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)計對混凝土拉應(yīng)力的影響，文章基于Ansys平臺建立了T梁上部結(jié)構(gòu)實體單元有限元模型，探究了不同伸縮縫類型和不同汽車荷載分項系數(shù)對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

中圖分類號：U448. 21+2文獻標(biāo)識碼：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst.2019. 12. 025

文章編號：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處理;而對于80型伸縮縫通常不做槽口，伸縮縫處也未做加強處理?！豆窐蚝O(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60 - 2015）已經(jīng)將汽車荷載分項系數(shù)（采用車輛荷載計算時）由老規(guī)范中的1.4提高到1.8，因此，有必要對T梁80型及160型伸縮縫構(gòu)造受力情況進行分析，并研究通過優(yōu)化伸縮縫處梁體構(gòu)造設(shè)計來改善其受力性能。

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)實際工程經(jīng)驗，探究了模數(shù)式伸縮縫和梳齒板式伸縮縫在設(shè)計、制造、安裝和后期維護等四個方面的差異性，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，利用實驗和數(shù)值模擬對比研究了梳齒板伸縮縫在車輪荷載作用下的變形、荷載以及振動噪聲。劉玉華[4]介紹了一種新型無振動無縫伸縮裝置，這種裝置施工方便、強度高、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理，基于此機理提出了加強日常養(yǎng)護的高精準(zhǔn)養(yǎng)護方法和養(yǎng)護管理措施。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理。Coelho等[8]統(tǒng)計分析了某地區(qū)橋梁伸縮縫的實測變形數(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某橋梁結(jié)構(gòu)伸縮縫進行了改造研究，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理方面對伸縮縫進行了主要研究，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梁橋為例，探究開槽后不同伸縮縫裝置和開槽構(gòu)造對周邊混凝土拉應(yīng)力的影響?；诖笮屯ㄓ糜邢拊浖嗀nsys建立T梁上部結(jié)構(gòu)實體單元模型，同時結(jié)合新舊規(guī)范探究了汽車荷載分項系數(shù)對混凝土拉應(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梁的實體單元模型，利用Solid45單元模擬混凝土。為簡化計算，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方向上，均能自由伸縮，牢固可靠，車輛駛過時應(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、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，此處為簡化計算，將該荷載由兩個單軸承載，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。對于T梁而言，車輛荷載沖擊系數(shù)取0.3。在進行荷載組合時，按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60 - 2015）規(guī)定汽車荷載的分項系數(shù)為1.8（采用車輛荷載計算），而對于舊規(guī)范中汽車荷載的分項系數(shù)為1.4（采用車輛荷載計算）。本文據(jù)此針對兩種分項系數(shù)和兩種伸縮縫裝置設(shè)置4種計算工況，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，其相對位置如圖6所示。

3.1 應(yīng)力云圖分析

由于主梁具有對稱性，下面僅給出T梁在四個計算工況下槽口端部A點的應(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)。這是因為第3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點和B點的應(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度。

（2）不論加漸變還是不加漸變，B點（開始突變）處最大拉應(yīng)力小于C點（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，這是因為工況3下汽車荷載分項系數(shù)（1.8）要大于工況4下汽車荷載分項系數(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，探究了連續(xù)T梁伸縮縫類型對槽口混凝土拉應(yīng)力的影響，主要得出以下結(jié)論：

（1）對于由多片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，此部位需要加強混凝土抗拉設(shè)計。

（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

[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)式橋梁伸縮縫動力強度計算與影響因素分析[J].寧波大學(xué)學(xué)報（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)展對策[J].中外公路，2018，38（1）：87 - 95.

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

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