T梁伸縮縫槽口構(gòu)造設(shè)計(jì)對(duì)混凝土拉應(yīng)力的影響

唐志 藍(lán)先林 徐向東

摘要：為研究連續(xù)T梁伸縮縫構(gòu)造設(shè)計(jì)對(duì)混凝土拉應(yīng)力的影響，文章基于Ansys平臺(tái)建立了T梁上部結(jié)構(gòu)實(shí)體單元有限元模型，探究了不同伸縮縫類型和不同汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)對(duì)混凝土抗拉能力的影響，并從伸縮縫槽口構(gòu)造措施方面研究了混凝土最大拉應(yīng)力能需比的變化情況。研究表明：最不利荷載工況下T梁80型伸縮縫處的拉應(yīng)力達(dá)3. 83 MPa，遠(yuǎn)大于C50混凝土容許拉應(yīng)力，而1 60型伸縮縫在減小混凝土的拉應(yīng)力方面要優(yōu)于80型伸縮縫;為進(jìn)一步提高伸縮縫槽口處混凝土抗拉能力，槽口處混凝土應(yīng)該采取加厚漸變處理。

關(guān)鍵詞：T型梁;伸縮縫;槽口;混凝土拉應(yīng)力;構(gòu)造設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U448. 21+2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst.2019. 12. 025

文章編號(hào)：1673 - 4874（2019）12 - 0090 - 05

0引言

貴州山區(qū)地形起伏較大，高速公路采用最廣泛的橋梁形式是多跨連續(xù)T梁。伸縮縫是橋梁結(jié)構(gòu)的薄弱位置，在車輛荷載的反復(fù)沖擊作用下容易發(fā)生槽口混凝土及伸縮裝置的破壞。目前設(shè)計(jì)T梁通用圖160型伸縮縫處設(shè)置了槽口，在伸縮縫處位置做了加強(qiáng)處理;而對(duì)于80型伸縮縫通常不做槽口，伸縮縫處也未做加強(qiáng)處理?！豆窐蚝O(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60 - 2015）已經(jīng)將汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)（采用車輛荷載計(jì)算時(shí)）由老規(guī)范中的1.4提高到1.8，因此，有必要對(duì)T梁80型及160型伸縮縫構(gòu)造受力情況進(jìn)行分析，并研究通過優(yōu)化伸縮縫處梁體構(gòu)造設(shè)計(jì)來改善其受力性能。

關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)中伸縮縫的研究，國內(nèi)外學(xué)者們做了大量相關(guān)工作。王建波[1]依據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，探究了模數(shù)式伸縮縫和梳齒板式伸縮縫在設(shè)計(jì)、制造、安裝和后期維護(hù)等四個(gè)方面的差異性，最后結(jié)合不同公路橋梁提出了伸縮縫的選型方案。張煜敏[2]等研究了不同超越概率地震作用下設(shè)有伸縮縫裝置和阻尼器裝置的橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分布規(guī)律，認(rèn)為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)置阻尼伸縮裝置可以減少梁體碰撞，提高結(jié)構(gòu)抗震能力。盛亞鳴[3]基于Recurdyn軟件，利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)比研究了梳齒板伸縮縫在車輪荷載作用下的變形、荷載以及振動(dòng)噪聲。劉玉華[4]介紹了一種新型無振動(dòng)無縫伸縮裝置，這種裝置施工方便、強(qiáng)度高、變形小，由小型工字鋼組成。董浩[5]等分析了高速公路伸縮縫常見的病害機(jī)理，基于此機(jī)理提出了加強(qiáng)日常養(yǎng)護(hù)的高精準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法和養(yǎng)護(hù)管理措施。閆光飛[6]基于LS- DYNA軟件，建立了兩跨簡支梁及伸縮縫有限元模型，探究了不同車速、不同車軸荷載和不同跳車情況下伸縮裝置的位移、受力和疲勞應(yīng)力變化規(guī)律。鄒毓穎[7]等基于RBM160型橋梁伸縮縫，提出了該類伸縮縫在車輛沖擊荷載下的應(yīng)力計(jì)算方法，以此來分析橋梁伸縮縫在循環(huán)疲勞荷載作用下的破壞機(jī)理。Coelho等[8]統(tǒng)計(jì)分析了某地區(qū)橋梁伸縮縫的實(shí)測變形數(shù)據(jù)，利用數(shù)值模擬方法探究了伸縮縫變形的影響機(jī)理及主要原因。Ding等[9]探究了伸縮縫在豎向車輛荷載作用下的沖擊變形，并從數(shù)據(jù)上給出了詳細(xì)說明。陳寶春[10]等采用無縫伸縮縫裝置對(duì)某橋梁結(jié)構(gòu)伸縮縫進(jìn)行了改造研究，認(rèn)為該伸縮裝置可降低行車噪音，提高行車平順性，同時(shí)也可滿足橋梁結(jié)構(gòu)變形要求。上述研究僅從伸縮縫常見病害和破壞機(jī)理方面對(duì)伸縮縫進(jìn)行了主要研究，并未考慮開槽后不同伸縮縫裝置和開槽構(gòu)造對(duì)周邊混凝土應(yīng)力的影響。

基于上述研究，本文以貴州山區(qū)某高速公路多跨連續(xù)T梁橋?yàn)槔?，探究開槽后不同伸縮縫裝置和開槽構(gòu)造對(duì)周邊混凝土拉應(yīng)力的影響。基于大型通用有限元軟件Ansys建立T梁上部結(jié)構(gòu)實(shí)體單元模型，同時(shí)結(jié)合新舊規(guī)范探究了汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)對(duì)混凝土拉應(yīng)力的影響程度，為同類橋梁伸縮縫的構(gòu)造設(shè)計(jì)與選型提供技術(shù)參考。

主梁采用T型鋼筋混凝土梁，C50混凝土。橫向采用橫隔板連接，橫向單幅由5片T梁組成。主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。

1.2 有限元模型

本文僅研究不同伸縮縫對(duì)主梁混凝土應(yīng)力應(yīng)變的影響，故此處僅考慮上部結(jié)構(gòu)的影響，并基于Ansys建立上部結(jié)構(gòu)T梁的實(shí)體單元模型，利用Solid45單元模擬混凝土。為簡化計(jì)算，截取其中1跨連續(xù)梁建立有限元模型，其有限元模型如圖3所示。

2 伸縮縫構(gòu)造及工況設(shè)置

2.1 伸縮縫構(gòu)造

為滿足橋面變形的要求，通常在兩梁端之間、梁端與橋臺(tái)之間或橋梁的鉸接位置上設(shè)置伸縮縫。要求伸縮縫在平行、垂直于橋梁軸線的兩個(gè)方向上，均能自由伸縮，牢固可靠，車輛駛過時(shí)應(yīng)平順、無突跳與噪聲，能防止雨水和垃圾泥土滲入阻塞，安裝、檢查、養(yǎng)護(hù)、消除污物都應(yīng)簡易方便。在設(shè)置伸縮縫處，欄桿與橋面鋪裝都要斷開。本文探究兩種伸縮縫裝置，即80型伸縮縫和160型伸縮縫對(duì)多跨連續(xù)梁混凝土拉應(yīng)力的影響程度。80型伸縮縫主要用于橋臺(tái)處，160型伸縮縫主要用于中間伸縮縫處，兩者區(qū)別在于伸縮量的大小不同。兩種伸縮縫裝置的構(gòu)造分別見圖4、圖5。

2.2 工況設(shè)置

據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60 - 2015）[11]可知，車輛荷載后軸重力標(biāo)準(zhǔn)值為2x 140 kN，此處為簡化計(jì)算，將該荷載由兩個(gè)單軸承載，且均分至半幅橋梁結(jié)構(gòu)上，車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值為70 kN。對(duì)于T梁而言，車輛荷載沖擊系數(shù)取0.3。在進(jìn)行荷載組合時(shí)，按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60 - 2015）規(guī)定汽車荷載的分項(xiàng)系數(shù)為1.8（采用車輛荷載計(jì)算），而對(duì)于舊規(guī)范中汽車荷載的分項(xiàng)系數(shù)為1.4（采用車輛荷載計(jì)算）。本文據(jù)此針對(duì)兩種分項(xiàng)系數(shù)和兩種伸縮縫裝置設(shè)置4種計(jì)算工況，如表2所示。

3 結(jié)果分析

伸縮縫放置于相鄰兩T梁形成的槽口處，其相對(duì)位置如圖6所示。

3.1 應(yīng)力云圖分析

由于主梁具有對(duì)稱性，下面僅給出T梁在四個(gè)計(jì)算工況下槽口端部A點(diǎn)的應(yīng)力變化云圖（見圖7），以此從整體上定性分析各伸縮縫對(duì)混凝土拉應(yīng)力的影響。

據(jù)圖7整體分析可知，第3和第4片主梁更容易產(chǎn)生混凝土拉應(yīng)力破壞，而在其他片主梁處混凝土基本上處于受壓狀態(tài)。這是因?yàn)榈?和第4片主梁位于中間位置，在荷載作用下分布的彎矩較大。對(duì)比圖7（a）和圖7（c）、圖7（b）和圖7（d）可知，80型伸縮縫產(chǎn)生的拉應(yīng)力要大于160型伸縮縫，故建議采用160型伸縮縫。

3.2 定量分析

由于混凝土抗壓不抗拉，故此處僅給出混凝土在加自重和不加自重情況下的最大拉應(yīng)力和拉應(yīng)變結(jié)果，如表3所示。表中能需比為C50極限拉應(yīng)力與考慮自重后的最大拉應(yīng)力之比。

從表3能需比一列分析可知，80型伸縮縫處構(gòu)造會(huì)導(dǎo)致混凝土最大拉應(yīng)力超過C50混凝土的極限拉應(yīng)力，而160伸縮縫不會(huì)產(chǎn)生上述不利現(xiàn)象，這與上述3.1節(jié)分析結(jié)果一致。

4 伸縮縫槽口特殊點(diǎn)應(yīng)力分析

上述3.1節(jié)和3.2節(jié)從伸縮縫槽口端部分析混凝土應(yīng)力關(guān)系，下面從垂直于伸縮縫延伸方向的特殊點(diǎn)來分析混凝土應(yīng)力關(guān)系。

4.1 應(yīng)力云圖分析

限于篇幅，此處僅給出槽口混凝土不加漸變處理的C點(diǎn)和B點(diǎn)的應(yīng)力云圖，如圖8所示。

4.2 定量分析

據(jù)下頁表4分析可知：

（1）加漸變處理后，可以提高能需比，即可以提高混凝土抗拉強(qiáng)度。

（2）不論加漸變還是不加漸變，B點(diǎn)（開始突變）處最大拉應(yīng)力小于C點(diǎn)（突變結(jié)束）處的混凝土最大拉應(yīng)力。

（3）工況3下的能需比要小于工況4下的能需比，這是因?yàn)楣r3下汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)（1.8）要大于工況4下汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)（1.4）。

綜合上述分析可知，為提高混凝土抗拉能力和安全起見，應(yīng)該對(duì)槽口采用加漸變處理，在漸變結(jié)束處，可以采用二次漸變的形式來降低此部位的混凝土拉應(yīng)力。

5 結(jié)語

本文基于Ansys平臺(tái)，探究了連續(xù)T梁伸縮縫類型對(duì)槽口混凝土拉應(yīng)力的影響，主要得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于由多片T梁構(gòu)成的連續(xù)梁，橫截面上混凝土最大拉應(yīng)力一般發(fā)生在中間跨T梁附近，此部位需要加強(qiáng)混凝土抗拉設(shè)計(jì)。

（2）相比80型伸縮縫，160型伸縮縫可以減小混凝土最大拉應(yīng)力，在規(guī)范規(guī)定荷載作用下槽口端部位置的應(yīng)力能需比達(dá)到1. 548。

（3）為提高槽口混凝土抗拉能力和安全起見，應(yīng)該對(duì)槽口采用加漸變處理，在漸變結(jié)束處，可以采用二次漸變的形式來降低此部位的混凝土拉應(yīng)力。

參考文獻(xiàn)

[1]王建波.公路橋梁伸縮裝置模數(shù)式與梳齒板式之比較與選型研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），201 9，1 5（2）：194-195.

[2]張煜敏，李宇.連續(xù)梁橋抗震措施優(yōu)化組合及抗震效果研究[J].世界橋梁，2018，46（4）：50 - 54.

[3]盛亞鳴.車輛一梳齒式伸縮裝置動(dòng)力性能研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2018.

[4]劉玉華.新型無振動(dòng)伸縮裝置在公路橋梁中的應(yīng)用探討[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），201 7，13（10）：253 - 254.

[5]董浩，關(guān)長祿.公路橋梁異型鋼單縫式伸縮裝置常見問題分析[J].中外公路，201 7，37（1）：152 -157.

[6]閆光飛.基于LS- DYNA的橋梁伸縮縫破壞機(jī)理研究與分析[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2016.

[7]鄒毓穎，呂俊平，丁勇，等.模數(shù)式橋梁伸縮縫動(dòng)力強(qiáng)度計(jì)算與影響因素分析[J].寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），201 9，32（1）：72 -79.

[8]Coelho B Z，Vervuurt A H J M，Peelen W H A，e al.Dy-namics of modular expansion joints：The Martinus Nijhoff Bridge[J]. Engineering Structures， 201 3（ 48）：144 -1 54.

[9]Ding Y，Zhang W， Au F T K Effect of dynamic impact atmodular bridge expansion joints on bridge design[J].Engineering Structures， 2016（127）： 645 - 662.

[10]陳寶春，付毳，莊一丹，等.中國無伸縮縫橋梁應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策[J].中外公路，2018，38（1）：87 - 95.

[11]JTJ D60 - 2015，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[s].

作者簡介：唐志（1984-），碩士，高級(jí)工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)與研究工作。