周圣蘭，韓恒忠，趙新創(chuàng)，雷勇志，莫 迪，黃民水*

1.安徽省新路建設(shè)工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 阜陽(yáng) 236000；2.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074

公路橋梁伸縮裝置作為橋梁結(jié)構(gòu)不可或缺的一部分，不但能夠適應(yīng)因溫度變化、混凝土收縮徐變、橋墩橋臺(tái)位移沉降等因素引起的橋梁內(nèi)力變化，而且可以承受車輛荷載的反復(fù)沖擊作用，但是作為公路橋梁結(jié)構(gòu)中的一部分，伸縮裝置經(jīng)常因各種原因而損壞，1990年在北京等十幾個(gè)城市對(duì)各大公路橋梁500多個(gè)伸縮裝置進(jìn)行調(diào)查，破損的伸縮裝置占了總調(diào)查的48.7%左右。若公路橋梁的伸縮裝置忽略了早期設(shè)計(jì)和施工上的結(jié)構(gòu)要求，就會(huì)給橋梁結(jié)構(gòu)后期的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)隱患，當(dāng)車輛荷載發(fā)生重載或超載時(shí)，伸縮裝置的錨固區(qū)混凝土易開裂，其與橋面鋪裝黏結(jié)的界面就會(huì)出現(xiàn)脫黏現(xiàn)象。因此，伸縮裝置錨固區(qū)混凝土界面脫黏的研究對(duì)于提高伸縮裝置在實(shí)際工程中的耐久性和使用壽命、減緩甚至避免界面裂縫的發(fā)生，具有一定的理論研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值［1-2］。

1 錨固區(qū)混凝土界面黏結(jié)機(jī)理

直接暴露于大氣中的伸縮裝置隨車載流量的增多、汽車荷載的重載超載現(xiàn)象和自然環(huán)境的影響，易出現(xiàn)早期破壞。錨固區(qū)混凝土與其他區(qū)域混凝土收縮變形有所不同，新舊混凝土黏結(jié)界面初期強(qiáng)度低，在外界因素如車輛荷載影響下極易出現(xiàn)裂縫，而后期養(yǎng)護(hù)施工若處理不當(dāng)會(huì)使裂縫拓展延伸，導(dǎo)致錨固區(qū)混凝土破碎開裂。

1.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

新舊混凝土黏結(jié)力源自于分子間相互作用力，即機(jī)械咬合力、范德華力和生物化學(xué)作用力，三者所占比例依次遞減。機(jī)械咬合力由新澆混凝土滲入舊混凝土縫隙形成黏結(jié)面提供；范德華力由集料本身的特性所決定，屬分子間物理靜電吸引；生物化學(xué)作用力由水化物反應(yīng)及界面劑與混凝土反應(yīng)提供［3］。

1.2 宏觀力學(xué)分析

新舊混凝土黏結(jié)界面受力性能薄弱，遠(yuǎn)小于整體混凝土。在常溫下，新舊混凝土界面的強(qiáng)度僅為整體混凝土軸心抗拉強(qiáng)度的67%～84%，新舊混凝土界面的強(qiáng)度約為整體的3/4左右；抗折（彎）強(qiáng)度約為47%～53%；界面處的斷裂韌度約為整體混凝土斷裂韌度的50%左右。并對(duì)溫度影響敏感，當(dāng)溫度升高時(shí)，新舊混凝土黏結(jié)劈裂抗拉強(qiáng)度下降，200℃時(shí)下降26%左右，700℃時(shí)下降到92%［4］。

1.3 界面脫黏原因

界面的黏結(jié)層是由混凝土中的水泥、其他鋪裝黏結(jié)材料、界面黏結(jié)劑等組合而成的復(fù)雜的黏結(jié)體，界面黏結(jié)的強(qiáng)度和整體混凝土相比較小，其主要影響因素有：1）混凝土表面粗糙度；2）界面劑類型的不同；3）鋪裝材料的模量；4）鋪裝材料的厚度［5］；5）汽車荷載的沖擊作用［6-7］；6）混凝土基層的質(zhì)量；7）界面植筋率的不同。

2 有限元模擬

2.1 模型建立

利用有限元軟件ANSYS建立模數(shù)式伸縮裝置的三維平面應(yīng)變模型［8］，建模時(shí)截取伸縮裝置、錨固區(qū)混凝土和橋面鋪裝層為主要研究對(duì)象，模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，為分析簡(jiǎn)化起見，分析模型未考慮伸縮裝置的影響。

圖1中，計(jì)算坐標(biāo)系規(guī)定如下：以橋面鋪裝的邊緣中點(diǎn)處做為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，縱橋向即車輛向前行駛或者梁體的長(zhǎng)度方向?yàn)閄軸，梁體的厚度方向?yàn)閅軸方向，梁體的寬度方向即橫橋向?yàn)橛?jì)算時(shí)的Z軸方向。模型整體寬度取3 m，橋面鋪裝與錨固區(qū)混凝土厚度取0.2 m，梁體厚度取0.6 m，整個(gè)橋梁局部結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為6.1 m。

圖1中，模型底部?jī)啥司┘尤蚣s束。

2.2 計(jì)算假設(shè)

基本假設(shè)如下：1）對(duì)錨固區(qū)混凝土簡(jiǎn)化時(shí)按照非光滑和緊密連接的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，假設(shè)錨固區(qū)混凝土與伸縮裝置之間非光滑并緊密接觸，且二者的接觸界面沒(méi)有空隙，力的傳遞均勻，拉應(yīng)力、剪應(yīng)力和豎向位移在界面處均相等；2）橋面鋪裝與錨固區(qū)混凝土黏結(jié)的界面用接觸單元代替其他的機(jī)械黏結(jié)方式，所有的橋梁結(jié)構(gòu)之間的連接均固結(jié)在一起；3）所有結(jié)構(gòu)材料符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求；4）不計(jì)伸縮裝置結(jié)構(gòu)各組成部分的自重，也不計(jì)橋梁自重，不考慮橋面板負(fù)彎矩及橋梁振動(dòng)作用對(duì)計(jì)算產(chǎn)生的影響。

2.3 界面脫黏原因

橋面鋪裝、錨固區(qū)混凝土及梁體均使用ANSYS中三維八節(jié)點(diǎn)Solid45實(shí)體單元模擬，橋面鋪裝和錨固區(qū)混凝土的黏結(jié)界面不采用任何機(jī)械連接方式，而用Conta174與Targe170來(lái)代替，網(wǎng)格尺寸：1）X方向?yàn)? cm，Y方向?yàn)?0 cm，Z方向?yàn)?0 cm；2）梁體的尺寸劃分和上面完全相同。

網(wǎng)格化后有限元模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格化有限元模型Fig.2 Grid finite element model

2.4 計(jì)算荷載

本次研究采用公路-I級(jí)的車輛荷載，最大軸重 140 kN，作用在 6個(gè)不同位置［7］，選擇后軸 4個(gè)車輪的著地面積為4個(gè)0.2 m×0.6 m的矩形荷載，軸距為1.4 m，布載如圖3所示。

圖3 車輛荷載示意圖：（a）立面，（b）平面Fig.3 Schematic diagrams of vehicle load：（a）elevation，（b）plan

車輪接觸壓力為：

式（1）中，G為最大軸重，A為輪胎接地面積。

在計(jì)算分析時(shí)考慮6種荷載工況，即：1）荷載作用在錨固區(qū)混凝土一側(cè)橋面鋪裝上（位置1）；2）后輪荷載作用于橋面鋪裝，前輪輪跡邊緣貼合橋面鋪裝與錨固區(qū)混凝土相交線（位置2）；3）荷載位于在橋面鋪裝和伸縮裝置錨固區(qū)混凝土的正中間（位置3）；4）荷載作用在橋面鋪裝一側(cè)且后軸前輪輪跡邊緣位于相交線上（位置4）；5）荷載位于兩側(cè)錨固區(qū)混凝土并壓住伸縮縫（位置5）；6）荷載位于兩側(cè)錨固區(qū)混凝土并跨過(guò)伸縮縫（位置6）。以上6種荷載作用示例位置如圖4所示。

圖4 荷載作用位置Fig.4 Load position

此外，還需考慮車輛超載作用下的受力情況，可取輪胎壓力值分別為超載21.7%后的0.70 MPa和超載37.9%后的0.80 MPa。而車輛加速或減速時(shí)會(huì)引起水平力，靜止時(shí)水平力系數(shù)取0，勻速行駛時(shí)為0.10，緩慢制動(dòng)時(shí)為0.25，緊急加速或剎車時(shí)為 0.50［9-11］。

2.5 計(jì)算參數(shù)

建立力學(xué)分析模型時(shí)所采用的各種材料的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 橋梁伸縮縫材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of bridge expansion joint

為研究不同橋面鋪裝瀝青材料彈性模量對(duì)錨固區(qū)混凝土黏結(jié)界面的受力的影響，分別取橋面鋪裝瀝青材料的彈性模量為400、800、1 200、1 600 和 2 000 MPa［12-14］。

3 結(jié)果討論

3.1 荷載最不利位置的確定

考察公路-I級(jí)最大軸重140 kN作用在6個(gè)不同位置時(shí)的受力情況，選取橋面鋪裝的彈性模量為800 MPa，錨固區(qū)混凝土的模量為3.45×1010Pa，6種不同荷載作用位置的界面應(yīng)力如表2所示。

由表2可以看出，取荷載位置2或荷載位置3作為荷載最不利位置，取相應(yīng)荷載位置下的界面拉應(yīng)力和界面剪應(yīng)力為界面的控制指標(biāo)［15-17］。

3.2 界面應(yīng)力

選擇荷載位置2為荷載作用最不利位置，分析荷載位置2作用下界面拉應(yīng)力和界面剪應(yīng)力沿Y方向及Z方向的變化規(guī)律，選擇橋面鋪裝表面（y=0 cm）向下每隔4 cm位置的界面拉應(yīng)力和剪應(yīng)力與橋面鋪裝寬度方向的變化規(guī)律；選擇橋面鋪裝表面（y=0 cm）來(lái)分析界面豎向位移與橋面寬度方向的變化規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。

表2 不同荷載位置處界面應(yīng)力最大值Tab.2 Maximum values of interface stress in different load positions kPa

圖5 界面應(yīng)力沿橫橋向的變化曲線：（a）拉應(yīng)力，（b）剪應(yīng)力Fig.5 Curves of interface stress along transverse bridge：（a）tensile stress，（b）shear stress

1）在荷載位置2作用下，當(dāng)y=0 cm時(shí)，界面應(yīng)力沿橋面鋪裝的橫橋向方向以拉應(yīng)力為主，拉應(yīng)力在雙輪正中間出現(xiàn)最大值；在y=0 cm界面以下，沿著深度方向主要呈現(xiàn)出壓應(yīng)力的狀態(tài)；當(dāng)界面深度y處于0～8 cm之間時(shí)，雙輪作用范圍內(nèi)的界面壓應(yīng)力不斷增加，呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，而界面深度y=20 cm的時(shí)候，界面的壓應(yīng)力達(dá)到最大值；在界面深度20 cm處以上時(shí)，界面應(yīng)力主要是由車輛荷載產(chǎn)生，當(dāng)界面深度位于8 cm以下時(shí)，應(yīng)力受下方固結(jié)的橋面板的影響，所以當(dāng)界面深度y=8～20 cm時(shí)，界面拉應(yīng)力值小于y在4～8 cm之間時(shí)的拉應(yīng)力值，當(dāng)界面深度y=20 cm的時(shí)候，界面拉應(yīng)力值最小。

2）在荷載位置2作用下，2個(gè)輪胎周圍的界面剪應(yīng)力明顯大于橫橋向其它位置界面剪應(yīng)力，當(dāng)界面深度y處于0～20 cm之間時(shí)，2個(gè)輪胎作用范圍內(nèi)的界面剪應(yīng)力方向?yàn)榇怪毕蛳?，雙輪兩側(cè)剪應(yīng)力方向?yàn)榇怪毕蛏?，在雙輪作用范圍內(nèi)，隨著鋪裝深度的增加，剪應(yīng)力不斷減小，且在輪胎中心呈現(xiàn)出分界點(diǎn)，最初剪應(yīng)力逐漸增大，呈遞減趨勢(shì)，到分界點(diǎn)位置時(shí)剪應(yīng)力逐漸減小，界面剪應(yīng)力沿橋面鋪裝厚度方向逐漸遞減，其原因是隨著界面深度的增加，荷載作用產(chǎn)生的剪應(yīng)力慢慢減小。

3.3 不同橋面鋪裝彈性模量的影響

公路-I級(jí)車輪的接觸壓力為0.58 MPa，水平力為0 MPa。兩側(cè)橋面鋪裝長(zhǎng)2.5 m、厚度為0.20 m、寬為3.0 m；錨固區(qū)混凝土的寬為3.0 m、厚為0.20 m、長(zhǎng)0.5 m；下層兩側(cè)梁板均為長(zhǎng)3 m、厚0.60 m、寬3.0 m。橋面鋪裝的彈性模量分別取400、800、1 200、1 600和2 000 MPa，分析橋面鋪裝彈性模量變化對(duì)界面應(yīng)力的影響，如表3所示。

由表3可知：

1）隨著橋面鋪裝彈性模量的不斷增加，界面法向拉應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)橋面鋪裝的模量從400 MPa增至2 000 MPa，應(yīng)力減小了33.5%，且?guī)缀醭示€性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.033 27。由于界面法向拉應(yīng)力極值的作用位置在橋面鋪裝上，計(jì)算結(jié)果表明橋面鋪裝材料的彈性模量越大，應(yīng)力作用就越小。因此，橋面鋪裝模量的增大有助于減小應(yīng)力。為了降低荷載作用下橋面鋪裝與錨固區(qū)混凝土黏結(jié)界面的應(yīng)力，延緩界面開裂的速度，宜選擇剛度更大、彈性模量更大的瀝青材料做為橋面鋪裝的材料。

2）在不同橋面鋪裝的彈性模量影響下，界面法向拉應(yīng)力隨著模量的變化近似呈線性規(guī)律，如式（2）和圖6所示。

式（2）中：σ為界面法向應(yīng)力，Ej為橋面鋪裝彈性模量。

圖6 界面控制指標(biāo)隨模量的變化曲線Fig.6 Curves of interface control index with bridge deck pavement elastic modulus

綜上所述，橋面鋪裝彈性模量的變化對(duì)界面應(yīng)力的影響較大，其中對(duì)于拉應(yīng)力的影響要大于對(duì)界面剪應(yīng)力的影響。

3.4 車輛超載的影響

選擇公路-I級(jí)車輪的接觸壓力為0.58 MPa，取橋面鋪裝的彈性模量為800 MPa，水平力為0 MPa?？紤]超載，可取輪胎壓力值分別為超載21.7%后的0.70 MPa和超載37.9%后的0.80 MPa，界面受力情況的控制指標(biāo)如表4所示。

表4 不同輪胎接觸壓力下界面控制指標(biāo)Tab.4 Interface stresses under different tire contact pressures

由表4明顯可知：界面拉應(yīng)力和界面剪應(yīng)力均與荷載壓力值呈現(xiàn)出正相關(guān)，當(dāng)壓力值從0.58 MPa增加到0.80 MPa時(shí)，界面的拉應(yīng)力值增加了37.6%，界面的剪應(yīng)力值增加了37.8%。

3.5 水平力系數(shù)的影響

選擇車輪荷載壓力為0.58 MPa，橋面鋪裝的彈性模量取800 MPa，水平力系數(shù)大小分別為0、0.10、0.25、0.50時(shí)，所得界面應(yīng)力如表5所示。

表5 水平力系數(shù)對(duì)界面應(yīng)力的影響Tab.5 Influence of horizontal force coefficient on interface stresses

由表5可知，界面拉應(yīng)力和剪應(yīng)力均與水平力系數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)，在水平力系數(shù)為0.10時(shí)，界面拉應(yīng)力、剪應(yīng)力分別增加35.8%、18.3%，說(shuō)明水平力系數(shù)的增加對(duì)界面拉應(yīng)力影響比較大。當(dāng)水平力系數(shù)為0.25時(shí)，界面拉應(yīng)力、剪應(yīng)力分別增加257.9%和46.4%，而當(dāng)水平力系數(shù)為0.50時(shí)，界面拉應(yīng)力劇增，可能會(huì)超過(guò)黏結(jié)界面所能承受的應(yīng)力最大值，表明在車輛緊急剎車或突然啟動(dòng)時(shí)，黏結(jié)界面很容易發(fā)生破壞。

4 結(jié) 語(yǔ)

在對(duì)伸縮裝置界面脫黏機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，基于ANSYS建立了局部伸縮縫有限元模型，選取公路-I級(jí)荷載最大軸重140 kN做為計(jì)算荷載，輪胎接觸壓力為0.58 MPa，并考慮了橋面鋪裝彈性模量、車輛超重、水平力系數(shù)的影響，將界面的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力確定為界面控制指標(biāo)，分析在不同荷載位置作用下界面的受力情況，主要結(jié)論如下：

1）當(dāng)荷載緊貼橋面鋪裝與伸縮裝置錨固區(qū)混凝土的相交線上時(shí)，黏結(jié)界面的拉應(yīng)力及剪應(yīng)力最大。荷載位置2時(shí)，通過(guò)分析橋面鋪裝材料彈性模量對(duì)界面應(yīng)力和位移發(fā)現(xiàn)，增大橋面鋪裝彈性模量對(duì)界面應(yīng)力產(chǎn)生的影響較大且隨著橋面鋪裝彈性模量的增大而逐漸減小，其中對(duì)界面拉應(yīng)力的影響最大，對(duì)剪應(yīng)力的影響次之，所以可以選擇彈性模量較大的材料做橋面鋪裝材料。

2）界面拉應(yīng)力和界面剪應(yīng)力與荷載壓力值、水平力系數(shù)均呈現(xiàn)出正相關(guān)，其中水平力系數(shù)對(duì)界面拉應(yīng)力的影響最明顯，在水平力系數(shù)為0.5時(shí)達(dá)到最大值，這表明車輛在緊急剎車或者突然啟動(dòng)時(shí)會(huì)使錨固區(qū)混凝土與橋面鋪裝的黏結(jié)界面很容易發(fā)生破壞。在不同影響因素下，界面拉應(yīng)力、剪應(yīng)力和豎向位移受水平力系數(shù)的影響最大，其次是車輛荷載超重的影響，橋面鋪裝彈性模量的影響最小。