行車荷載下橋梁伸縮縫破壞機理分析★

李 偉 姚 林 解傳凱 孔繁盛 蘭 宇,

(1.山東省高速路橋養護有限公司，山東 濟南 250031； 2.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

1 概述

伸縮縫裝置為橋梁的附屬設施，通常設置在兩梁端之間、梁端與橋臺之間或橋梁的鉸接位置，為滿足橋面變形的要求，但其施工質量往往被相關工程技術人員所忽視。目前，許多的公路橋梁都產生了伸縮縫病害，伸縮縫裝置成為了橋梁結構中易損和頻繁需修復的部位。在這過程中，會明顯增加橋梁的維護成本，還會影響交通。因此，亟需對橋梁伸縮縫病害問題進行重點關注。分析橋梁伸縮縫病害類型及在行車荷載下的破壞機理是解決此類問題的重要基礎。綜上，本文通過查閱文獻與現場調研，總結了目前橋梁伸縮病害原因，并通過ABAQUS有限元模擬，分析了在行車荷載作用下橋梁伸縮縫的破壞機理，相關研究為橋梁伸縮縫病害的處置提供了相關參考依據，對于提升橋梁伸縮縫的工程質量與服役壽命具有重要意義。

2 橋梁伸縮縫病害產生原因

在公路橋梁結構中，公路橋梁伸縮裝置直接承受著行車荷載的反復作用。在我國交通迅速發展下，交通量激增，部分車輛為超載車輛和重型車輛。伸縮縫在承受行車荷載的沖擊作用下，可能會出現混凝土裂縫，導致伸縮縫破壞。特別在伸縮縫承受著行車荷載下，伸縮縫設計、施工、養護各方面工作不善，會加快伸縮縫使用壽命的縮減。

因此在橋梁伸縮縫實際使用中，對于病害產生的原因不同，結合建模分析行車荷載下橋梁伸縮縫的情況，更好地全面處理橋梁伸縮縫病害。橋梁伸縮縫病害產生原因有設計方面、施工方面、養護方面[2,3]。

2.1 設計方面

高速公路橋梁伸縮縫病害與伸縮縫本身設計是有聯系的。

橋梁伸縮裝置設計方面的原因有：

1)橋梁伸縮裝置結構的設計不足。在橋梁伸縮縫裝置設計中，沒有考慮橋面鋼筋混凝土與橋梁面板的同步伸縮。這會導致橋梁在通車使用后，瀝青混凝土外表會出現不規則開裂、橋面拱起等問題[3]。

2)伸縮縫裝置設計剛度不足。當伸縮縫裝置強度不足時，伸縮裝置工作時會產生相應的隱患[5]。

2.2 施工方面

在施工相關人員對伸縮縫進行施工時，會因為各種原因而在具體操作上沒有按照相應規范，導致伸縮裝置安裝程序不合理，其工藝標準不符合規定，影響伸縮裝置正常工作。

橋梁伸縮裝置施工方面的原因有：

1)預留鋼筋被壓壞。預留的錨固鋼筋被運料車壓壞，致伸縮縫鋼筋與預留的錨固鋼筋的連接性變差[3，5]。

2)混凝土的整體強度不足及澆筑工作不善。由于混凝土的整體強度不足，在混凝土澆筑后，整體剛度無法滿足實際使用。當混凝土澆筑工作不夠密實時，混凝土內部就會出現空洞和蜂窩等情況，導致路面缺乏足夠的承載力[2]。

3)伸縮縫預留量沒有根據實際施工環境進行調節。橋梁的伸縮縫裝置伸縮量一般會預留設計值的50%。在現場施工時，相關技術人員需按照實際施工環境及施工需求，調整伸縮裝置伸縮量的預留值，否則會致其伸縮量不足，伸縮縫裝置擠死，錨固混凝土受到擠壓而破壞，甚至背墻斷裂[3]。

2.3 養護方面

當伸縮裝置出現養護方面的問題時，也會導致病害的出現。

橋梁伸縮裝置養護方面的原因有：

1)內部雜物清理不及時。

當沒有及時清理進入伸縮裝置的砂土及雜物，橋梁伸縮裝置原設計的伸縮量得不到保證，導致主梁無法自由伸展，橋臺背墻處受到各梁間的推力作用，會發生斷裂情況[2]。

2)零部件維修養護不及時。

當伸縮裝置零部件沒有及時維修養護時，裝置零部件會出現生銹、破損等問題，影響伸縮裝置的剛度和強度[3]。

3)養護工作不善。

當養護工作流于表面，未能定時檢查維護時，會導致橋梁伸縮病害發生[3]。

4)養護措施的影響。

在對伸縮裝置進行養護時，為了保障交通的運行，通常采取半幅施工半幅通車的交通管制，當車輛荷載通過時所產生的振動頻率，會影響混凝土凝結固化，導致混凝土抗拉強度下降。

3 行車荷載下橋梁伸縮縫破壞機理

3.1 模型設置

關于行車荷載下橋梁伸縮縫破壞機理分析中，采用ABAQUS有限元建模，對此進行模擬分析。

首先在伸縮縫分析中采用如下假設：

材料為均勻，各向同性，應力與應變成正比，相關性能參數不考慮溫度影響[4]。

通過ABAQUS建立的模型如圖1所示。模型左邊部分，L型部分上的矩形部分為伸縮縫過渡區，高220 mm，長320 mm。左邊整體部分，高320 mm，長500 mm。伸縮縫長80 mm。由于模型呈軸對稱，即右邊部分尺寸與左邊部分尺寸呈對稱。材料屬性為C50混凝土，考慮了混凝土塑性損傷。

該模型取一車輪寬度，寬度為200 mm。在車輪從左至右通過路面，設置10個參考點，如圖1a)所示。這10個參考點分別與對應的面耦合，并設置荷載，模擬車輪經過對伸縮縫的相關影響，如圖1b)所示。

經查閱JTG D60—2015公路橋涵設計通用規范等資料，計算得到伸縮縫頂部所受的靜力荷載，如表1所示。

因不考慮車輛在伸縮縫處制動，水平靜載荷主要為車輛所產生的摩擦力，車輛在平直公路上行駛時所受到的阻力為車重的0.03倍。

表1 伸縮縫頂部靜力荷載

由于RP-3,RP-8為伸縮縫過渡區交界處，RP-5,RP-6為伸縮縫交界處，可能產生跳車現象，所以這四個參考點所承受的豎向荷載設置為車輛最大豎向荷載101.5 kN，其他參考點所承受的豎向荷載皆為車輛荷載標準值70 kN。全部參考點都設置向右的水平靜荷載2.1 kN。

通過建立以上模型，設置荷載，模擬伸縮裝置實際使用情況，并對此進行分析。

3.2 模型分析

該模型模擬車輛車速為100 km/h。所以在設置分析步的時候，根據模型尺寸，設置相應的時間，模擬100 km/h下車輛的通過情況。

在進行內力分析時，截取RP-2參考點到RP-9參考點這部分模型進行分析，模擬車輛在進入過渡區前至離開過渡區后，路面的相應的位移及應力變化。相關參考點的模擬結果如圖2所示。

在對此模型進行模擬時，可發現相關參考點的應力位移曲線相似。在荷載結束施加之后，材料會隨時間進行彈性恢復，但若位移或應力超過材料所承載的極限，造成不可恢復的損傷，或者其位移形變已經影響實際車輛使用，造成車輛使用安全上的隱患時，需要修補結構。

觀察參考點位移及應力變化圖，對比峰值發現，位于過渡區伸縮縫兩端的RP-5參考點、RP-6參考點峰值較大；在過渡區邊界處的RP-3參考點和RP-8參考點相比RP-2參考點和RP-9參考點位移及應力值較大。這說明該四處是伸縮裝置設計施工應該注意的四個位置及在實際使用中容易產生損傷的部位；RP-5參考點、RP-6參考點位移及應力值較于RP-3參考點、RP-8參考點位移及應力值，是比較大的。在伸縮縫實際使用中，對于RP-5參考點、RP-6參考點相應的部位同樣需要注意。

在模擬中，行車荷載下伸縮縫相關參考點應力最大值為0.938 MPa，位移最大值0.63 mm，小于規范容許值，皆滿足實際工程使用要求。從以上分析可知，在橋梁伸縮裝置實際工程設計應用維修中，應著重考慮分析RP-3參考點、RP-5參考點、RP-6參考點、RP-8參考點這四個位置處的受力變形。若結構及材料在這四個位置可以滿足實際工程使用要求，便可保證橋梁伸縮裝置的正常使用。

4 結論

1)現階段，我國已經進入建設公路橋梁的高潮。許多公路橋梁都產生了伸縮縫病害，這不僅影響公路橋梁實際使用，還危害公路橋梁中的行駛車輛的安全。

2)橋梁伸縮縫病害類型有施工導致的病害、設計導致的病害、養護導致的病害。

3)觀察相關參考點模擬結果，對比峰值發現，位于伸縮縫兩端的參考點RP-5參考點和RP-6參考點的應力值最大，皆為0.938 MPa，而過渡區邊界處的RP-3參考點、RP-8參考點峰值較大，RP-3參考點的應力值為0.812 MPa，RP-8參考點應力值為0.827 MPa，該四個參考點應力值皆小于規范容許值；位于伸縮縫兩端的參考點RP-5參考點和RP-6參考點的位移值最大，皆為0.63 mm，而過渡區邊界處的RP-3參考點和RP-8參考點峰值較大，皆為0.29 mm，該四個參考點模擬的應力值和位移值皆滿足實際工程使用要求。由于位于伸縮縫兩端的參考點RP-5參考點、RP-6參考點和過渡區邊界處的RP-3參考點、RP-8參考點，這四點的應力峰值和位移峰值皆較大，因此該四處是伸縮裝置設計施工應注意的位置及在實際使用中容易產生損傷的部位。

4)在相關參考點模擬結果中，位于伸縮縫兩端的參考點RP-5參考點和RP-6參考點的應力值為最大，皆為0.938 MPa。同時該兩參考點的位移值也最大，皆為0.63 mm。在模擬中考慮行車荷載為車輛荷載后軸重力標準值，而在實際情況有行車荷載的反復作用及車輛超載的情況，因此伸縮縫金屬裝置與過渡區混凝土以相應的混凝土等級的規范受壓容許值設計，同時按照設計值對橋梁進行限重。