行車荷載作用下HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮縫動(dòng)力響應(yīng)分析

摘 要：【目的】研究HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮縫在車輛荷載作用下的受力狀態(tài)。【方法】采用ABAQUS有限元軟件建立HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮縫三維數(shù)值模型，對(duì)比分析不同荷載作用下伸縮裝置豎向位移、彎拉應(yīng)力以及錨固區(qū)混凝土彎拉應(yīng)力等力學(xué)響應(yīng)?！窘Y(jié)果】豎向靜力荷載對(duì)HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置和錨固區(qū)混凝土的力學(xué)響應(yīng)影響要大于雙向靜力載荷對(duì)HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置和錨固區(qū)混凝土的力學(xué)響應(yīng)影響，且兩種車輛荷載作用下HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置和錨固區(qū)混凝土均未出現(xiàn)破壞?！窘Y(jié)論】不對(duì)HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置進(jìn)行焊接或減少焊接，不影響HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮縫的正常使用。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；伸縮縫；數(shù)值分析；力學(xué)響應(yīng)

中圖分類號(hào)：U443.5" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）10-0064-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.10.013

Dynamic Response Analysis of HDC Arc Plug-in Bridge Expansion Joint Under Traffic Load

TAN Zonglin1 LONG Chenjie1 LIU Qiang2 ZHANG Hongzhi2 WEI Keke2

（1.Guangxi Nantian Expressway Co.， Ltd.， Nanning 530000， China;

2.Henan Provincial Communications Planning amp; Design Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the stress state of HDC arc on the expansion joint of a plug-in bridge under vehicle load. [Methods] The 3D numerical model of HDC arc splice bridge expansion joint was established by ABAQUS finite element software，and the mechanical response such as vertical displacement，flexural and tensile stress of expansion device and flexural and tensile stress of concrete in anchorage area were compared and analyzed under different loads.[Findings] The effect of vertical static load on the mechanical response of HDC arc on the plug-in bridge expansion device and the concrete in the anchorage area is greater than that of bidirectional static load on the mechanical response of HDC arc on the plug-in bridge expansion device and the concrete in the anchorage area，and the HDC arc does not damage the plug-in bridge expansion device and the concrete in the anchorage area under the two types of vehicle loads. [Conclusions] The normal operation of HDC arc bridge expansion joint is not affected by not welding HDC arc bridge expansion device or reducing welding.

Keywords： bridge engineering; expansion joint; numerical analysis; mechanical response

0 引言

我國(guó)交通事業(yè)發(fā)展迅猛，高速公路的交通量急速增長(zhǎng)，重載車輛也日益增多，傳統(tǒng)模數(shù)式和梳齒板式橋梁伸縮縫從設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)上已難以滿足功能要求，常出現(xiàn)不同程度的病害。HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置是一種新興的橋梁伸縮裝置，相較于傳統(tǒng)的伸縮裝置，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①靜音、平順，弧形對(duì)插式結(jié)構(gòu)可為車輪提供連續(xù)支撐，平順靜音，空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，選用超疏水UHPC作為填充料，可有效避免伸縮縫的水損壞；②堅(jiān)固、耐久；③雙重防水，防水防塵板和止水帶相結(jié)合的模式，使防水效果更佳；④多向變位，懸臂結(jié)構(gòu)，各向同性，滿足梁端縱向、橫向及扭轉(zhuǎn)等多向變位的需求；⑤養(yǎng)護(hù)便利，單元化設(shè)計(jì)，使后期使用成本明顯降低，當(dāng)伸縮縫需要維護(hù)時(shí)，只需對(duì)損壞的單元進(jìn)行拆除更換，運(yùn)營(yíng)成本低。

目前，針對(duì)橋梁伸縮縫進(jìn)行受力分析主要采用試驗(yàn)、數(shù)值分析或兩者結(jié)合的方法。Zuada Coelho等［1］對(duì)橋梁伸縮縫進(jìn)行了不同類型的疲勞荷載試驗(yàn)；鄒毓穎等［2］采用ANSYS有限元軟件建立了模數(shù)式伸縮縫結(jié)構(gòu)模型，對(duì)160型伸縮裝置及相鄰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了影響因子和動(dòng)力學(xué)分析；劉丹等［3］建立了伸縮裝置及錨固區(qū)結(jié)構(gòu)有限元模型，模擬錨固區(qū)的破壞情況，研究其破壞機(jī)理。綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，大多數(shù)研究集中在傳統(tǒng)伸縮縫受力及損傷機(jī)理方面，而對(duì)新興HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮縫的研究較少，伸縮裝置在車輛荷載作用下的受力狀態(tài)及與錨固區(qū)混凝土的相互作用尚不明確。為此，本研究采用數(shù)值模擬的方法，利用ABAQUS有限軟件建立HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮縫三維模型，對(duì)比分析不同荷載位置作用下伸縮裝置豎向位移、彎拉應(yīng)力，以及錨固區(qū)混凝土拉應(yīng)力等力學(xué)性能，以期為HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮縫的改良和施工提供技術(shù)支持。

1 HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮縫路面數(shù)值模型

1.1 建立HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置三維模型

依據(jù)HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置實(shí)體模型，采用ABAQUS有限元軟件建立HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置數(shù)值分析模型，如圖1所示。每個(gè)伸縮縫裝置長(zhǎng)度為50 cm，安裝時(shí)可以嚴(yán)格按照伸縮縫與路拱形狀進(jìn)行分段擬合。

1.2 建立HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮縫路面三維模型

利用兩對(duì)HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置建立三維伸縮縫路面模型，模型長(zhǎng)2 m、寬1 m，如圖2所示。三維伸縮縫路面模型不同部位所需的計(jì)算精度不同，網(wǎng)格劃分的尺寸也不相同［4］。HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置及錨固區(qū)域采用0.01 m×0.01 m×0.01 m的網(wǎng)格密度劃分，其他區(qū)域采用不等間距劃分，從模型兩端依次向伸縮縫錨固區(qū)域加密，如圖3所示。模型各部位材料參數(shù)和所采用的網(wǎng)格單元類型見(jiàn)表1。

1.3 荷載的選擇

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）規(guī)定，汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成。橋梁結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算采用車道荷載，橋梁結(jié)構(gòu)局部加載的計(jì)算采用車輛荷載，車道荷載和車輛荷載不能疊加，本模型計(jì)算為橋梁局部荷載的施加，故采用車輛荷載。車輛荷載主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本研究選擇車輛荷載后軸重力標(biāo)準(zhǔn)值為豎向計(jì)算荷載，并選取一側(cè)輪胎的荷載值，即140 kN。

依據(jù)《公路橋梁伸縮縫裝置設(shè)計(jì)指南》（JTQX—2011-12-1）規(guī)定，伸縮縫設(shè)計(jì)荷載分為兩種設(shè)計(jì)類型，即靜力荷載和疲勞荷載。本研究選擇靜力荷載加載模式，并分為以下兩種形式。

1.3.1 豎向靜力載荷。不考慮車輛在伸縮縫處制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)力，取車輛后軸重力標(biāo)準(zhǔn)值140 kN為計(jì)算荷載，并計(jì)入沖擊系數(shù)μ＝0.45，豎向靜力荷載為140 kN與（1+μ）的乘積為豎向靜荷載，即203 kN。

1.3.2 雙向靜力載荷。考慮車輛在伸縮縫處制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)力，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）的規(guī)定，制動(dòng)力為后軸重力的30%，即后軸輪胎的制動(dòng)力為42 kN。

1.4 荷載的位置

加載面積為車輛后軸車輪著地寬度與長(zhǎng)度的乘積，即200 mm×600 mm。車輪通過(guò)伸縮縫系統(tǒng)（包括一部分路面）時(shí)，車輪與伸縮縫系統(tǒng)接觸面積越小，伸縮縫受力越大［5］，故加載位置取伸縮縫跨中位置，僅施加單側(cè)輪胎荷載值，如圖4所示。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 不考慮車輛水平制動(dòng)力

在伸縮縫跨中位置施加豎向靜荷載，單側(cè)輪胎的最大輪壓載荷為101.5 kN，接地壓強(qiáng)為5.6 MPa。提取HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置最大撓度、最大彎拉應(yīng)力及錨固區(qū)混凝土最大彎拉應(yīng)力、壓應(yīng)力分布如圖5至圖8所示。

由圖5、圖6可知，車輛荷載沖擊作用下HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置最大撓度為1.2 mm、最大彎拉應(yīng)力為38.2 MPa。另外，HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置的技術(shù)指標(biāo)可參考《公路橋梁伸縮縫裝置通用技術(shù)條件》（JTT 327—2016）對(duì)梳齒板式伸縮裝置的要求，即伸縮縫裝置豎向最大變形量不大于1.5 mm。

由圖7、圖8得知，錨固區(qū)混凝土所受的最大彎拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別是4.6 MPa和5.9 MPa，小于自身的抗彎拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

綜上所述并結(jié)合表1可知，HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置和錨固區(qū)混凝土在車輛荷載沖擊作用下均未達(dá)到極限狀態(tài)。

2.2 考慮車輛水平制動(dòng)力

在伸縮縫跨中位置施加雙向靜力載荷，單側(cè)輪胎的最大輪壓載荷為70 kN，接地壓強(qiáng)為3.8 MPa，水平制動(dòng)壓強(qiáng)為1.15 MPa。提取HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置最大撓度、最大彎拉應(yīng)力及錨固區(qū)混凝土最大彎拉應(yīng)力、壓應(yīng)力分布如圖9至圖12所示。

由圖9、圖10可知，車輛荷載沖擊作用下HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置最大撓度為0.89 mm，小于《公路橋梁伸縮縫裝置通用技術(shù)條件》（JTT 327—2016）對(duì)梳齒板式伸縮裝置豎向最大變形量的要求。HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置最大彎拉應(yīng)力為28.5 MPa，小于自身的彎拉強(qiáng)度。

由圖11、圖12可知，錨固區(qū)混凝土所受的最大彎拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別是3.5 MPa和0.41 MPa，小于錨固區(qū)混凝土自身的抗彎拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

綜上所述，在兩種車輛荷載作用下錨固區(qū)混凝土和伸縮裝置均未出現(xiàn)破壞，表明錨固區(qū)混凝土未配筋及不對(duì)伸縮縫裝置進(jìn)行焊接不影響伸縮縫的正常使用。

3 結(jié)論

①豎向靜力荷載對(duì)HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置和錨固區(qū)混凝土的力學(xué)響應(yīng)影響大于雙向靜力載荷對(duì)HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置和錨固區(qū)混凝土的力學(xué)響應(yīng)影響。

②HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置和錨固區(qū)混凝土在豎向靜力載荷和雙向靜力載荷作用下均未出現(xiàn)破壞。

③不對(duì)HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮裝置進(jìn)行焊接或減少焊接，不影響HDC弧形對(duì)插式橋梁伸縮縫正常使用功能。

參考文獻(xiàn)：

［1］ZUADA COELHO B，VERVUURT A H J M ， PEELEN W H A，et al.Dynamics of modular expansion joints：The Martinus Nijhoff Bridge［J］.Engineering Structures，2013，48（Mar.）：144-154.

［2］鄒毓穎，呂俊平，丁勇，等.模數(shù)式橋梁伸縮縫動(dòng)力強(qiáng)度計(jì)算與影響因素分析［J］.寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2019，32（1）：72-79.

［3］劉丹，吳文清.某高速公路橋梁拓寬后伸縮縫錨固區(qū)混凝土破壞原因分析［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2008（1）：41-43.

［4］宋國(guó)瑞，王笑風(fēng)，楊博，等.水泥混凝土橋面鋪裝層間抗剪性能研究［J］.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，38（4）：431-436.

［5］盛亞鳴，王少華，張露.基于Ansys的橋梁伸縮裝置瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2018（9）：97-101.