楊林杰 劉家齊

（1、中鐵七局集團(tuán)鄭州工程有限公司，河南 鄭州450001 2、鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州450001）

隨著我國經(jīng)濟(jì)及工程科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國的交通運(yùn)輸事業(yè)也有了飛快的提高，交通建設(shè)規(guī)模和交通建設(shè)速度都取得了重大進(jìn)步，[1]尤其是橋梁建設(shè)施工工程成為交通運(yùn)輸事業(yè)的主要構(gòu)成部分。橋梁伸縮縫是橋梁公路橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分，一般設(shè)置在橋梁結(jié)構(gòu)中的兩側(cè)橋臺(tái)處或橋梁上部結(jié)構(gòu)的各孔連接處，其最主要的作用是保證橋梁結(jié)構(gòu)在溫度變化以及車輛荷載作用下，可以在設(shè)計(jì)伸縮量范圍內(nèi)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(fù)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(cái)力對公路橋梁上的伸縮縫進(jìn)行維修及更換。Chang[3]等對其生活所在州及周圍個(gè)別州的公路橋梁伸縮縫的服役和施工情況進(jìn)行了調(diào)查分析，總結(jié)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(dǎo)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(dòng)力性能，結(jié)果表明：車速的不斷提高，車輛在伸縮縫的制動(dòng)力效果不斷增強(qiáng)，其橫向位移也不斷增大。毛蘇毅[5]等調(diào)查實(shí)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(rèn)為車輛超載使中梁鋼所受最大應(yīng)力增大，滑動(dòng)支撐的最大變形量也增大。

1 橋梁伸縮縫的主要結(jié)構(gòu)形式

隨著科學(xué)技術(shù)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(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)外普遍認(rèn)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(fù)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(xué)分析到非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。本文根據(jù)CD100 型異型鋼單縫伸縮縫的實(shí)際結(jié)構(gòu)形式，建立了其有限元模型，由于伸縮縫的兩側(cè)為完全對稱的結(jié)構(gòu)形式，因此在有限元模型建立的過程中，選取伸縮縫的單側(cè)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(jié)構(gòu)形式圖以及上述結(jié)構(gòu)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(gè)單元，并對車輛荷載施加部位進(jìn)行網(wǎng)格加密。（圖2）

圖1 橋梁伸縮縫結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

圖4 不同混凝土強(qiáng)度伸縮縫所受最大應(yīng)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(yīng)力及變形，不考慮車輛在伸縮縫制動(dòng)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(qiáng)大小就為845000Pa。

3 橋梁伸縮縫有限元模擬結(jié)果分析

3.1 橋梁伸縮縫整體受力結(jié)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(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，模擬伸縮縫在標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(yīng)力云圖，如圖3所示。

由伸縮縫的應(yīng)力結(jié)果云圖可以看出，伸縮縫在車輛荷載作用下，整體受力點(diǎn)集中在車輛荷載作用位置附近，而遠(yuǎn)離車輛荷載作用位置的部分受力較小。其中，伸縮縫所受應(yīng)力最大點(diǎn)發(fā)生在F 型邊梁上（結(jié)點(diǎn)1128），最大應(yīng)力值為9.382MPa，最小應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在錨固鋼筋上（結(jié)點(diǎn)64），最小應(yīng)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(yīng)力，最大應(yīng)力值為9.382MPa，也未達(dá)到材料的工程屈服極限，F(xiàn) 型鋼邊梁不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞。但是，從伸縮縫各個(gè)部件所受到的應(yīng)力來看，錨固區(qū)混凝土所受最大主拉應(yīng)力最大達(dá)到了5.423MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(huì)發(fā)生強(qiáng)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(qiáng)度對伸縮縫受力影響分析

從伸縮縫整體靜力分析結(jié)果來看，伸縮縫錨固區(qū)混凝土在車輛荷載作用下將會(huì)發(fā)生破壞。錨固區(qū)混凝土連接著橋面鋪裝和整個(gè)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(guān)系到整個(gè)伸縮裝置的服役年限。因此，選取不同錨固區(qū)混凝土強(qiáng)度，模擬分析伸縮縫在不同錨固區(qū)混凝土強(qiáng)度下的受力情況，選取的錨固區(qū)混凝土標(biāo)號(hào)分別為C25、C30、C40、C50、C60。通過對比分析不同錨固區(qū)混凝土強(qiáng)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(qiáng)度對伸縮縫整體受力的影響。其具體結(jié)果如圖4 所示。

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

同時(shí)，從圖4 中可以看出，伸縮縫所受最大應(yīng)力是隨著錨固區(qū)混凝土強(qiáng)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(qiáng)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(jié)處最先發(fā)生混凝土破裂，橋梁伸縮裝置將會(huì)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(jìn)行橋梁伸縮裝置錨固區(qū)混凝土澆筑的時(shí)候，宜選用混凝土標(biāo)號(hào)C50 或以上的混凝土進(jìn)行澆筑，從而延長橋梁伸縮縫使用壽命。

4 結(jié)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(xué)特性以及不同錨固區(qū)混凝土強(qiáng)度對伸縮縫整體受力情況的影響。結(jié)論如下：

4.1 在伸縮縫整體結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析中，伸縮縫在車輛荷載作用下受到的最大應(yīng)力點(diǎn)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(yīng)力超過其最大抗拉極限，將會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞。所以在橋梁伸縮縫的養(yǎng)護(hù)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(hù)維修質(zhì)量。

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