蘇通大橋伸縮縫后澆帶病害的力學(xué)機(jī)理研究①

朱振景，馬如進(jìn)，周建華

(同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海200092)

0 引 言

后澆帶是在建筑施工中為防止現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于溫度、收縮不均可能產(chǎn)生的有害裂縫，按照設(shè)計(jì)或施工規(guī)范要求，在基礎(chǔ)底板、墻、梁相應(yīng)位置留設(shè)臨時(shí)施工縫，將結(jié)構(gòu)暫時(shí)劃分為若干部分，經(jīng)過(guò)構(gòu)件內(nèi)部收縮，在若干時(shí)間后再澆搗該施工縫混凝土，將結(jié)構(gòu)連成整體［1］.后澆帶的澆筑時(shí)間宜選擇氣溫較低時(shí)，可用澆筑水泥或水泥中摻微量鋁粉的混凝土，其強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)比構(gòu)件強(qiáng)度高一級(jí)，防止新老混凝土之間出現(xiàn)裂縫，造成薄弱部位，設(shè)置后澆帶的部位還應(yīng)該考慮模板等措施不同的消耗因素［2］.

后澆帶的設(shè)置原理是“先放后抗”的原則，已在實(shí)踐中獲得了良好的效果.根據(jù)混凝土產(chǎn)生裂縫的原因，需要盡可能地削減溫度收縮應(yīng)力，因此，為了控制溫差，把總溫差分為兩部分:施工時(shí)先把結(jié)構(gòu)分為許多段，減小每段的尺寸，并與施工縫結(jié)合起來(lái)，可有效地減少溫度收縮應(yīng)力;在施工后期，把先前分割施工的許多段澆筑成整體，再繼續(xù)承受第二部分的溫差和收縮.如果兩部分的溫差和收縮應(yīng)力疊加小于混凝土當(dāng)時(shí)的抗拉強(qiáng)度，混凝土結(jié)構(gòu)就不會(huì)產(chǎn)生裂縫［3～4］.

本文以蘇通大橋伸縮縫后澆帶為研究對(duì)象，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究了車輛荷載作用的影響.首先介紹了蘇通大橋伸縮縫后澆帶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)后澆帶的病害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立了后澆帶有限元模型，并分別從靜力、動(dòng)力、溫度等工況進(jìn)行分析.分析結(jié)果表明:溫度對(duì)后澆帶病害產(chǎn)生的影響較小，疲勞是產(chǎn)生裂縫的主要原因，并且裂縫一般從邊緣向中心擴(kuò)展.

1 后澆帶結(jié)構(gòu)參數(shù)

蘇通大橋由于跨徑大，采用了大型伸縮縫，主橋與引橋之間兩端各設(shè)置一段后澆帶.伸縮縫后澆帶位置位于伸縮縫縱梁伸縮箱上方，伸縮縫縱梁共有21 個(gè)縱梁伸縮箱.后澆帶下方的伸縮箱平面與剖面布置圖如圖1 所示.

圖1 后澆帶下層伸縮箱布置圖

伸縮箱頂板為鋼材，板厚125mm，伸縮箱為矩形斷面，尺寸約為600mm×305mm，伸縮箱間的間距最大為1800mm，最小為1280mm.后澆帶位于伸縮箱上方，順橋向長(zhǎng)度2.52m，在后澆帶處橋?qū)?1m，后澆帶面積為156.2m2，其剖面圖如圖2 所示.

后澆帶位于鋼板之上，總厚度為7cm.其中，在伸縮箱表面噴砂除銹Sa2.5，其上鋪設(shè)環(huán)氧樹脂粘結(jié)層，最后三層環(huán)氧樹脂混凝土，厚度分別為3.0cm，2.5cm 和2.5cm，后澆帶鋪裝分層材料如圖3所示［5］.伸縮縫后澆帶外觀圖如圖4 所，鋪裝層由多種類型材料組成，各材料的拉伸強(qiáng)度如表1 所示.

圖2 后澆帶剖面圖

圖3 后澆帶鋪裝材料分層結(jié)構(gòu)圖

圖4 伸縮縫后澆帶

表1 后澆帶鋪裝材料拉伸強(qiáng)度

2 后澆帶病害研究

蘇通長(zhǎng)江大橋于2008 年5 月正式通車，混凝土橋面后澆帶鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為7.0cm 厚雙層SMA－13，通車后不久鋪裝即產(chǎn)生推移、松散等病害，后于2009 年采用7.0cm 厚環(huán)氧樹脂混凝土進(jìn)行維修.2011 年日常巡查中發(fā)現(xiàn)伸縮縫后澆帶原修補(bǔ)裂縫出現(xiàn)損壞且新增裂縫18 條.截止2014 年3月，混凝土橋面后澆帶鋪裝斜向裂縫繼續(xù)發(fā)展，局部出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象，對(duì)行車安全性與舒適性造成影響，亟待維修.混凝土橋面后澆帶鋪裝病害情況如圖5 所示，其中主要的裂縫是弧形裂縫和長(zhǎng)裂縫.

圖5 伸縮縫后澆帶病害圖

在檢查的同時(shí)，為方便統(tǒng)計(jì)病害類型，繪制了主橋兩側(cè)后澆帶的平面圖，如圖6 所示.通過(guò)長(zhǎng)期巡檢發(fā)現(xiàn)，裂縫一般先從后澆帶邊緣位置產(chǎn)生，繼而向縱向發(fā)展，最后裂縫擴(kuò)展相互連接形成塊狀破壞體.圖6 中可發(fā)現(xiàn)，位于第2、第3 車道的病害重于第一車道.初步分析表明，第2、3 車道重載車分布密集可能使得這兩個(gè)車道的病害加重.

3 有限元分析及力學(xué)機(jī)理研究

3.1 有限元分析

伸縮縫后澆帶主要由橋面鋪裝和鋼支撐梁組成，在建立有限元模型時(shí)，橋面鋪裝采用實(shí)體模型，用solid185 單元進(jìn)行模擬，而鋼支撐梁采用殼單元，用shell63 單元進(jìn)行模擬.建模時(shí)先劃分網(wǎng)格單元，再通過(guò)耦合節(jié)點(diǎn)自由度使實(shí)體單元和殼單元緊密相連，得到如圖7 所示的有限元模型.

圖6 病害平面圖

圖7 伸縮縫后澆帶有限元模型

為了便于加載，對(duì)蘇通大橋軸重分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，車輛軸重的分布特性與車重的分布特性類似，由于車輛存在空載和滿載兩種情況，軸重也大多都是呈現(xiàn)出雙峰的情況［6］.而單軸每側(cè)單輪胎則呈現(xiàn)單峰的分布形式，如圖8 所示，單軸每側(cè)單輪胎主要是因?yàn)槎际瞧胀ǖ能囆退鋫涞?，因此重量一般偏小，主要集中?000kg 附近，這樣能夠保證擁有兩個(gè)單軸的車輛大約在2000kg左右，也與車重的分布特性相吻合.軸重最大值在8000kg，這樣的車輛很少，幾乎可以忽略不計(jì).

圖8 單軸(每側(cè)單輪胎)軸重分布概率(kg)

圖9 荷載位置圖

因此，假設(shè)一軸重1t 的車以80km/h 的車速?gòu)暮鬂矌贤ㄟ^(guò)，分析后澆帶的受力情況.由橋面鋪裝的幾何特征，荷載的橫向加載位置取3 個(gè)特征荷位，見(jiàn)圖9，分別為:荷位1——車輪作用在伸縮箱上的橋面鋪裝層;荷位2——車輪部分作用在伸縮箱上的橋面鋪裝層;荷位3——車輪不作用在伸縮箱上的橋面鋪裝層.

3.2 力學(xué)機(jī)理研究

3.2.1 應(yīng)力分析

開(kāi)裂破壞是大多數(shù)后澆帶鋪裝層常見(jiàn)的一種破壞方式，鋪裝層拉應(yīng)力是控制鋪裝層開(kāi)裂破壞的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)，分析其分布規(guī)律可以了解鋪裝層開(kāi)裂破壞的特性，以便采取有效的防范措施.如圖10所示，通過(guò)比較分析可知:第一主應(yīng)力最大為3.351MPa，位于后澆帶的邊緣位置;第二主應(yīng)力最大為1.899MPa，同樣位于后澆帶的邊緣位置;第三主應(yīng)力最大為5.884KPa，位于后澆帶的中心位置.

3.2.2 溫度應(yīng)力分析

溫度對(duì)伸縮縫后澆帶亦會(huì)產(chǎn)生影響，選取初始溫度為25 度，溫度上升20 度，分析可知，第一主應(yīng)力最大為1.38MPa，如圖11 所示.由圖中可以看出，最大主應(yīng)力發(fā)生在伸縮箱與后澆帶接觸處，此處也是最易發(fā)生裂縫的地方.

圖10 應(yīng)力分析

3.2.3 動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析

為研究動(dòng)態(tài)應(yīng)力變化，讓一軸重1t 的車以80km/h 的車速?gòu)暮鬂矌贤ㄟ^(guò)，在模型中取5 個(gè)點(diǎn)，繪制這些點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線，如圖12所示，可知最大應(yīng)力值為3.08MPa，而環(huán)氧樹脂混凝土的抗拉強(qiáng)度是3.5MPa，則最大應(yīng)力幅值在強(qiáng)度范圍內(nèi).但實(shí)際中，混凝土裂紋較為常見(jiàn)，究其原因可知，主要是車輛超載引起的.計(jì)算各位置處的應(yīng)力幅值可知，應(yīng)力幅值最大為1.54MPa，所選取的點(diǎn)位于伸縮箱與后澆帶相連接的地方.

4 結(jié) 論

隨著橋梁的運(yùn)營(yíng)，伸縮縫后澆帶的病害日益嚴(yán)重.本文基于有限元軟件，研究分析了后澆帶產(chǎn)生裂縫的原因，同時(shí)分析了溫度對(duì)后澆帶的影響.通過(guò)研究得到如下結(jié)論:

(1)根據(jù)病害類型，繪制了后澆帶病害平面圖，由病害統(tǒng)計(jì)可知:裂縫一般先出現(xiàn)在后澆帶邊緣與伸縮箱相連的地方，繼而沿著伸縮箱方向往中心擴(kuò)展，最后裂縫擴(kuò)展相互連接形成塊狀破壞體，不利于行車安全;

圖11 溫度應(yīng)力

圖12 動(dòng)態(tài)應(yīng)力變化規(guī)律圖(1t 軸重)

(2)根據(jù)計(jì)算可知，后澆帶最大應(yīng)力位于邊緣處，且與伸縮箱相接處的位置應(yīng)力幅值最大，故而易發(fā)生開(kāi)裂破壞，這與實(shí)際相符;

(3)溫度對(duì)后澆帶亦會(huì)產(chǎn)生影響，其影響相對(duì)車輛影響較小;研究表明，車輛是引起后澆帶疲勞的主要原因，相關(guān)研究結(jié)果為改進(jìn)后澆帶力學(xué)性能提供了參考.

［1］ 李健.淺談伸縮縫與后澆帶的應(yīng)用與技術(shù)措施［J］.民營(yíng)科技，2012(08):256.

［2］ 東南大學(xué)橋面鋪裝課題組.蘇通大橋鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)、科研與咨詢(階段報(bào)告)［R］.南京:東南大學(xué)，2006.

［3］ 陳先華，黃衛(wèi)，程剛，等.蘇通大橋鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝施工作業(yè)指導(dǎo)書(修訂版B)［R］.南京:東南大學(xué)，2007.

［4］ 東南大學(xué)橋面鋪裝課題組.蘇通大橋伸縮縫混凝土橋面后澆帶鋪裝維修方案設(shè)計(jì)［R］.南京:東南大學(xué)，2014.

［5］ 王曉，周建華，姚波.蘇通大橋伸縮縫后澆帶澆注式環(huán)氧樹脂混合料設(shè)計(jì)［J］.公路交通科技，2008(04):19－20.

［6］ 陳艾榮，馬如進(jìn)，許艷梅.蘇通大橋運(yùn)營(yíng)階段車輛荷載識(shí)別及其特性［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013:729－733.