模數(shù)式橋梁伸縮縫預(yù)制錨固區(qū)現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)與有限元力學(xué)分析

丁智勇，趙志遠(yuǎn)，吳優(yōu)，杜鵬

（長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，西安 710064）

0 引言

橋梁是人類社會(huì)的重要工程，而伸縮縫則是橋梁設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的部分。它可以保證橋梁在自然因素、交通負(fù)荷等外界因素的影響下不變形、不開裂。同時(shí)，伸縮縫還能讓橋梁在特定條件下自由伸縮，使得橋梁更加靈活、耐用[1]。方圓[2]建立了橋梁伸縮裝置支撐系統(tǒng)的有限元模型，分析了伸縮裝置的主梁稱重結(jié)構(gòu)，得出常用的4種邊梁異型鋼的基本強(qiáng)度能滿足伸縮裝置的受力要求。喻聰聰[3]建立了橋梁伸縮裝置的有限元模型，分析橋梁伸縮裝置在給定不同的時(shí)程荷載情況下的應(yīng)力時(shí)程曲線，得出其隨車速不同的應(yīng)力變化規(guī)律。George N.Stamatopoulos[4]建立了模數(shù)式伸縮裝置的縱梁和橫梁使用螺栓連接的有限元模型，通過(guò)加載車輛疲勞載荷得出了螺栓及其螺栓孔的應(yīng)力時(shí)程曲線。Shun-ichi Nakamuraa[5]對(duì)一種新型部分填充混凝土鋼箱梁進(jìn)行靜載加載研究，研究結(jié)果表明，沒(méi)有垂直加強(qiáng)筋的半混凝土填充鋼箱梁和有垂直加強(qiáng)筋的梁的極限抗彎強(qiáng)度相同，但是前者延性僅是后者的一半。鐘新谷等[6-8]通過(guò)試驗(yàn)手段對(duì)鋼箱-混凝土組合結(jié)構(gòu)的不同性能進(jìn)行研究，通過(guò)得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了鋼箱-混凝土組合結(jié)構(gòu)的計(jì)算公式的適用性。冀偉[9]采用有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法對(duì)裝配式波形腹板鋼箱-混凝土組合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，相比于K型和方鋼型橫聯(lián)，工字鋼型橫聯(lián)可以更好地提高結(jié)構(gòu)的整體剛度；波形鋼腹板的厚度對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)自振頻率影響較大，其次是彎曲自振頻率。張宇航等[10]使用有限元軟件對(duì)以栓釘作為抗剪連接件的鋼箱-混凝土組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，來(lái)探究結(jié)構(gòu)的受力特性及滑移分布規(guī)律，結(jié)果表明，組合結(jié)構(gòu)的極限承載力隨剪力連接度的減小而減小, 滑移量隨剪力連接度的減小而增大；滑移隨荷載的增加逐漸增大，跨中基本無(wú)滑移發(fā)生，距跨中的距離越遠(yuǎn)滑移量越大。

具有鋼箱-混凝土錨固區(qū)結(jié)構(gòu)的模數(shù)式橋梁伸縮縫是一種特殊的橋梁伸縮縫。采用這種結(jié)構(gòu)的橋梁伸縮錨固區(qū)可提前預(yù)置、現(xiàn)場(chǎng)安裝，明顯縮短了橋梁伸縮縫安裝工期，而且容易更換。本文建立了具有這種特殊錨固區(qū)結(jié)構(gòu)的橋梁伸縮縫有限元模型，并設(shè)計(jì)了不同軸載車輛的現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)，探究鋼箱-混凝土結(jié)構(gòu)錨固區(qū)底板在車輛荷載下的應(yīng)力應(yīng)變與最佳厚度。

1 橋梁伸縮縫鋼箱的有限元分析

試驗(yàn)選擇D160型裝配式橋梁伸縮，該裝置錨固區(qū)采用鋼箱-混凝土結(jié)合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。鋼箱外圍由鋼板焊接組成，內(nèi)部澆筑C40混凝土，具體尺寸如表1所示。橋梁伸縮縫鋼箱主體結(jié)構(gòu)由多塊矩形Q235鋼板焊接而成。箱體頂部鋼板留有矩形空缺以及圓孔，方便箱體內(nèi)部澆筑混凝土以及設(shè)置連接用的套筒。箱體內(nèi)設(shè)置帶有橫梁的位移箱，橫梁用來(lái)支撐中間梁。中間梁與異型鋼用橡膠止水帶進(jìn)行連接，主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。按照主要結(jié)構(gòu)在SolidWorks 中建立橋梁伸縮縫簡(jiǎn)化模型，將建立好的三維模型通過(guò)SolidWorks 工具箱導(dǎo)入ANSYS中，添加靜力學(xué)分析模塊，圖3為導(dǎo)入ANSYS后的橋梁伸縮鋼箱模型。

圖1 D160型裝配式橋梁伸縮裝置主要結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 D160型模數(shù)式橋梁伸縮縫俯視圖

圖3 D160型橋梁伸縮縫有限元模型

表1 D160型橋梁伸縮縫箱體鋼板尺寸

橋梁伸縮縫箱體鋼板采用shell181分析單元，箱體材料為Q235，按照Q235材料設(shè)置參數(shù)并采用理想彈性模型。鋼箱內(nèi)部混凝土采用有限元力學(xué)混凝土仿真常用的Solid65單元，材料參數(shù)按照C40混凝土參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。外部箱體采用多點(diǎn)約束，對(duì)箱體內(nèi)部混凝土覆蓋目標(biāo)虛擬單元Target170，對(duì)箱體鋼板覆蓋接觸虛擬單元Contact175，設(shè)置成綁定接觸并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)橋梁伸縮縫箱體梁端施加z方向位移約束，在T型橋臺(tái)底端設(shè)置全約束。劃分網(wǎng)格后的伸縮縫鋼箱模型如圖4所示，劃分網(wǎng)格后的鋼箱底板結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖4 劃分網(wǎng)格后的橋梁伸縮縫有限元模型

圖5 劃分網(wǎng)格后的鋼箱底板有限元模型

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[11]中后軸輪胎的接觸面積為0.6 m×0.2 m，在橋梁伸縮縫模型箱體上方跨中兩側(cè)870 mm處各建立一塊0.6 m×0.2 m的印記面作為載荷施加區(qū)域，如圖6所示。大貨車標(biāo)準(zhǔn)軸載設(shè)置為100 kN，圖7為施加軸載為100 kN后求解的橋梁伸縮縫等效應(yīng)力云圖。

圖6 車輛輪胎印記面示意圖

2 橋梁伸縮縫現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)

為獲得橋梁伸縫錨固區(qū)鋼箱底板在不同軸載車輛下的應(yīng)力應(yīng)變值，在車輪軌跡對(duì)應(yīng)下的底板中央的位置處設(shè)置應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)類型為可以測(cè)量鋼結(jié)構(gòu)線性應(yīng)變的GBY-100表面安裝式應(yīng)變計(jì)，如圖9所示。具體安裝位置為距離箱體跨中870 mm的車輪軌跡下鋼箱底板的橫向正中間。應(yīng)變計(jì)安裝處記為測(cè)點(diǎn)A，如圖8所示。安裝應(yīng)變計(jì)后的鋼箱底板如圖10所示。

圖8 應(yīng)變計(jì)安裝位置示意圖

圖9 GBY-100表面安裝式應(yīng)變計(jì)

圖10 安裝應(yīng)變計(jì)的伸縮縫鋼箱底板

車輛荷載試驗(yàn)之前向橋梁伸縮縫內(nèi)部灌注C40混凝土，等待混凝土凝固后，檢測(cè)測(cè)點(diǎn)A安裝的應(yīng)變計(jì)成活度，符合標(biāo)準(zhǔn)后將橋梁伸縮縫整體安裝到梁端預(yù)留的槽口，安裝完畢后等待整平槽口的快硬砂漿完全凝固后開始試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，5輛大貨車的后軸軸重分別是輕載60 kN與90 kN、標(biāo)準(zhǔn)載荷100 kN、重載140 kN與170 kN，依次靜壓在橋梁伸縮縫上，記錄每次橋梁伸縮縫鋼箱底板測(cè)點(diǎn)A的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)及仿真結(jié)果分析

由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用的是應(yīng)變計(jì)，所以將采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)根據(jù)胡克定律轉(zhuǎn)化為應(yīng)力。胡克定律是指：材料受力之后，材料中的應(yīng)力與應(yīng)變之間成線性關(guān)系，表達(dá)式為

式中：F為材料所受的應(yīng)力，x為材料的變化量，k為材料的彈性模量，Q235鋼結(jié)構(gòu)取k=210 GPa。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)時(shí)的軸載，對(duì)有限元力學(xué)分析模型施加60、90、100、140、170 kN的靜荷載，使用ANSYS探針功能提取有限元箱體有限元模型測(cè)點(diǎn)B的等效應(yīng)力，測(cè)點(diǎn)B位置位于鋼箱模型印記面在箱體底板投影的中央位置，對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)A。

橋梁伸縮縫鋼箱結(jié)構(gòu)底板測(cè)點(diǎn)A的試驗(yàn)應(yīng)力數(shù)據(jù)、有限元模型測(cè)點(diǎn)B的應(yīng)力數(shù)據(jù)及二者相對(duì)誤差如表2所示。

表2 測(cè)點(diǎn)仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與有限元計(jì)算時(shí)的鋼箱底板厚度為16 mm且受到的都是壓應(yīng)力，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]中對(duì)于厚度不大于16 mm的Q235鋼材，規(guī)定其抗壓、抗拉和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 MPa。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)170 kN軸載下的最大壓應(yīng)力為57.46 MPa，有限元計(jì)算時(shí)170 kN荷載下的最大壓應(yīng)力為57.67 kN，均小于設(shè)計(jì)規(guī)范中所規(guī)定的強(qiáng)度，符合設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)表2中測(cè)點(diǎn)A的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與測(cè)點(diǎn)B的荷載仿真數(shù)據(jù)可知，橋梁伸縮縫鋼箱底板的正應(yīng)力與車輛載荷呈正相關(guān)的關(guān)系，同時(shí)根據(jù)表2中二者的相對(duì)誤差數(shù)據(jù)，最小誤差為0.37%，最大為10.40%，平均誤差為6.84%，整體誤差值較小，驗(yàn)證了有限元模型的合理性。

4 橋梁伸縮縫鋼箱底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中底板厚度范圍一般在8～20 mm之間。在仿真軟件中以100 kN靜軸載作用在橋梁伸縮裝置上進(jìn)行模擬計(jì)算。仿真模型計(jì)算的不同厚度底板下的各部分應(yīng)力值如表3所示，表中數(shù)據(jù)的負(fù)號(hào)表示壓應(yīng)力，根據(jù)表3中數(shù)據(jù)繪制的折線圖如圖11所示。

圖11 不同底板厚度下的各部分應(yīng)力值折線圖

表3 不同底板厚度下的各部分應(yīng)力值

根據(jù)表3與圖11中不同厚度下各部位應(yīng)力值的數(shù)據(jù)與折線圖中各部位應(yīng)力曲線，在側(cè)板及上板尺寸規(guī)格不變的情況下，底板的正應(yīng)力隨著底板厚度的增大而減小，說(shuō)明增加底板厚度可以降低其受到的正應(yīng)力。

有限元計(jì)算中，底板厚度8 mm時(shí)的壓應(yīng)力最大，但也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度。可以認(rèn)為100 kN荷載下，8～20 mm厚度底板均符合設(shè)計(jì)規(guī)范。《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]中鋼-混凝土組合梁一節(jié)中給出的開孔板連接件的鋼板厚度不宜小于12 mm，所以鋼箱底板厚度選擇宜在12 mm以上。

5 結(jié)論

1）本文通過(guò)對(duì)D160型模數(shù)式橋梁伸縮縫現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出鋼箱底板在不同軸載載荷下的應(yīng)力數(shù)據(jù)，與有限元仿真軟件中的橋梁伸縮縫模型在不同軸載下底板的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出兩者的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)平均誤差為6.84%，驗(yàn)證了所建立的橋梁伸縮縫鋼箱底板模型的合理性；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與有限元模擬中的數(shù)據(jù)均表明軸載的增加會(huì)大大增加底板正應(yīng)力，從而增加底板損傷破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

2）通過(guò)在有限元軟件中不同底板厚度下的各部分計(jì)算應(yīng)力值及相應(yīng)的折線得出：可以通過(guò)增加鋼箱底板厚度降低其受到的正應(yīng)力；100 kN荷載作用下，8～20 mm鋼箱底板均符合設(shè)計(jì)要求，按照設(shè)計(jì)規(guī)范底板厚度宜為12 mm以上。實(shí)際鋼箱底板設(shè)計(jì)厚度可根據(jù)橋梁通行車輛軸載情況按照本文給出的數(shù)據(jù)確定。