鄭萬(wàn)山， 李雙龍， 高文軍

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067； 2.重慶交通大學(xué)， 重慶 400074)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與交通事業(yè)的飛速發(fā)展，橋梁規(guī)模越來(lái)越大、車流量與重載車輛也大幅增加，使得橋梁伸縮縫的長(zhǎng)期使用壽命面臨新的挑戰(zhàn)，對(duì)其工作性能、使用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等提出了更高要求[1]。橋梁伸縮縫一般設(shè)置在橋臺(tái)與梁端、相鄰橋跨間，是橋梁結(jié)構(gòu)的必要組成部分，其主要功能是確保主梁在自然溫度變化、車輛反復(fù)荷載、混凝土收縮徐變，甚至在大縱坡、彎橋、斜橋下能夠滿足縱橫向自由伸縮變位[2-3]，且梁端能自由轉(zhuǎn)動(dòng)變形的要求。

伸縮縫錨固區(qū)混凝土是伸縮縫結(jié)構(gòu)的重要部位，也是最早發(fā)生損壞的部分，錨固區(qū)混凝土性能的好壞對(duì)伸縮縫使用狀況、服務(wù)壽命等有著極其重要的影響，其與行車安全、舒適性有著直接的聯(lián)系[4]。通過(guò)調(diào)研可知，錨固區(qū)與瀝青鋪裝層界面混凝土開(kāi)裂、裂縫發(fā)展擴(kuò)大、破損、剝落是錨固區(qū)最早、最常見(jiàn)的病害，車輛經(jīng)過(guò)錨固區(qū)時(shí)，車輪荷載壓力通過(guò)錨固系統(tǒng)將力傳遞給錨固區(qū)混凝土，混凝土出現(xiàn)壓縮變形，車輪駛過(guò)后，有一個(gè)釋放應(yīng)力的過(guò)程，使得界面拉應(yīng)力增大，這會(huì)加劇錨固區(qū)混凝土的開(kāi)裂與破壞，錨固區(qū)混凝土的損壞又會(huì)加劇伸縮裝置的破壞，嚴(yán)重影響伸縮縫整體使用性能與服務(wù)壽命[5-6]。

本文選擇當(dāng)前國(guó)內(nèi)使用最廣泛的單縫式型鋼伸縮裝置，采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，建立伸縮縫及錨固區(qū)有限元模型，主要探究瀝青鋪裝層彈性模量、錨固區(qū)寬度與厚度、車輪超載與水平力系數(shù)對(duì)界面力學(xué)性能的影響，著重分析界面處的應(yīng)力與變形情況，為伸縮縫錨固區(qū)材料選擇、結(jié)構(gòu)尺寸形狀提供一定的理論優(yōu)化建議，以供今后錨固區(qū)設(shè)計(jì)、施工參考。

1 有限元模型建立

1.1 計(jì)算荷載與作用位置

采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[7]中公路Ⅰ級(jí)車輛荷載進(jìn)行模擬分析，公路Ⅰ級(jí)車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)550 kN，最大軸重140 kN，考慮車輛荷載最大沖擊系數(shù)μ= 0.45，后軸壓力為140 kN×1.45=203 kN。標(biāo)準(zhǔn)車輛后軸由4個(gè)車輪組成，單輪壓力為203 kN/4=50.75 kN，單輪著地面積取0.2 m×0.25 m的矩形，則單輪接觸應(yīng)力為1.015 MPa。后軸加載平面如圖1所示。

單位：mm

車輪荷載作用位置考慮4種工況：1) 車輪作用于瀝青鋪裝層，輪跡線前邊緣與界面線重合；2) 車輪作用于兩者相交處，車輪中心剛好與界面線重合；3) 車輪作用于錨固區(qū)混凝土上，輪跡線后邊緣與界面線重合；4) 車輪中心剛好作用于錨固區(qū)混凝土中心。具體作用位置如圖2所示。

圖2 荷載作用位置

1.2 幾何模型

本文重點(diǎn)旨在研究瀝青鋪裝層與錨固區(qū)界面的應(yīng)力與變形，為優(yōu)化計(jì)算，提升運(yùn)算效率，對(duì)單縫式型鋼伸縮裝置進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，不考慮錨固區(qū)鋼筋對(duì)界面應(yīng)力的影響，依據(jù)伸縮縫及錨固區(qū)具體尺寸畫(huà)出其結(jié)構(gòu)斷面示意圖，以型鋼邊緣為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸為橋梁縱向，Y軸為梁體厚度方向，Z軸為橋梁橫向，模型寬度為3 m，如圖3所示。

單位：mm

1.3 材料特性

力學(xué)性能分析主要采用線彈性模擬，取20 ℃試驗(yàn)測(cè)得彈性模量E與泊松比μ的標(biāo)準(zhǔn)值，各材料特性參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

為研究瀝青鋪裝材料彈性模量及錨固區(qū)混凝土強(qiáng)度等級(jí)變化對(duì)錨固區(qū)與瀝青鋪裝兩者界面力學(xué)性能的影響，取瀝青鋪裝層材料彈性模量為400 MPa～2 000 MPa。

1.4 邊界條件

邊界條件分為不同材料結(jié)構(gòu)界面間的接觸條件與有限元模型表面的位移邊界條件。

1) 單元類型與界面接觸條件

混凝土采用有限元Solid65實(shí)體單元模擬，瀝青鋪裝層、型鋼采用Solid185單元模擬，材料之間的相互接觸關(guān)系采用接觸單元與目標(biāo)單元，即Conta174與Targe170模擬。接觸面為綁定接觸，無(wú)摩擦，且初始接觸無(wú)間隙。Solid185為無(wú)中間節(jié)點(diǎn)的8節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)體單元，可模擬混凝土結(jié)構(gòu)拉裂、壓碎、收縮、徐變等，主要用于三維實(shí)體結(jié)構(gòu)的模擬；Conta174與Targe170為模擬面面接觸的接觸與目標(biāo)單元，可表征兩者的滑移、接觸等，主要用于3D結(jié)構(gòu)的接觸分析，也可模擬熱耦合接觸。

2) 位移邊界條件

基于伸縮縫常設(shè)位置，本模型簡(jiǎn)化情況如下：在豎向位移設(shè)置為0，即Y軸方向?yàn)楹?jiǎn)支約束；在順橋向背面固定，即X軸方向全約束。橋面施加水平與豎向的車輪壓力，位移邊界條件如圖4所示。

圖4 邊界約束條件

1.5 基本假設(shè)

1) 材料都為線彈性，符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，力與變形連續(xù)、均勻，為各向同性。

2) 對(duì)錨固區(qū)與瀝青鋪裝、型鋼進(jìn)行一定簡(jiǎn)化，假設(shè)兩兩都是非光滑緊密連接，接觸界面無(wú)孔隙，界面采用接觸單元替代機(jī)械粘結(jié)，并設(shè)置為綁定接觸，應(yīng)力、變形在界面處均勻、連續(xù)傳遞。

3) 忽略結(jié)構(gòu)自重、梁端面板負(fù)彎矩、振動(dòng)對(duì)有限元計(jì)算的影響。

2 伸縮縫錨固區(qū)界面受力影響因素分析

2.1 加載位置對(duì)界面受力影響

考慮前文設(shè)置的4種加載位置，選取錨固區(qū)C50，主梁C40混凝土，瀝青彈性模量1 400 MPa，型鋼206 GPa，有限元計(jì)算得出界面處最大應(yīng)力與變形值，結(jié)果如表2所示。由于混凝土主要因受拉引起破壞，因此界面最大拉應(yīng)力作為主要判定指標(biāo)。

由表2可見(jiàn)，位置1的界面拉應(yīng)力與剪應(yīng)力值最大，取位置1作為最不利加載位置，其界面拉應(yīng)力、剪應(yīng)力與位移作為控制指標(biāo)[8-9]，X方向位移表示正向。

2.2 不同鋪裝層彈性模量對(duì)界面受力影響

保持車輛公路Ⅰ級(jí)加載與其他結(jié)構(gòu)材料參數(shù)不變，橋面鋪裝層瀝青彈性模型分別取400 MPa、800 MPa、1 200 MPa、1 600 MPa、2 000 MPa[10]，通過(guò)有限元計(jì)算錨固區(qū)界面應(yīng)力與變形值，結(jié)果如表3所示。

表3 不同彈性模量下界面計(jì)算結(jié)果

由表3可見(jiàn)，隨瀝青鋪裝層彈性模量的增加，界面拉應(yīng)力、剪應(yīng)力、位移呈減小趨勢(shì)，從400 MPa到2 000 MPa，拉應(yīng)力降低了56.4%，剪應(yīng)力減少了31.2%，兩者都表現(xiàn)出線性相關(guān)變化，主要指標(biāo)拉應(yīng)力相關(guān)系數(shù)為-1.375×10-4。結(jié)果分析表明，在其他材料特性不變的情況下，瀝青鋪裝層彈性模量越大，界面應(yīng)力值越小，位移變形越小，鋪裝層彈性模量的增大對(duì)降低瀝青與錨固區(qū)混凝土界面拉應(yīng)力值效果非常好。因此，為減小界面應(yīng)力，特別是拉應(yīng)力，延緩混凝土界面脫粘、開(kāi)裂，應(yīng)選擇彈性模量大的改性瀝青鋪裝材料，利于界面受力。

2.3 伸縮縫錨固區(qū)寬度對(duì)界面受力影響

為考察伸縮縫錨固區(qū)寬度變化對(duì)界面受力的影響，在車輛加載與其他材料參數(shù)不變的情況下，瀝青鋪裝彈性模量取1 400 MPa，錨固區(qū)寬度分別取30 cm、35 cm、45 cm、50 cm，計(jì)算界面應(yīng)力與變形值，結(jié)果如表4所示。

表4 不同錨固區(qū)寬度下界面計(jì)算結(jié)果

由表4可見(jiàn)，隨錨固區(qū)寬度的增加，界面應(yīng)力與位移變化非常小，拉應(yīng)力趨于250 kPa，剪應(yīng)力趨于592 kPa，位移逐漸減小，應(yīng)力與位移指標(biāo)難以判定錨固區(qū)具體適用寬度，應(yīng)結(jié)合規(guī)范與施工標(biāo)準(zhǔn)，一般采用錨固區(qū)寬度約為45 cm，該寬度便于工人操作施工，若寬度太小，錨固不牢固，混凝土易開(kāi)裂，寬度太大，不僅會(huì)降低支承能力，還會(huì)提高整體錨固與修復(fù)混凝土的造價(jià)。因此，應(yīng)依據(jù)實(shí)際工程概況、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及工程經(jīng)驗(yàn)，選擇適宜的錨固區(qū)寬度。

2.4 伸縮縫錨固區(qū)厚度對(duì)界面受力影響

為研究伸縮縫錨固區(qū)厚度變化下對(duì)界面受力的影響，在車輛加載方式、車輪壓力大小與其他材料參數(shù)不變的情況下，瀝青鋪裝彈性模量取1 400 MPa，錨固區(qū)厚度分別取180 mm、200 mm、220 mm、240 mm[11-12]，通過(guò)有限元計(jì)算其應(yīng)力與變形值，結(jié)果如表5所示。

表5 不同錨固區(qū)厚度下界面計(jì)算結(jié)果

從表5可知，隨著錨固區(qū)厚度的增大，界面拉應(yīng)力與剪應(yīng)力逐漸增大，拉應(yīng)力增加了8%，剪應(yīng)力增加了5%，但增加的幅度總體非常小，位移逐漸減小。由于厚度變化對(duì)界面影響較小，可根據(jù)規(guī)范與施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)錨固區(qū)厚度做出合理選擇。

2.5 車輛超載對(duì)界面受力影響

為研究車輛超載對(duì)界面受力影響，瀝青彈性模量取1 400 MPa，其他材料特性不變，汽車加載不考慮水平力影響，從車輪初始?jí)毫?.58 MPa逐漸加力，設(shè)置超載10%、30%、50%、70%幾種工況[13-14]，計(jì)算界面應(yīng)力與變形值，結(jié)果如表6所示。

表6 不同加載壓力下界面計(jì)算結(jié)果

由表6可見(jiàn)，界面拉應(yīng)力、剪應(yīng)力、位移都隨著車輪壓力增加成線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，超載70%后，拉應(yīng)力增大了60%，剪應(yīng)力增大了69.49%，位移增大了71.88%。從應(yīng)力與變形結(jié)果看，超載對(duì)界面受力影響非常顯著，表明車輛超載對(duì)伸縮縫及錨固區(qū)整體受力非常不利，應(yīng)嚴(yán)禁車輛超載，特別是重載車輛。

2.6 水平力對(duì)界面受力影響

在保持車輪加載方式、車輪壓力、材料特性參數(shù)等不變的情況下，鋪裝層瀝青彈性模量取1 400 MPa，考慮車輛水平力的影響，通過(guò)水平力系數(shù)來(lái)表示，分別取0、0.1、0.25、0.5來(lái)表示靜止、勻速、緩慢制動(dòng)、緊急剎車等[15]，計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 不同水平力下界面計(jì)算結(jié)果

由表7可知，界面拉應(yīng)力、剪應(yīng)力隨著水平力增大呈線性增加趨勢(shì)，水平力系數(shù)0.5相較于0時(shí)，拉應(yīng)力增大了980%，增大了近10倍，剪應(yīng)力增加了5.08%，位移呈增大趨勢(shì)。這一結(jié)果表明，水平力對(duì)界面拉應(yīng)力影響非常大，水平力較大時(shí)，界面拉應(yīng)力劇烈增長(zhǎng)，對(duì)錨固區(qū)混凝土受力相當(dāng)不利，界面拉應(yīng)力太大，超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，可能導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂破壞，在車輛反復(fù)沖擊荷載作用下，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，加劇了破損，說(shuō)明車輛緊急剎車、制動(dòng)下易造成界面脫粘、開(kāi)裂破損。因此，車輛在通過(guò)伸縮縫時(shí)，應(yīng)勻速、平順行駛，這樣既能避免緊急制動(dòng)，加劇錨固區(qū)混凝土破壞，也能保證行車安全。

3 結(jié)束語(yǔ)

在確定模型計(jì)算加載、荷載位置、材料特性、邊界條件與基本假設(shè)后，通過(guò)有限元軟件建立伸縮縫及錨固區(qū)有限元模型，選取界面拉應(yīng)力、剪應(yīng)力、位移為主要控制指標(biāo)，研究了鋪裝層瀝青彈性模量、錨固區(qū)混凝土寬度、厚度、車輛超載及水平力對(duì)界面受力與變形的影響，并得出如下結(jié)論：

1) 當(dāng)車輪作用于瀝青鋪裝層時(shí)，輪跡線前邊緣與界面線重合是最不利加載位置，該位置拉應(yīng)力與剪應(yīng)力值最大，表明該處伸縮縫界面錨固區(qū)的受力最不利。

2) 增大瀝青鋪裝層彈性模量能降低界面應(yīng)力與位移變形。據(jù)此，宜選擇彈性模量較大、剛度大的瀝青材料，能較好地減小界面應(yīng)力與變形，減緩界面開(kāi)裂破壞。

3) 錨固區(qū)寬度與厚度變化對(duì)界面應(yīng)力影響較小，位移隨寬度、厚度增加有所減小，但總體減小幅度小。錨固區(qū)寬度、厚度的選擇可根據(jù)規(guī)范與施工經(jīng)驗(yàn)，不宜過(guò)大或過(guò)小，主要以錨固區(qū)牢固、施工操作方便為依據(jù)。

4) 車輛超載對(duì)伸縮縫錨固區(qū)界面應(yīng)力與變形影響大，表明超載對(duì)伸縮縫整體受力非常不利。據(jù)此，要嚴(yán)禁車輛超載，特別對(duì)重載車輛要嚴(yán)格把控。

5) 水平力系數(shù)越大對(duì)界面受力越不利，界面拉應(yīng)力隨水平力系數(shù)增大呈現(xiàn)指數(shù)型增長(zhǎng)，表明水平力過(guò)大可能致使界面應(yīng)力超過(guò)抗拉極限而開(kāi)裂，加劇界面脫粘、裂縫發(fā)展等。據(jù)此，車輛應(yīng)盡量勻速、平順行駛，避免緊急制動(dòng)。