基于ANSYS的公路橋梁伸縮裝置錨固區(qū)混凝土界面脫黏研究

周圣蘭，韓恒忠，趙新創(chuàng)，雷勇志，莫 迪，黃民水*

1.安徽省新路建設工程集團有限責任公司，安徽 阜陽 236000；2.武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074

公路橋梁伸縮裝置作為橋梁結(jié)構不可或缺的一部分，不但能夠適應因溫度變化、混凝土收縮徐變、橋墩橋臺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沖擊作用，但是作為公路橋梁結(jié)構中的一部分，伸縮裝置經(jīng)常因各種原因而損壞，1990年在北京等十幾個城市對各大公路橋梁500多個伸縮裝置進行調(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計和施工上的結(jié)構要求，就會給橋梁結(jié)構后期的運營帶來隱患，當車輛荷載發(fā)生重載或超載時，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于提高伸縮裝置在實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價值和應用價值［1-2］。

1 錨固區(qū)混凝土界面黏結(jié)機理

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)護施工若處理不當會使裂縫拓展延伸，導致錨固區(qū)混凝土破碎開裂。

1.1 微觀結(jié)構分析

新舊混凝土黏結(jié)力源自于分子間相互作用力，即機械咬合力、范德華力和生物化學作用力，三者所占比例依次遞減。機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；生物化學作用力由水化物反應及界面劑與混凝土反應提供［3］。

1.2 宏觀力學分析

新舊混凝土黏結(jié)界面受力性能薄弱，遠小于整體混凝土。在常溫下，新舊混凝土界面的強度僅為整體混凝土軸心抗拉強度的67%～84%，新舊混凝土界面的強度約為整體的3/4左右；抗折（彎）強度約為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。并對溫度影響敏感，當溫度升高時，新舊混凝土黏結(jié)劈裂抗拉強度下降，200℃時下降26%左右，700℃時下降到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)劑等組合而成的復雜的黏結(jié)體，界面黏結(jié)的強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變模型［8］，建模時截取伸縮裝置、錨固區(qū)混凝土和橋面鋪裝層為主要研究對象，模型結(jié)構示意圖如圖1所示，為分析簡化起見，分析模型未考慮伸縮裝置的影響。

圖1中，計算坐標系規(guī)定如下：以橋面鋪裝的邊緣中點處做為坐標系的原點，縱橋向即車輛向前行駛或者梁體的長度方向為X軸，梁體的厚度方向為Y軸方向，梁體的寬度方向即橫橋向為計算時的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，整個橋梁局部結(jié)構的長度為6.1 m。

圖1中，模型底部兩端均施加三向約束。

2.2 計算假設

基本假設如下：1）對錨固區(qū)混凝土簡化時按照非光滑和緊密連接的模型進行簡化，假設錨固區(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有空隙，力的傳遞均勻，拉應力、剪應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械黏結(jié)方式，所有的橋梁結(jié)構之間的連接均固結(jié)在一起；3）所有結(jié)構材料符合相關標準和要求；4）不計伸縮裝置結(jié)構各組成部分的自重，也不計橋梁自重，不考慮橋面板負彎矩及橋梁振動作用對計算產(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Solid45實體單元模擬，橋面鋪裝和錨固區(qū)混凝土的黏結(jié)界面不采用任何機械連接方式，而用Conta174與Targe170來代替，網(wǎng)格尺寸：1）X方向為5 cm，Y方向為10 cm，Z方向為10 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 計算荷載

本次研究采用公路-I級的車輛荷載，最大軸重 140 kN，作用在 6個不同位置［7］，選擇后軸 4個車輪的著地面積為4個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。

在計算分析時考慮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會引起水平力，靜止時水平力系數(shù)取0，勻速行駛時為0.10，緩慢制動時為0.25，緊急加速或剎車時為 0.50［9-11］。

2.5 計算參數(shù)

建立力學分析模型時所采用的各種材料的力學參數(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級最大軸重140 kN作用在6個不同位置時的受力情況，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，取相應荷載位置下的界面拉應力和界面剪應力為界面的控制指標［15-17］。

3.2 界面應力

選擇荷載位置2為荷載作用最不利位置，分析荷載位置2作用下界面拉應力和界面剪應力沿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位置的界面拉應力和剪應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力最大值Tab.2 Maximum values of interface stress in different load positions kPa

圖5 界面應力沿橫橋向的變化曲線：（a）拉應力，（b）剪應力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y=0 cm時，界面應力沿橋面鋪裝的橫橋向方向以拉應力為主，拉應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)出壓應力的狀態(tài)；當界面深度y處于0～8 cm之間時，雙輪作用范圍內(nèi)的界面壓應力不斷增加，呈現(xiàn)遞增趨勢，而界面深度y=20 cm的時候，界面的壓應力達到最大值；在界面深度20 cm處以上時，界面應力主要是由車輛荷載產(chǎn)生，當界面深度位于8 cm以下時，應力受下方固結(jié)的橋面板的影響，所以當界面深度y=8～20 cm時，界面拉應力值小于y在4～8 cm之間時的拉應力值，當界面深度y=20 cm的時候，界面拉應力值最小。

2）在荷載位置2作用下，2個輪胎周圍的界面剪應力明顯大于橫橋向其它位置界面剪應力，當界面深度y處于0～20 cm之間時，2個輪胎作用范圍內(nèi)的界面剪應力方向為垂直向下，雙輪兩側(cè)剪應力方向為垂直向上，在雙輪作用范圍內(nèi)，隨著鋪裝深度的增加，剪應力不斷減小，且在輪胎中心呈現(xiàn)出分界點，最初剪應力逐漸增大，呈遞減趨勢，到分界點位置時剪應力逐漸減小，界面剪應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)生的剪應力慢慢減小。

3.3 不同橋面鋪裝彈性模量的影響

公路-I級車輪的接觸壓力為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0.5 m；下層兩側(cè)梁板均為長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界面應力的影響，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，界面法向拉應力逐漸減小，當橋面鋪裝的模量從400 MPa增至2 000 MPa，應力減小了33.5%，且?guī)缀醭示€性相關，相關系數(shù)分別為0.033 27。由于界面法向拉應力極值的作用位置在橋面鋪裝上，計算結(jié)果表明橋面鋪裝材料的彈性模量越大，應力作用就越小。因此，橋面鋪裝模量的增大有助于減小應力。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為界面法向應力，Ej為橋面鋪裝彈性模量。

圖6 界面控制指標隨模量的變化曲線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界面應力的影響較大，其中對于拉應力的影響要大于對界面剪應力的影響。

3.4 車輛超載的影響

選擇公路-I級車輪的接觸壓力為0.58 MPa，取橋面鋪裝的彈性模量為800 MPa，水平力為0 MPa。考慮超載，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如表4所示。

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

由表4明顯可知：界面拉應力和界面剪應力均與荷載壓力值呈現(xiàn)出正相關，當壓力值從0.58 MPa增加到0.80 MPa時，界面的拉應力值增加了37.6%，界面的剪應力值增加了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，所得界面應力如表5所示。

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

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

4 結(jié) 語

在對伸縮裝置界面脫黏機理分析的基礎上，基于ANSYS建立了局部伸縮縫有限元模型，選取公路-I級荷載最大軸重140 kN做為計算荷載，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，將界面的拉應力和剪應力確定為界面控制指標，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，黏結(jié)界面的拉應力及剪應力最大。荷載位置2時，通過分析橋面鋪裝材料彈性模量對界面應力和位移發(fā)現(xiàn)，增大橋面鋪裝彈性模量對界面應力產(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，其中對界面拉應力的影響最大，對剪應力的影響次之，所以可以選擇彈性模量較大的材料做橋面鋪裝材料。

2）界面拉應力和界面剪應力與荷載壓力值、水平力系數(shù)均呈現(xiàn)出正相關，其中水平力系數(shù)對界面拉應力的影響最明顯，在水平力系數(shù)為0.5時達到最大值，這表明車輛在緊急剎車或者突然啟動時會使錨固區(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，界面拉應力、剪應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。