zhì)量荷載：3.42 kN/m；水平荷載：0。

工作狀況2：考慮制動力，橫梁靜荷載分析。

豎向荷載：93.5 kN；自身質(zhì)量荷載：3.42 kN/m；水平荷載：19.6 kN。

工作狀況3：依據(jù)我國規(guī)范，橫梁疲勞荷載分析。

豎向荷載：93.5 kN；自身質(zhì)量荷載：3.42 kN/m；水平荷載：1.05 kN。

各工作狀況下，有限元分析結(jié)果如表3。

表3　各工況力學(xué)分析結(jié)果

可以得出：對伸縮縫進(jìn)行靜力有限元分析時，考慮制動力時與不考慮制動力差值較大，豎向變形相差較小。

3.3沖擊荷載仿真計(jì)算

在進(jìn)行仿真模擬時，首先對材料等進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，伸縮縫邊梁、中梁、橫梁均為鋼，其彈性元件為彈簧隔震器用來模擬。

首先要明確車輪通過單根中梁所用的時間與每根中梁作用時間間隔：如運(yùn)行速度為80 km/h時，通過單根中梁所用時間：

t=（中梁寬+輪組長度）×3.6/80=（0.09+0.2）× 3.6/80=0.013 s。

每根中梁作用的時間間隔：

Δt=（中梁寬+縫寬）×3.6/80=（0.09+0.08）× 3.6/80=0.007 6 s。

為進(jìn)一步對橋梁伸縮縫的沖擊進(jìn)行模擬研究，應(yīng)當(dāng)選取不同車速、不同縫寬進(jìn)行動力學(xué)分析（IX=1.24×105mm4）。

伸縮縫為F=40時，縫寬為40 mm時，不同車速下沖擊系數(shù)大小如表4。

伸縮縫為D=80時，縫寬為80 mm時，不同車速下沖擊系數(shù)大小如表5。

表4　F40沖擊系數(shù)

表5　D80沖擊系數(shù)

由表4、表5看出，不同縫寬、不同車速對橋梁伸縮縫的中梁沖擊變化有小變大，作用比較明顯。在設(shè)計(jì)時考慮沖擊系數(shù)為1.45，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加趨于安全。

4　結(jié)語

橋梁伸縮縫是橋梁不可或缺的一個部件，它是滿足橋梁伸縮變形、保證行車舒暢、避免跳車的一項(xiàng)重要裝置。技術(shù)人員要增強(qiáng)施工中的質(zhì)量控制，嚴(yán)格杜絕在施工中的各個環(huán)節(jié)的不利因素，避免伸縮縫裝置的早期破壞，保證伸縮縫裝置與路面的平整度，保證質(zhì)量的可靠性。以上就是部分見解，希望大家共勉！

［1］中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTGD60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2009.

［2］趙衡平.現(xiàn)代橋梁伸縮裝置［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［3］高榮強(qiáng)，翁思熔.大變形量模數(shù)式橋梁伸縮縫裝置［J］.公路，1991（10）:449-454.

（編輯：苗運(yùn)平）

Based on the Overview of Bridge Expansion Joint of Abaqus

Wei Liejiang
（Shunda Road&Bridge Construction Co.，Ltd.，Lanzhou Gansu 730000）

From the construction，operation process，using the finite element analysis software Abaqus dynamic simulation analysis was carried out on the expansion joints，such as Angle of bridge expansion joint damage phenomenon:the causes and control measures in man，machine，material，etc，as well as by reasonable adjustment，configuration，conditional modification means to reduce the construction of the bridge expansion joint fault phenomenon，so as to ensure quality of expansion joint construction，adapt to the modern highway construction development direction.

highway；large-span bridge expansion joint；uneven mechanism；dynamics simulation；control technology

U441

A

2095-0748（2016）13-0055-05

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.13.20

2016-05-30

魏列江（1989—），男，甘肅蘭州人，本科，初級工程師，研究方向：道橋施工。