一種橋梁伸縮縫材料在車輛荷載作用下的力學(xué)性能分析

孫偉兵

(中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司 沈陽市 110000)

1 概述

1.1 橋梁伸縮縫技術(shù)背景

橋梁伸縮縫是為了滿足橋梁梁體縱向變形的需要，使車輛能夠平順的通過橋面，在橋面伸縮縫處設(shè)置的一種伸縮裝置。伸縮裝置按照結(jié)構(gòu)分為：模數(shù)式伸縮裝置、梳齒板式伸縮裝置、無縫式伸縮裝置。其中模數(shù)式伸縮裝置和梳齒板式伸縮裝置均由異型鋼和橡膠材料組成，在此將此兩類伸縮裝置統(tǒng)稱為鋼制伸縮裝置，鋼制伸縮裝置為我國目前應(yīng)用最為廣泛的伸縮裝置。伸縮裝置主要承受車輛荷載的反復(fù)作用，并且在車輛沖擊荷載的作用下會引發(fā)沖擊振動、伸縮裝置和橋面的破壞以及噪聲等負(fù)面影響。由于伸縮裝置長期暴露于大氣之中且使用環(huán)境非常惡劣，是橋梁結(jié)構(gòu)中非常容易遭受破壞而又難于修復(fù)的構(gòu)件，因而伸縮裝置的選用及其工作性能關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

1.2 鋼制伸縮裝置耐久性問題

經(jīng)大量橋梁病害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鋼制伸縮裝置主要存在以下病害：

(1)型鋼斷裂及錨固混凝土的開裂、破碎；

(2)橡膠條的老化、脫落，伸縮量過大，橡膠條被拉裂或擠出；

(3)伸縮裝置安裝標(biāo)高與兩側(cè)路面有差異，引起伸縮縫處跳車；

(4)伸縮裝置本身變形或錨固筋脫落等造成早期損壞。

1.3 樹脂砂漿修復(fù)系統(tǒng)簡介

受橋梁伸縮縫構(gòu)造以及伸縮裝置自身機(jī)構(gòu)組成(如圖1)限制，伸縮裝置一旦發(fā)生上述病害將難以修復(fù)，通常情況下需要整條更換，而更換作業(yè)不僅施工技術(shù)復(fù)雜，對上部結(jié)構(gòu)梁體有擾動，而且工期較長，需要封閉交通作業(yè)。非常不利于日常養(yǎng)護(hù)和日常交通組織。

圖1 鋼制伸縮裝置典型斷面圖

針對上述伸縮裝置的使用現(xiàn)狀，目前國內(nèi)的某些機(jī)構(gòu)提出一種采用樹脂砂漿(或混凝土)的材料用于橋梁伸縮裝置修復(fù)和替換。該橋梁伸縮縫修復(fù)系統(tǒng)由樹脂混合料和專用密封劑組成，樹脂混合料由專用樹脂和高強(qiáng)度礦質(zhì)集料組成。專用密封劑是一種單組分、無溶劑、高耐久、高伸縮率、環(huán)保型的密封劑，如圖2。施工工藝：首先應(yīng)在待替換或加固的錨固區(qū)切出設(shè)計尺寸的槽口，槽口表面要求干燥、整潔，然后在預(yù)留槽口處澆注樹脂混合料，經(jīng)振搗、碾壓，待養(yǎng)護(hù)結(jié)束后灌注專用密封劑。

圖2 橋梁伸縮縫修復(fù)典型斷面圖

以后澆筑的樹脂砂漿固化體為研究對象，對其在車輛荷載作用下的力學(xué)性能進(jìn)行分析。

2 橋梁伸縮縫處靜荷載力學(xué)分析

2.1 靜荷載作用下力學(xué)圖示

橋梁伸縮縫處在車輛荷載作用下，承受通過輪胎傳遞的豎向壓力和水平力。受力圖示如圖3。其中：P1為考慮車輛沖擊作用的軸載豎向力；T1為車輛正常行駛工況的滾動摩擦力；T2為車輛加減速工況的水平力(附著力)；T3為車輛制動工況的制動力。

圖3 橋梁伸縮縫處受力圖示(單位：mm)

2.2 樹脂砂漿固化體力學(xué)性能參數(shù)

(1)彈性模量：E=4.5GPa

(2)泊松比：μ=0.25

(3)線膨脹系數(shù)：α=0.000025

(4)抗壓強(qiáng)度設(shè)計值：fcd=70MPa

(5)抗拉強(qiáng)度設(shè)計值：ftd=2.5MPa

以上設(shè)計參數(shù)來源于沈陽思橋建筑工程技術(shù)有限公司的SSF-300綠色環(huán)保伸縮縫系統(tǒng)。

2.3 荷載參數(shù)及取值

按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)規(guī)定的車輛荷載主要技術(shù)指標(biāo)，選取后軸重力標(biāo)準(zhǔn)值為140kN。

(1)豎向力P1取值：

由于橋梁伸縮縫處橋面不平整，需考慮車輛通過時產(chǎn)生的沖擊作用，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)規(guī)定，沖擊系數(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)基頻計算所得，而結(jié)構(gòu)基頻與橋梁的結(jié)構(gòu)形式、計算跨徑、結(jié)構(gòu)材料特性等諸多因素有關(guān)，在此僅按規(guī)范規(guī)定的最不利情況選取沖擊系數(shù)μ=0.45。則作用在橋梁伸縮縫處的汽車單軸最大荷載為140×1.45=203kN，汽車單組輪的最大荷載為203/2=101.5kN。

考慮到我國運(yùn)輸車輛的特性及實(shí)際運(yùn)輸工況，在進(jìn)行工程設(shè)計與分析時車輛超載的情況必須予以考慮，統(tǒng)一按超載10%考慮，故汽車單輪組的最大荷載為P1=101.5×1.1=111.65kN。

(2)車輛正常行駛時的滾動摩擦力T1取值：

車輛以50km/h行駛在一般的瀝青或混凝土路面上，輪胎與界面之間的滾動阻力系數(shù)為f=0.018-0.02，故汽車單輪組的最大滾動摩擦力T1=P1×f=111.65×0.02=2.233kN。

(3)車輛加速驅(qū)動或減速時水平力T2取值：

車輛在加速驅(qū)動或減速時，作用在路面上的水平力(附著力)為T2=P1×Φ，Φ為汽車輪胎與路面的附著系數(shù)，附著系數(shù)與路面的類型、干濕和粗糙狀態(tài)有關(guān)，一般為0.4～0.7。故汽車單輪組的最大附著力T2=111.65×0.7=78.155kN。

(4)車輛制動力T3取值：

車輛荷載后軸重力產(chǎn)生的制動力按后軸重力(不計沖擊力)的30%考慮，著力點(diǎn)位于距橋面1.2m處，故汽車單輪組的制動力為T3=0.5×140×1.1×0.3=23.1kN，作用于橋面的彎矩為M3=23.1×1.2=27.72kN.m。

2.4 輪胎荷載

有關(guān)輪胎接地面積、荷載分布等參數(shù)的選取直接采用參考文獻(xiàn)[4]中的相關(guān)研究結(jié)論所得。在進(jìn)行力學(xué)計算時將輪胎的作用面積假設(shè)為矩形，又因?yàn)檩喬セy的存在，在研究中，按最不利的輪胎超壓又超載的工況下，輪胎與路面的接觸面積情況如圖4所示。輪胎的標(biāo)定尺寸如圖5所示。

3 有限元模型的建立及力學(xué)分析

3.1 分析工況

選取雙車道模型進(jìn)行分析，按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)規(guī)定布置車輛荷載。為確定最不利工況下樹脂砂漿固化體的力學(xué)響應(yīng)情況，考慮荷載作用位置不同對其的影響，將荷載作用位置分為兩種情況考慮，即分為A、B兩組如圖6、圖7，然后按照車輛正常行駛、加減速驅(qū)動、制動三種工況分別予以分析，如表1。

圖4 輪胎與路面的接觸面積

圖5 輪胎標(biāo)定尺寸(單位：mm)

圖6 A組(單位：mm)

圖7 B組(單位：mm)

表1 荷載工況明細(xì)表

3.2 建立有限元模型

取樹脂砂漿固化體作為研究對象建立有限元分析模型如圖8。

圖8 有限元模型

3.3 有限元模型應(yīng)力分析

拉應(yīng)力是控制材料開裂破壞的重要設(shè)計指標(biāo)，通過仿真數(shù)值分析得到計算結(jié)果：

A組工況一主應(yīng)力計算結(jié)果如圖9。

圖9 工況一主應(yīng)力(單位：MPa)

A組工況二主應(yīng)力計算結(jié)果如圖10。

圖10 工況二主應(yīng)力(單位：MPa)

A組工況三主應(yīng)力計算結(jié)果如圖11。

圖11 工況三主應(yīng)力(單位：MPa)

B組工況一主應(yīng)力計算結(jié)果如圖12。

圖12 B組工況一主應(yīng)力(單位：MPa)

B組工況二主應(yīng)力計算結(jié)果如圖13。

圖13 B組工況二主應(yīng)力(單位：MPa)

B組工況三主應(yīng)力計算結(jié)果如圖14。

圖14 B組工況三主應(yīng)力(單位：MPa)

主應(yīng)力計算結(jié)果匯總于表2。

表2 主應(yīng)力結(jié)果匯總表

由計算結(jié)果可知，該樹脂混凝土固化體在最不利工況作用下最大主拉應(yīng)力σ1=0.933MPa,最大主壓應(yīng)力σ3=-3.167MPa，均在材料允許值范圍內(nèi)，即在車輛荷載最不利工況作用下不會產(chǎn)生開裂。

4 結(jié)論

隨著橋梁的運(yùn)營，伸縮縫的病害日益嚴(yán)重，基于有限元軟件，針對樹脂混凝土固化體在車輛荷載各種工況作用下的力學(xué)性能分析研究表明，此種橋梁伸縮縫修復(fù)材料在車輛荷載作用下不會產(chǎn)生開裂，強(qiáng)度足以滿足要求。

此種橋梁伸縮縫修復(fù)材料已在沈陽及其周邊城市有應(yīng)用案例，如沈陽四環(huán)改擴(kuò)建項(xiàng)目、沈康高速黃貝堡大橋、丹東線滲水河中橋、大連西韭和大橋等，修復(fù)后現(xiàn)場反饋良好，經(jīng)過3～5年運(yùn)營后，該樹脂砂漿固化體均沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，由此，進(jìn)一步印證了此種修復(fù)材料應(yīng)用于橋梁伸縮縫修復(fù)工程的可行性。