行車荷載下橋梁伸縮縫破壞機(jī)理分析★

李 偉 姚 林 解傳凱 孔繁盛 蘭 宇,

(1.山東省高速路橋養(yǎng)護(hù)有限公司，山東 濟(jì)南 250031； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 概述

伸縮縫裝置為橋梁的附屬設(shè)施，通常設(shè)置在兩梁端之間、梁端與橋臺(tái)之間或橋梁的鉸接位置，為滿足橋面變形的要求，但其施工質(zhì)量往往被相關(guān)工程技術(shù)人員所忽視。目前，許多的公路橋梁都產(chǎn)生了伸縮縫病害，伸縮縫裝置成為了橋梁結(jié)構(gòu)中易損和頻繁需修復(fù)的部位。在這過(guò)程中，會(huì)明顯增加橋梁的維護(hù)成本，還會(huì)影響交通。因此，亟需對(duì)橋梁伸縮縫病害問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。分析橋梁伸縮縫病害類型及在行車荷載下的破壞機(jī)理是解決此類問(wèn)題的重要基礎(chǔ)。綜上，本文通過(guò)查閱文獻(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，總結(jié)了目前橋梁伸縮病害原因，并通過(guò)ABAQUS有限元模擬，分析了在行車荷載作用下橋梁伸縮縫的破壞機(jī)理，相關(guān)研究為橋梁伸縮縫病害的處置提供了相關(guān)參考依據(jù)，對(duì)于提升橋梁伸縮縫的工程質(zhì)量與服役壽命具有重要意義。

2 橋梁伸縮縫病害產(chǎn)生原因

在公路橋梁結(jié)構(gòu)中，公路橋梁伸縮裝置直接承受著行車荷載的反復(fù)作用。在我國(guó)交通迅速發(fā)展下，交通量激增，部分車輛為超載車輛和重型車輛。伸縮縫在承受行車荷載的沖擊作用下，可能會(huì)出現(xiàn)混凝土裂縫，導(dǎo)致伸縮縫破壞。特別在伸縮縫承受著行車荷載下，伸縮縫設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)各方面工作不善，會(huì)加快伸縮縫使用壽命的縮減。

因此在橋梁伸縮縫實(shí)際使用中，對(duì)于病害產(chǎn)生的原因不同，結(jié)合建模分析行車荷載下橋梁伸縮縫的情況，更好地全面處理橋梁伸縮縫病害。橋梁伸縮縫病害產(chǎn)生原因有設(shè)計(jì)方面、施工方面、養(yǎng)護(hù)方面[2,3]。

2.1 設(shè)計(jì)方面

高速公路橋梁伸縮縫病害與伸縮縫本身設(shè)計(jì)是有聯(lián)系的。

橋梁伸縮裝置設(shè)計(jì)方面的原因有：

1)橋梁伸縮裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不足。在橋梁伸縮縫裝置設(shè)計(jì)中，沒(méi)有考慮橋面鋼筋混凝土與橋梁面板的同步伸縮。這會(huì)導(dǎo)致橋梁在通車使用后，瀝青混凝土外表會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則開(kāi)裂、橋面拱起等問(wèn)題[3]。

2)伸縮縫裝置設(shè)計(jì)剛度不足。當(dāng)伸縮縫裝置強(qiáng)度不足時(shí)，伸縮裝置工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的隱患[5]。

2.2 施工方面

在施工相關(guān)人員對(duì)伸縮縫進(jìn)行施工時(shí)，會(huì)因?yàn)楦鞣N原因而在具體操作上沒(méi)有按照相應(yīng)規(guī)范，導(dǎo)致伸縮裝置安裝程序不合理，其工藝標(biāo)準(zhǔn)不符合規(guī)定，影響伸縮裝置正常工作。

橋梁伸縮裝置施工方面的原因有：

1)預(yù)留鋼筋被壓壞。預(yù)留的錨固鋼筋被運(yùn)料車壓壞，致伸縮縫鋼筋與預(yù)留的錨固鋼筋的連接性變差[3，5]。

2)混凝土的整體強(qiáng)度不足及澆筑工作不善。由于混凝土的整體強(qiáng)度不足，在混凝土澆筑后，整體剛度無(wú)法滿足實(shí)際使用。當(dāng)混凝土澆筑工作不夠密實(shí)時(shí)，混凝土內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)空洞和蜂窩等情況，導(dǎo)致路面缺乏足夠的承載力[2]。

3)伸縮縫預(yù)留量沒(méi)有根據(jù)實(shí)際施工環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。橋梁的伸縮縫裝置伸縮量一般會(huì)預(yù)留設(shè)計(jì)值的50%。在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，相關(guān)技術(shù)人員需按照實(shí)際施工環(huán)境及施工需求，調(diào)整伸縮裝置伸縮量的預(yù)留值，否則會(huì)致其伸縮量不足，伸縮縫裝置擠死，錨固混凝土受到擠壓而破壞，甚至背墻斷裂[3]。

2.3 養(yǎng)護(hù)方面

當(dāng)伸縮裝置出現(xiàn)養(yǎng)護(hù)方面的問(wèn)題時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致病害的出現(xiàn)。

橋梁伸縮裝置養(yǎng)護(hù)方面的原因有：

1)內(nèi)部雜物清理不及時(shí)。

當(dāng)沒(méi)有及時(shí)清理進(jìn)入伸縮裝置的砂土及雜物，橋梁伸縮裝置原設(shè)計(jì)的伸縮量得不到保證，導(dǎo)致主梁無(wú)法自由伸展，橋臺(tái)背墻處受到各梁間的推力作用，會(huì)發(fā)生斷裂情況[2]。

2)零部件維修養(yǎng)護(hù)不及時(shí)。

當(dāng)伸縮裝置零部件沒(méi)有及時(shí)維修養(yǎng)護(hù)時(shí)，裝置零部件會(huì)出現(xiàn)生銹、破損等問(wèn)題，影響伸縮裝置的剛度和強(qiáng)度[3]。

3)養(yǎng)護(hù)工作不善。

當(dāng)養(yǎng)護(hù)工作流于表面，未能定時(shí)檢查維護(hù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致橋梁伸縮病害發(fā)生[3]。

4)養(yǎng)護(hù)措施的影響。

在對(duì)伸縮裝置進(jìn)行養(yǎng)護(hù)時(shí)，為了保障交通的運(yùn)行，通常采取半幅施工半幅通車的交通管制，當(dāng)車輛荷載通過(guò)時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)頻率，會(huì)影響混凝土凝結(jié)固化，導(dǎo)致混凝土抗拉強(qiáng)度下降。

3 行車荷載下橋梁伸縮縫破壞機(jī)理

3.1 模型設(shè)置

關(guān)于行車荷載下橋梁伸縮縫破壞機(jī)理分析中，采用ABAQUS有限元建模，對(duì)此進(jìn)行模擬分析。

首先在伸縮縫分析中采用如下假設(shè)：

材料為均勻，各向同性，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，相關(guān)性能參數(shù)不考慮溫度影響[4]。

通過(guò)ABAQUS建立的模型如圖1所示。模型左邊部分，L型部分上的矩形部分為伸縮縫過(guò)渡區(qū)，高220 mm，長(zhǎng)320 mm。左邊整體部分，高320 mm，長(zhǎng)500 mm。伸縮縫長(zhǎng)80 mm。由于模型呈軸對(duì)稱，即右邊部分尺寸與左邊部分尺寸呈對(duì)稱。材料屬性為C50混凝土，考慮了混凝土塑性損傷。

該模型取一車輪寬度，寬度為200 mm。在車輪從左至右通過(guò)路面，設(shè)置10個(gè)參考點(diǎn)，如圖1a)所示。這10個(gè)參考點(diǎn)分別與對(duì)應(yīng)的面耦合，并設(shè)置荷載，模擬車輪經(jīng)過(guò)對(duì)伸縮縫的相關(guān)影響，如圖1b)所示。

經(jīng)查閱JTG D60—2015公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范等資料，計(jì)算得到伸縮縫頂部所受的靜力荷載，如表1所示。

因不考慮車輛在伸縮縫處制動(dòng)，水平靜載荷主要為車輛所產(chǎn)生的摩擦力，車輛在平直公路上行駛時(shí)所受到的阻力為車重的0.03倍。

表1 伸縮縫頂部靜力荷載

由于RP-3,RP-8為伸縮縫過(guò)渡區(qū)交界處，RP-5,RP-6為伸縮縫交界處，可能產(chǎn)生跳車現(xiàn)象，所以這四個(gè)參考點(diǎn)所承受的豎向荷載設(shè)置為車輛最大豎向荷載101.5 kN，其他參考點(diǎn)所承受的豎向荷載皆為車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值70 kN。全部參考點(diǎn)都設(shè)置向右的水平靜荷載2.1 kN。

通過(guò)建立以上模型，設(shè)置荷載，模擬伸縮裝置實(shí)際使用情況，并對(duì)此進(jìn)行分析。

3.2 模型分析

該模型模擬車輛車速為100 km/h。所以在設(shè)置分析步的時(shí)候，根據(jù)模型尺寸，設(shè)置相應(yīng)的時(shí)間，模擬100 km/h下車輛的通過(guò)情況。

在進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)，截取RP-2參考點(diǎn)到RP-9參考點(diǎn)這部分模型進(jìn)行分析，模擬車輛在進(jìn)入過(guò)渡區(qū)前至離開(kāi)過(guò)渡區(qū)后，路面的相應(yīng)的位移及應(yīng)力變化。相關(guān)參考點(diǎn)的模擬結(jié)果如圖2所示。

在對(duì)此模型進(jìn)行模擬時(shí)，可發(fā)現(xiàn)相關(guān)參考點(diǎn)的應(yīng)力位移曲線相似。在荷載結(jié)束施加之后，材料會(huì)隨時(shí)間進(jìn)行彈性恢復(fù)，但若位移或應(yīng)力超過(guò)材料所承載的極限，造成不可恢復(fù)的損傷，或者其位移形變已經(jīng)影響實(shí)際車輛使用，造成車輛使用安全上的隱患時(shí)，需要修補(bǔ)結(jié)構(gòu)。

觀察參考點(diǎn)位移及應(yīng)力變化圖，對(duì)比峰值發(fā)現(xiàn)，位于過(guò)渡區(qū)伸縮縫兩端的RP-5參考點(diǎn)、RP-6參考點(diǎn)峰值較大；在過(guò)渡區(qū)邊界處的RP-3參考點(diǎn)和RP-8參考點(diǎn)相比RP-2參考點(diǎn)和RP-9參考點(diǎn)位移及應(yīng)力值較大。這說(shuō)明該四處是伸縮裝置設(shè)計(jì)施工應(yīng)該注意的四個(gè)位置及在實(shí)際使用中容易產(chǎn)生損傷的部位；RP-5參考點(diǎn)、RP-6參考點(diǎn)位移及應(yīng)力值較于RP-3參考點(diǎn)、RP-8參考點(diǎn)位移及應(yīng)力值，是比較大的。在伸縮縫實(shí)際使用中，對(duì)于RP-5參考點(diǎn)、RP-6參考點(diǎn)相應(yīng)的部位同樣需要注意。

在模擬中，行車荷載下伸縮縫相關(guān)參考點(diǎn)應(yīng)力最大值為0.938 MPa，位移最大值0.63 mm，小于規(guī)范容許值，皆滿足實(shí)際工程使用要求。從以上分析可知，在橋梁伸縮裝置實(shí)際工程設(shè)計(jì)應(yīng)用維修中，應(yīng)著重考慮分析RP-3參考點(diǎn)、RP-5參考點(diǎn)、RP-6參考點(diǎn)、RP-8參考點(diǎn)這四個(gè)位置處的受力變形。若結(jié)構(gòu)及材料在這四個(gè)位置可以滿足實(shí)際工程使用要求，便可保證橋梁伸縮裝置的正常使用。

4 結(jié)論

1)現(xiàn)階段，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入建設(shè)公路橋梁的高潮。許多公路橋梁都產(chǎn)生了伸縮縫病害，這不僅影響公路橋梁實(shí)際使用，還危害公路橋梁中的行駛車輛的安全。

2)橋梁伸縮縫病害類型有施工導(dǎo)致的病害、設(shè)計(jì)導(dǎo)致的病害、養(yǎng)護(hù)導(dǎo)致的病害。

3)觀察相關(guān)參考點(diǎn)模擬結(jié)果，對(duì)比峰值發(fā)現(xiàn)，位于伸縮縫兩端的參考點(diǎn)RP-5參考點(diǎn)和RP-6參考點(diǎn)的應(yīng)力值最大，皆為0.938 MPa，而過(guò)渡區(qū)邊界處的RP-3參考點(diǎn)、RP-8參考點(diǎn)峰值較大，RP-3參考點(diǎn)的應(yīng)力值為0.812 MPa，RP-8參考點(diǎn)應(yīng)力值為0.827 MPa，該四個(gè)參考點(diǎn)應(yīng)力值皆小于規(guī)范容許值；位于伸縮縫兩端的參考點(diǎn)RP-5參考點(diǎn)和RP-6參考點(diǎn)的位移值最大，皆為0.63 mm，而過(guò)渡區(qū)邊界處的RP-3參考點(diǎn)和RP-8參考點(diǎn)峰值較大，皆為0.29 mm，該四個(gè)參考點(diǎn)模擬的應(yīng)力值和位移值皆滿足實(shí)際工程使用要求。由于位于伸縮縫兩端的參考點(diǎn)RP-5參考點(diǎn)、RP-6參考點(diǎn)和過(guò)渡區(qū)邊界處的RP-3參考點(diǎn)、RP-8參考點(diǎn)，這四點(diǎn)的應(yīng)力峰值和位移峰值皆較大，因此該四處是伸縮裝置設(shè)計(jì)施工應(yīng)注意的位置及在實(shí)際使用中容易產(chǎn)生損傷的部位。

4)在相關(guān)參考點(diǎn)模擬結(jié)果中，位于伸縮縫兩端的參考點(diǎn)RP-5參考點(diǎn)和RP-6參考點(diǎn)的應(yīng)力值為最大，皆為0.938 MPa。同時(shí)該兩參考點(diǎn)的位移值也最大，皆為0.63 mm。在模擬中考慮行車荷載為車輛荷載后軸重力標(biāo)準(zhǔn)值，而在實(shí)際情況有行車荷載的反復(fù)作用及車輛超載的情況，因此伸縮縫金屬裝置與過(guò)渡區(qū)混凝土以相應(yīng)的混凝土等級(jí)的規(guī)范受壓容許值設(shè)計(jì)，同時(shí)按照設(shè)計(jì)值對(duì)橋梁進(jìn)行限重。