伸縮縫槽口混凝土受力特性及其構(gòu)造優(yōu)化研究

張劍鋒 周昌群 唐 志 徐向東 周 平

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081； 2.貴州高速公路集團(tuán)有限公司 貴陽 550001)

橋梁伸縮縫是橋梁構(gòu)造中易受損壞的構(gòu)件之一[1]。橋梁伸縮縫可滿足橋梁結(jié)構(gòu)混凝土溫度變化、收縮徐變、車輛荷載反復(fù)作用等引起的縮短、伸長(zhǎng)[2]，但因使用環(huán)境、施工、設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)等因素，在橋梁各部件中，橋梁伸縮縫屬于最薄弱的[3]。橋梁伸縮縫的作用主要是調(diào)節(jié)橋梁上部結(jié)構(gòu)在車輛荷載、溫度變化等因素下的位移和聯(lián)結(jié)[4]。對(duì)于橋梁伸縮裝置受力性能，學(xué)者進(jìn)行了大量研究，張忠等[5]基于ABAQUS有限元軟件，對(duì)大位移公路橋梁伸縮縫的動(dòng)力定位耦合數(shù)值模擬進(jìn)行了研究，探究支承剛度與伸縮縫位移量之間的關(guān)系；閆光飛[6]基于LS-DYNA軟件，建立了兩跨簡(jiǎn)支梁及伸縮縫有限元模型，探究不同車速、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。劉朵等[7]對(duì)異型鋼單縫式和模數(shù)式伸縮縫開展研究，針對(duì)其病害情況劃分損傷等級(jí)，并提出相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)對(duì)策；賀志勇等[8]針對(duì)模數(shù)式伸縮縫中梁鋼焊接點(diǎn)的疲勞損傷及模數(shù)式伸縮縫的疲勞壽命開展了研究分析。上述研究多集中在伸縮縫的疲勞壽命分析，并針對(duì)橋梁伸縮縫的病害進(jìn)行分析歸類，提出相應(yīng)的對(duì)策，未有文獻(xiàn)開展伸縮縫錨固區(qū)混凝土的受力特性分析，且對(duì)于伸縮縫槽口的構(gòu)造優(yōu)化研究更為罕見。因此，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行伸縮縫錨固區(qū)混凝土的受力特性分析和槽口構(gòu)造優(yōu)化研究，采用ABAQUS有限元軟件建立伸縮縫實(shí)體模型，探究伸縮縫不同錨固類型和不同錨固深度對(duì)伸縮縫槽口混凝土受力性能的影響規(guī)律，根據(jù)混凝土的受力特性，提出槽口的構(gòu)造優(yōu)化尺寸。

1 伸縮縫錨固類型

本文主要對(duì)邊梁型式為E型截面的伸縮縫開展研究分析，邊梁的錨固方式主要有以下4種類型，其結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 E型截面伸縮縫的邊梁錨固方式(單位：cm)

4種錨固方式構(gòu)造及適用條件如下。

1) I類。在E型鋼下緣上側(cè)焊接鋼板，錨固鋼筋一端與鋼板焊接，另一端與型鋼底部焊接，伸縮縫埋入梁體的深度最小。

2) II類。在E型鋼下方焊接鋼板，錨固鋼筋一端與型鋼下緣上側(cè)進(jìn)行焊接，另一端與鋼板焊接，伸縮縫埋入梁體的深度稍大于I類。

3) III類。E型鋼下方焊接鋼板，錨固鋼筋一端與鋼板上側(cè)進(jìn)行焊接，另一端與鋼板下側(cè)焊接，錨固環(huán)水平鋼筋平行設(shè)置，伸縮縫埋入梁體的深度稍大于II類。

4) IV類。在E型鋼下方焊接鋼板，錨固鋼筋一端與鋼板上側(cè)進(jìn)行焊接，另一端與鋼板下側(cè)焊接，錨固環(huán)筋呈三角形設(shè)置，伸縮縫埋入梁體的深度最大。

2 伸縮縫混凝土受力特性分析

2.1 有限元模型

為對(duì)比分析I～I(xiàn)V類錨固方式下錨固區(qū)混凝土在汽車荷載作用下的受力性能，基于ABAQUS有限元建立4種錨固方式下伸縮縫與錨固區(qū)混凝土的實(shí)體有限元模型，根據(jù)研究需要，建模時(shí)考慮到模數(shù)式伸縮裝置的錨固構(gòu)造及車輪布置特點(diǎn)，取1個(gè)車輪影響范圍內(nèi)的伸縮裝置型鋼建模計(jì)算，錨固鋼筋的間距為20 cm，鋼筋直徑取16 mm，分析不同荷載工況作用下橋梁伸縮縫錨固區(qū)混凝土的受力狀態(tài)。伸縮縫邊梁型鋼、下緣下側(cè)的焊接鋼板、錨固環(huán)筋和縱向鋼筋建為一體模型，混凝土模型為長(zhǎng)方體，其尺寸為0.7 m×0.6 m×1.5 m。

模型邊界條件。型鋼伸縮縫內(nèi)嵌于混凝土中，沿伸縮縫長(zhǎng)度方向?qū)炷磷笥覂蓚?cè)施加對(duì)稱約束(U3=UR1=UR2=0)，對(duì)混凝土的下表面施加固定約束(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)。伸縮縫的材料參數(shù)見表1。

表1 伸縮縫的材料參數(shù)

根據(jù)《公路橋梁伸縮裝置設(shè)計(jì)指南》[9]中疲勞荷載的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行汽車荷載布置。有限元模型見圖2。限于篇幅，本文僅給出II類伸縮縫E型截面邊梁錨固模型及混凝土模型。車輛荷載指標(biāo)見表2。

圖2 伸縮縫邊梁及混凝土模型

表2 車輛荷載主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 分析結(jié)果

對(duì)4種類型伸縮縫在汽車荷載作用下錨固區(qū)混凝土受力情況計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見圖3。限于篇幅，僅給出汽車荷載作用下，II類伸縮縫錨固區(qū)混凝土的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力云圖，見圖4。

圖3 伸縮縫槽口混凝土應(yīng)力最大值

圖4 II類伸縮縫槽口混凝土應(yīng)力云圖(單位：MPa)

由圖3可知，4種類型伸縮縫錨固區(qū)混凝土最大拉應(yīng)力值和最大壓應(yīng)力值均比較接近，設(shè)計(jì)時(shí)可選用其中的一種錨固方式。伸縮縫錨固區(qū)混凝土受力以拉應(yīng)力為主，對(duì)伸縮縫過渡區(qū)混凝土應(yīng)采用抗拉強(qiáng)度較高的混凝土材料。

由圖4可知，伸縮縫錨固區(qū)混凝土拉應(yīng)力主要集中于伸縮縫后方的錨固區(qū)混凝土，拉應(yīng)力最大位置一般發(fā)生在伸縮縫錨固鋼筋與伸縮縫焊接處的混凝土處。伸縮縫鋼梁受水平荷載作用會(huì)向錨固區(qū)混凝土擴(kuò)展一定范圍，形成一個(gè)橢圓形的拉應(yīng)力區(qū)域，伸縮縫過渡區(qū)混凝土受力主要集中于這一區(qū)域。

3 伸縮縫槽口構(gòu)造對(duì)混凝土受力影響

除槽口構(gòu)造對(duì)槽口混凝土的受力有較大影響外，行車速度、車輛超重，以及型鋼疲勞因素等也會(huì)對(duì)伸縮縫槽口混凝土的受力產(chǎn)生影響，本文主要研究槽口構(gòu)造對(duì)槽口混凝土受力情況的影響，探討伸縮縫槽口開槽尺寸對(duì)錨固區(qū)混凝土的受力影響。

3.1 錨固深度對(duì)槽口混凝土的受力影響

為分析伸縮縫錨固深度對(duì)槽口混凝土的受力性能影響，本文以E型鋼邊梁伸縮裝置II類錨固方式為研究對(duì)象，研究伸縮縫埋入深度值為8，10.8，13.6，15.8，18.6 cm時(shí)對(duì)槽口混凝土受力狀況的影響，同時(shí)對(duì)伸縮縫槽口的合理尺寸進(jìn)行分析。伸縮縫不同埋置深度的示意圖見圖5。

圖5 不同埋置深度的伸縮縫

根據(jù)《公路橋梁伸縮裝置設(shè)計(jì)指南》中疲勞荷載的有關(guān)規(guī)定，取雙向力疲勞荷載[9-10]，荷載取邊梁型鋼受到單個(gè)均布輪載的作用，車輛荷載后軸的輪重施加在2根邊梁上，荷載取值見表3。

表3 汽車軸重產(chǎn)生的疲勞荷載 kN

采用ABAQUS有限元軟件建立三維有限元模型對(duì)伸縮縫埋置于不同深度，對(duì)汽車荷載產(chǎn)生的疲勞荷載作用下伸縮裝置邊梁錨固區(qū)混凝土受力狀況進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 不同錨固深度下錨固區(qū)混凝土的應(yīng)力變化圖

由圖6可知，隨著伸縮縫埋入槽口深度的增加，錨固區(qū)混凝土應(yīng)力值均呈減小的趨勢(shì)，主要是由于伸縮縫埋入槽口深度增加，使錨固區(qū)混凝土傳遞到各方向的應(yīng)力越均勻，錨固區(qū)混凝土整體受力性能得到改善。

對(duì)伸縮縫過渡段的混凝土及槽口進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)可有效改善伸縮縫錨固區(qū)混凝土的受力性能，提高伸縮縫的使用性能。

限于篇幅，本文僅給出伸縮縫不同埋入深度下錨固區(qū)混凝土的主拉應(yīng)力云圖，見圖7。

圖7 伸縮縫不同埋入深度下錨固區(qū)混凝土主拉應(yīng)力云圖(單位：MPa)

由圖7可知，隨著伸縮縫埋置深度的增加，錨固區(qū)混凝土拉應(yīng)力最大值也隨著沿深度方向下移。當(dāng)伸縮縫埋置深度為8 cm及10.8 cm時(shí)，錨固區(qū)混凝土表面出現(xiàn)較大拉應(yīng)力；當(dāng)伸縮縫埋置深度大于13.6 cm時(shí)，錨固區(qū)表面混凝土幾乎未出現(xiàn)拉應(yīng)力，說明隨著伸縮縫埋置深度的增加，錨固區(qū)混凝土的受力性能得到較好的改善。

由圖7可見，錨固區(qū)混凝土的受力性能隨伸縮縫埋置深度變化均呈現(xiàn)出相同變化規(guī)律，即錨固區(qū)混凝土的應(yīng)力均隨著伸縮縫埋置深度的增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。因此，可考慮增加伸縮縫在槽口混凝土中的埋置深度來改善伸縮縫受力性能。

3.2 開槽尺寸對(duì)槽口混凝土的受力影響

由于預(yù)制T梁橋構(gòu)造限制，槽口尺寸深度大于40 cm、寬度大于50 cm時(shí)不但影響主梁預(yù)應(yīng)力的布置，還要求伸縮縫處翼緣板厚度增加很大，構(gòu)造設(shè)計(jì)欠合理。因此，本文對(duì)槽口深度為10，14，18，30，40 cm及槽口寬度為20，30，35，40，50 cm的拉應(yīng)力分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算結(jié)果見圖8、圖9。

圖8 槽口混凝土沿深度方向的拉應(yīng)力

由圖8a)可見，開槽深度對(duì)錨固區(qū)混凝土拉應(yīng)力有一定影響。隨著伸縮縫埋入深度的增加，其對(duì)錨固區(qū)混凝土拉應(yīng)力的影響越來越小，當(dāng)達(dá)到一定深度時(shí)，混凝土拉應(yīng)力增加不明顯，應(yīng)力值逐漸趨于穩(wěn)定。

圖8b)結(jié)果表明，不同類型伸縮縫沿深度方向?qū)﹀^固區(qū)混凝土拉應(yīng)力表現(xiàn)出相同的分布規(guī)律，即不同類型伸縮錨固區(qū)混凝土的拉應(yīng)力沿槽口深度方向呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，混凝土拉應(yīng)力在槽口深度30 cm處均達(dá)到最小值。

圖9 槽口混凝土沿寬度方向的拉應(yīng)力

由圖9a)可知，開槽深度沿寬度方向?qū)﹀^固區(qū)混凝土拉應(yīng)力的影響非常顯著，隨著與伸縮縫邊梁距離的增加，混凝土的拉應(yīng)力越來越小，基本呈直線下降趨勢(shì)。當(dāng)槽口處與伸縮縫邊梁距離達(dá)到30 cm時(shí)，錨固區(qū)混凝土的拉應(yīng)力值為0.2～0.5 MPa；當(dāng)槽口處與伸縮縫邊梁距離達(dá)到40 cm時(shí)，錨固區(qū)混凝土拉應(yīng)力值為0.15～0.3 MPa；當(dāng)槽口處與伸縮縫邊梁距離達(dá)到50 cm時(shí)，錨固區(qū)混凝土拉應(yīng)力值為0.05～0.18 MPa。

由圖9b)可見，不同類型伸縮縫沿寬度方向?qū)﹀^固區(qū)混凝土拉應(yīng)力表現(xiàn)出相同的分布規(guī)律，即不同類型的伸縮縫錨固區(qū)混凝土的拉應(yīng)力沿槽口寬度方向呈直線減小。當(dāng)槽口處與伸縮縫邊梁距離達(dá)到30 cm時(shí)，錨固區(qū)混凝土拉應(yīng)力值為0.2～0.5 MPa；當(dāng)槽口處與伸縮縫邊梁距離達(dá)到40 cm時(shí)，錨固區(qū)混凝土拉應(yīng)力值為0.15～0.3 MPa；當(dāng)槽口處與伸縮縫邊梁距離達(dá)到50 cm時(shí)，錨固區(qū)混凝土拉應(yīng)力值為0.05～0.18 MPa。由上述計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)開槽深度在20～40 cm時(shí)，槽口處混凝土拉應(yīng)力處于較小狀態(tài)，開槽深度在30 cm時(shí)，混凝土拉應(yīng)力值達(dá)到最小。

槽口處與伸縮縫邊梁距離達(dá)到50 cm時(shí)，槽口混凝土的拉應(yīng)力值達(dá)到較小值，由于T梁的構(gòu)造限制，并根據(jù)拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，本文建議槽口寬度方向構(gòu)造尺寸取40～50 cm。

在預(yù)制梁體伸縮縫處設(shè)置槽口時(shí)，應(yīng)將槽口尺寸界限設(shè)置在應(yīng)力較小的位置，以降低新舊混凝土連接處發(fā)生病害概率，結(jié)合預(yù)制梁構(gòu)造尺寸及預(yù)應(yīng)力筋布置要求等因素，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，本文建議伸縮縫槽口深度設(shè)計(jì)尺寸宜取20～40 cm，一般在滿足伸縮縫安裝要求的條件下建議取30 cm；伸縮縫槽口寬度設(shè)計(jì)尺寸宜取為40～50 cm，在預(yù)制梁構(gòu)造滿足設(shè)計(jì)要求的前提下宜取大值。

4 結(jié)語

本文基于ABAQUS有限元，建立了伸縮縫及槽口混凝土的有限元模型，對(duì)伸縮縫槽口混凝土的受力特性進(jìn)行了研究分析，并根據(jù)錨固區(qū)混凝土的拉應(yīng)力變化規(guī)律，對(duì)伸縮縫槽口構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化研究，根據(jù)研究成果得出以下結(jié)論。

1) 伸縮縫錨固區(qū)混凝土主要以受拉為主，對(duì)伸縮縫過渡區(qū)混凝土應(yīng)采用抗拉強(qiáng)度較高的混凝土材料。

2) 隨著伸縮縫埋入伸縮縫槽口深度的增加，錨固區(qū)混凝土應(yīng)力值均呈減小的趨勢(shì)，當(dāng)伸縮縫埋深由8 cm增加到18.6 cm時(shí)，混凝土拉應(yīng)力減小30.54%，壓應(yīng)力減小45.85%，可通過增加單縫式伸縮縫在槽口混凝土中的埋置深度來改善伸縮縫受力性能。

3) 根據(jù)伸縮縫在不同埋置深度下，錨固區(qū)混凝土沿槽口深度和寬度方向的拉應(yīng)力變化規(guī)律，為使槽口混凝土的受力性能更加良好，建議伸縮縫槽口尺寸在深度方向取20～40 cm，伸縮縫槽口寬度設(shè)計(jì)尺寸取值取40～50 cm。