車輛荷載作用下橋梁伸縮縫靜力學有限元分析

楊林杰 劉家齊

（1、中鐵七局集團鄭州工程有限公司，河南 鄭州450001 2、鄭州大學水利科學與工程學院，河南 鄭州450001）

隨著我國經(jīng)濟及工程科學技術的快速發(fā)展，我國的交通運輸事業(yè)也有了飛快的提高，交通建設規(guī)模和交通建設速度都取得了重大進步，[1]尤其是橋梁建設施工工程成為交通運輸事業(yè)的主要構成部分。橋梁伸縮縫是橋梁公路橋梁結構的重要組成部分，一般設置在橋梁結構中的兩側橋臺處或橋梁上部結構的各孔連接處，其最主要的作用是保證橋梁結構在溫度變化以及車輛荷載作用下，可以在設計伸縮量范圍內自由伸縮。[2]但是，橋梁伸縮縫直接暴露在大氣環(huán)境中，長期直接經(jīng)受車輛荷載的反復作用，極易發(fā)生破壞，每年都需要投入大量的人力、物力及財力對公路橋梁上的伸縮縫進行維修及更換。Chang[3]等對其生活所在州及周圍個別州的公路橋梁伸縮縫的服役和施工情況進行了調查分析，總結出了影響橋梁伸縮縫伸縮性能及使用壽命的各方面因素，為橋梁伸縮縫的選型和維修提出了指導意見。李新祥[4]等利用有限元分析軟件將橋梁伸縮縫簡化為簡支梁模型，模擬分析了不同車速下的橋梁伸縮縫動力性能，結果表明：車速的不斷提高，車輛在伸縮縫的制動力效果不斷增強，其橫向位移也不斷增大。毛蘇毅[5]等調查實際交通荷載情況，建立模數(shù)式伸縮縫有限元模型，研究模數(shù)式裝置的受力性能，認為車輛超載使中梁鋼所受最大應力增大，滑動支撐的最大變形量也增大。

1 橋梁伸縮縫的主要結構形式

隨著科學技術的不斷發(fā)展，我國高速公路橋梁伸縮縫的形式也多種多樣。根據(jù)橋梁伸縮縫構造形式的不同，分為鋼板式伸縮縫、橡膠式伸縮縫、模數(shù)式伸縮縫、無縫伸縮縫。本文主要研究的是CD100 型異型鋼單縫伸縮縫，此伸縮縫的主要構造包括F 型異型鋼邊梁，兩根直徑16mm 的錨固鋼筋，以及一條鳥型橡膠止水條。CD100 型異型鋼單縫伸縮縫的結構形式簡單，安裝比較方便，適用于80mm 到120mm 伸縮量的公路橋梁，不僅方便舊伸縮縫的維修更換，還可用于新建橋梁的修建安裝，其主要結構形式如圖1 所示。

2 橋梁伸縮縫有限元模型的建立

通用有限元分析軟件ABAQUS 是目前國內外普遍認為比較優(yōu)秀的CAE 分析軟件之一，其優(yōu)勢在于非線性分析和復雜問題求解。ABAQUS 可以模擬的范圍很廣，從相對比較簡單的靜力學分析到非常復雜的結構動力學分析。本文根據(jù)CD100 型異型鋼單縫伸縮縫的實際結構形式，建立了其有限元模型，由于伸縮縫的兩側為完全對稱的結構形式，因此在有限元模型建立的過程中，選取伸縮縫的單側部分建立有限元模型。其中，伸縮縫的邊梁采用Q345B 鋼材，彈性模量為2.05Gpa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3；錨固區(qū)混凝土采用鋼纖維混凝土，彈性模量為2.GPa，泊松比為0.2，密度為2300kg/m3；橋面鋪裝選擇瀝青混凝土鋪裝，密度為2300kg/m3，彈性模量1200MPa，泊松比0.35。[6]根據(jù)圖1 的伸縮縫結構形式圖以及上述結構參數(shù)，建立了伸縮縫有限元模型。伸縮縫有限元模型共劃分了26758 個單元，并對車輛荷載施加部位進行網(wǎng)格加密。（圖2）

圖1 橋梁伸縮縫結構形式圖（單位：mm）

圖2 橋梁伸縮縫有限元模型圖

圖3 伸縮縫整體結構應力圖

圖4 不同混凝土強度伸縮縫所受最大應力曲線圖

公路橋梁伸縮裝置主要是受到車輛豎向輪壓荷載的作用，在垂直方向產(chǎn)生較大的應力及變形，不考慮車輛在伸縮縫制動時產(chǎn)生的水平?jīng)_擊力的作用。[7]因此，在此次伸縮縫的有限元模擬中，施加豎向輪壓荷載，豎向輪壓荷載標準值為140KN 和沖擊系數(shù)（1+μ）的乘積，沖擊系數(shù)μ 取0.45。在本文中的有限元模擬中，只考慮單輪單邊的車輪荷載。假定車輪荷載作用面為一個矩形，車輪輪壓長度為0.2 米，寬度為0.6 米[8]，則伸縮縫所受到的車輪壓強大小就為845000Pa。

3 橋梁伸縮縫有限元模擬結果分析

3.1 橋梁伸縮縫整體受力結果分析

在建立橋梁伸縮縫的有限元模型之后，對橋梁伸縮縫進行靜力學仿真分析，模擬伸縮縫在標準車輛荷載作用下的受力及變形情況。其中，施加的車輛荷載為垂直方向上的車輛輪壓，大小為0.845MPa，車輛輪壓的作用范圍為建立的整個伸縮縫模型的邊梁及錨固區(qū)混凝土面，伸縮縫在車輛荷載作用下的應力云圖，如圖3所示。

由伸縮縫的應力結果云圖可以看出，伸縮縫在車輛荷載作用下，整體受力點集中在車輛荷載作用位置附近，而遠離車輛荷載作用位置的部分受力較小。其中，伸縮縫所受應力最大點發(fā)生在F 型邊梁上（結點1128），最大應力值為9.382MPa，最小應力點發(fā)生在錨固鋼筋上（結點64），最小應力值8.245E-6MPa。在車輛荷載的靜力作用下，即使伸縮縫F 型邊梁產(chǎn)生了最大應力，最大應力值為9.382MPa，也未達到材料的工程屈服極限，F(xiàn) 型鋼邊梁不會發(fā)生強度破壞。但是，從伸縮縫各個部件所受到的應力來看，錨固區(qū)混凝土所受最大主拉應力最大達到了5.423MPa，遠遠超過了《混凝土結構設計規(guī)范》[9]中規(guī)定和C50 錨固區(qū)混凝土抗拉極限值2.64MPa。因此，在車輛荷載作用下，橋梁伸縮縫錨固區(qū)混凝土將會發(fā)生強度破壞，影響橋梁伸縮縫的使用壽命，危害行車安全。

3.2 不同錨固區(qū)混凝土強度對伸縮縫受力影響分析

從伸縮縫整體靜力分析結果來看，伸縮縫錨固區(qū)混凝土在車輛荷載作用下將會發(fā)生破壞。錨固區(qū)混凝土連接著橋面鋪裝和整個伸縮裝置，是橋面與伸縮裝置的過渡帶，錨固區(qū)混凝土的壽命關系到整個伸縮裝置的服役年限。因此，選取不同錨固區(qū)混凝土強度，模擬分析伸縮縫在不同錨固區(qū)混凝土強度下的受力情況，選取的錨固區(qū)混凝土標號分別為C25、C30、C40、C50、C60。通過對比分析不同錨固區(qū)混凝土強度下，伸縮縫所受最大受力情況，探究不同錨固區(qū)混凝土強度對伸縮縫整體受力的影響。其具體結果如圖4 所示。

由圖4 可知，隨著錨固區(qū)混凝土強度的不斷提高，伸縮縫所受最大應力值逐漸減小。當錨固區(qū)混凝土強度為C25 時，伸縮縫在車輛荷載作用下所受到的最大應力值為9.382MPa，錨固區(qū)混凝土強度不斷增大，伸縮縫所受最大應力不但減小，混錨固區(qū)混凝土強度等級達到C60 時，伸縮縫所受最大應力減小至8.9MPa，與錨固區(qū)混凝土強度為C25 時相比，伸縮縫所受最大應力減少了5%。

同時，從圖4 中可以看出，伸縮縫所受最大應力是隨著錨固區(qū)混凝土強度的增大而線性減少的。錨固區(qū)混凝土作為橋面鋪裝與伸縮裝置的過渡部分，錨固區(qū)混凝土的強度過低以及過早破壞，特別是錨固區(qū)混凝土與伸縮邊梁界面粘結處最先發(fā)生混凝土破裂，橋梁伸縮裝置將會很快因混凝土的開裂而破壞，最終喪失伸縮裝置的伸縮功能。因此，在進行橋梁伸縮裝置錨固區(qū)混凝土澆筑的時候，宜選用混凝土標號C50 或以上的混凝土進行澆筑，從而延長橋梁伸縮縫使用壽命。

4 結論

本文利用ABAQUS 有限元分析軟件建立起CD100 型異型鋼單縫伸縮縫的有限元模型，模擬分析了伸縮縫在車輛荷載作用下的靜力學特性以及不同錨固區(qū)混凝土強度對伸縮縫整體受力情況的影響。結論如下：

4.1 在伸縮縫整體結構靜力學分析中，伸縮縫在車輛荷載作用下受到的最大應力點在伸縮縫F 型邊梁腹部位置，錨固區(qū)混凝土受到的最大應力超過其最大抗拉極限，將會發(fā)生強度破壞。所以在橋梁伸縮縫的養(yǎng)護維修中，要特別注意伸縮縫邊梁和錨固區(qū)混凝土的養(yǎng)護維修質量。

4.2 隨著錨固區(qū)混凝土強度的不斷增加，伸縮縫所受最大應力線性減小，相對低混凝土強度C25 時所受的最大應力，減小了5%。所以，在實際工程施工中應選用高錨固區(qū)混凝土強度的混凝土，提高橋梁伸縮縫使用壽命。