基于Abaqus對橋梁伸縮縫的概述

魏列江

（甘肅順達路橋建設有限公司，甘肅蘭州730000）

基于Abaqus對橋梁伸縮縫的概述

魏列江

（甘肅順達路橋建設有限公司，甘肅蘭州730000）

從施工、運行過程、運用有限元分析軟件Abaqus對伸縮縫進行動力學仿真等角度分析，對橋梁伸縮縫破壞現象原因及控制措施進行闡述，以人、機、料等方面通過合理的調整、配置、有條件改造等手段減少橋梁伸縮縫施工中的錯臺現象，從而保障伸縮縫施工質量，順應現代公路施工發展方向。

高速公路；大跨橋梁伸縮縫；不平整機理；動力學仿真；控制技術

“十三五”開局之年，隨著我國交通業與汽車行業的不斷發展，汽車智能化進程加快。為達到2020年的小康社會，道路建設越來越引起國家各個職能部門的高度重視。為了方便居民的出行，國家出臺各種融資模式，刺激高速公路的建設。甘肅省的道路“6873”計劃出臺后，地方政府為加快當地經濟發展，積極響應國家有關部門對道路工程建設的決策。由于甘肅省隴南地區山大溝深，為山嶺區域，建設難度大，投資高。對建設質量提出更高的要求。

伸縮縫是橋梁不可或缺的一個重要組成部分，也是橋梁最薄弱的環節。因為它在溫度變化時對橋梁梁體長度變化起緩沖，在交通工具通行時受到荷載的反復作用，它一直暴露在空氣中，受外界環境的影響較大。最容易遭到破壞，又是較難修補的部位。文章從十堰至天水國家高速公路甘肅段徽縣（大石碑）至天水公路（STLM-03）施工過程中，總結施工經驗，對橋梁伸縮縫的破壞可能發生的情況與施工過程中存在的問題，進行理論分析并在施工過程中采取的質量控制措施。

1　橋梁伸縮縫裝置破壞的各種因素

1）社會客觀因素。社會進步的發展、人民物質生活的極大豐富致使交通量增大，公路運輸集散作用隨之迫切，重型車輛與日劇增故車輛對橋梁伸縮縫的沖擊次數與沖擊動荷載加大，在設計階段設計師設計時遠景設計不夠完善，一般都在套用通用圖；施工時，施工隊伍參差不齊，在進行施工時略有缺陷致使伸縮縫破壞加速［1］。

2）設計過程中的問題。橋梁結構的橋面板的剛度不足，變形量較大，特別是箱梁的翼緣板處濕接縫處厚度較薄，此處受到彎剪扭的作用較大；很多橋梁伸縮縫裝置的設計錨固在橋面鋪裝層，與梁體、背墻的錨固不夠，容易使在荷載作用下開焊或脫落，混凝土的厚度不足，在沖擊荷載作用下，力的傳遞路徑過小，沒有有效的滯回曲線，混凝土被壓碎，混凝土對鋼筋的握裹力（機械咬合力、摩擦力、化學吸附力等）失效［2］；未能有效考慮到溫度對伸縮縫伸縮量變化的影響，在安裝伸縮縫裝置時對其初始伸縮量與其變化的位移量與施工當地氣溫所需伸縮量不相符，其選型不當造成破壞；對大跨橋梁，斜橋，彎橋的沒有足夠、完善的專項設計；未對伸縮縫兩側的后澆帶的混凝土進行針對性設計：包括所選材料的物理性質、混凝土配合比、振搗后混凝土的密實度、28 d養生完成后其強度提出要求與規定，橋面鋪裝層與瀝青路面結構層之間的層間水不能有效的排除，致使錨固鋼筋受到電化學腐蝕，加速破壞伸縮縫；連續伸縮縫的設計不夠完善。現在施工技術的高速發展與新型材料的運用，橋梁的跨度也創造了奇跡，高速公路選用大跨徑與簡支連續式梁橋，為保證橋梁的自由伸縮與橋面的連續就需要設置伸縮縫，伸縮縫的位置設置不夠完善，變形的假縫不規范，致使伸縮縫被破壞，導致橋面、橋頭跳車。

3）施工過程中的因素。在進行施工中，施工班組對伸縮縫裝置施工工藝的重視程度不到位，有時候未能嚴格依據施工工藝要求的標準和伸縮縫安裝工序進行有效的施工；特別是在進行錨固件約束時未能按焊接標準進行施工，無法保證其質量；伸縮縫槽口后澆帶混凝土未能澆筑、振搗密實，達不到密實度與強度的要求，難以承受在車輛荷載作用下的沖擊，從而使微觀裂縫發展成通縫，形成宏觀裂縫，最后成貫通裂縫；為加快施工進度趕工期，施工班組不按設計要求進行，使得伸縮縫質量存在隱患，過早失效；伸縮縫裝置與兩側混凝土粘結不好，橋面鋪裝層質量達不到要求，瀝青混凝土碾壓不密實，形成薄弱夾層，在進行開槽時瀝青面層容易脫落、開裂，最終破壞伸縮縫混凝土與橋面瀝青路面的粘結；施工班組缺乏有效的施工經驗，項目部質檢部缺乏其驗收的相關措施。

4）管理維護因素。我國存在的一種普遍的現象：注重建設過程，忽略養護維修，在橋梁建設好后，有些高速公路養護區不能很好的去養護橋梁，特別是伸縮縫裝置的沙土、雜土未能及時清掃，造成伸縮縫使用效果不理想，耐久性差；原有橋梁、橋面焊接逐年老化，未能及時修復，使得破壞加劇；由于交通管理不善，車輛超載控制不嚴，特別是地方公路晚上超載汽車過多，對橋梁的耐久性提出挑戰。

2　伸縮縫施工時的質量控制

為了橋梁伸縮縫裝置在施工時質量更加可靠，十天路面三標的伸縮縫施工從伸縮縫裝置的進場進行了嚴格的把控。

1）在進行伸縮縫施工之前，項目部對其進行嚴格的把控，在伸縮縫生產廠家進行實地考察，進一步對伸縮縫的加工有了很多的了解。從原材進場（異性鋼Q345）、除銹、下料、異型鋼定位設置初始位移量、焊接、拋丸處理、噴底漆、噴面層漆、風干、抽樣進行外委試驗檢測等（如圖1）。從源頭上項目部對其質量進行控制，爭取做一個精品工程。

圖1　伸縮縫裝置質量控制流程

2）在外圍檢測各項指標都合格后，十天路面三標才允許伸縮縫裝置進場。項目部對橋臺、墩柱伸縮縫預留槽也進行了檢驗，在破除路面時嚴格控制切縫寬度與線型，保證開槽時的準確性，為后續工作打好基礎。其工藝為：切縫→破除槽內面層→清理伸縮縫預留槽→沖洗槽內雜物→檢查預埋鋼筋（若缺失進行植筋）→伸縮縫裝置定位→焊接→定位模板→澆筑混凝土→養生（如下頁圖2）。

十天路面的質量要求之嚴，為打造一個精品，從各個細部做起，為保證伸縮縫的使用壽命，做到一道伸縮縫一個臺賬，把質量做到責任到人。

3　運用Abaqus有限元數值模擬

為使得對橋梁伸縮縫裝置的研究更加可靠，本文主要根據十天路面三標的伸縮縫進行有限元仿真分析，不僅為結構設計、施工、建成日常養護提供理論依據，而且還可以對以后施工中存在的問題進行理論指導［3］。

3.1伸縮縫裝置的結構與荷載形式

1）橋梁伸縮縫結構。位移量較大的伸縮縫裝置主要由：支撐系統（中梁、邊梁、橫梁以及彈橡膠支承）、位移系統（滑動支座、剪切彈簧等）、錨固系統（錨固鋼筋和位移箱）組成。

圖2　伸縮縫施工流程

2）伸縮縫的荷載。在進行伸縮縫設計時，都采用公路一級荷載，車輛荷載通過輪胎傳遞給中梁、橫梁、支承箱和梁體（如圖3）。

圖3　車輛荷載傳遞路徑

在伸縮縫設計時依據《橋涵通用設計規范》等規范，伸縮縫頂面作用力為靜力荷載：豎向靜荷載（汽車后軸質量標準值140 kN，沖擊系數為1.45。故汽車單組輪最大荷載為101.5 kN。為直觀研究選取伸縮量為480型伸縮縫裝置，由5根中梁，位移1.5 m/對，最大伸長量是橫梁間距1.05 m，均布荷載：

水平靜荷載為后軸的0.3，即42 kN。車輪著地寬度與長度為0.6 m×0.2 m。最不利情況：荷載（140 kN）都在同根中梁上；疲勞荷載：規范規定伸縮縫疲勞荷載主要是豎向荷載為140 kN。不考慮制動荷載，考慮在克服風荷載所產生的摩擦力，水平摩擦力為140×0.03=4.2 kN；荷載頻率f≤10 Hz；循環次數為2×106。

材料特性：伸縮縫型鋼均采用熱軋Q335NHD耐候鋼制成（如下頁表1）。

將中梁采用工字鋼進行截面等效（如下頁圖5）。

得出中梁質心在ymax=70 mm，慣性矩IX=1.195× 107mm4，彎矩截面系數W=IX/ymax=1.707×105mm3。

3.2伸縮縫的工況模擬

對伸縮縫裝置中梁進行有限元分析，把單跨度伸縮裝置簡化為圖6。

表1　Q335NHD耐候鋼物理力學性能

圖5　中梁等效截面（mm）

圖6　簡支梁模型（mm）

受到豎向靜荷載P：汽車單輪豎向荷載，集中力P作用于跨中；水平靜荷載、水平疲勞荷載為F，其變形云圖如圖7。

圖7　簡支梁變形云圖

因為車輪著地為面接觸，長度為0.2 m，寬度為0.6 m，故用均布荷載進行分析（如圖8）。

圖8　均布荷載受力情況（mm）

用均布荷載進行分析，其變形云圖如圖9。

圖9　均布荷載變形云圖

由圖9的變形云圖對比分析可得出：集中荷載最大應力值和豎向變形值均大于均布荷載作用時的值，最大應力增大25%，最大變形增大11.5%。所以設計時采用均布荷載進行計算。

綜合分析以下工作狀況，數據如表2：

工作狀況1：不考慮車輛制動力，中梁靜載荷。

豎向靜載：140/2×1.45=101.5 kN。

工作狀況2：考慮車輛制動力，中梁靜載荷。

豎向靜載：140/2×1.45=101.5kN水平靜載：21kN。

工作狀況3：按照國家規范，中梁疲勞荷載。

豎向疲勞荷載：140/2×1.45=101.5 kN；水平疲勞荷載：2.1 kN。

對支承橫梁有限元分析，其受力情況如圖10。

豎向靜荷載P傳到中梁在傳到橫梁，多根橫梁承擔傳來的荷載，得到最大豎向荷載為93.5 kN。

表2　各工況數據分析

圖10　支承橫梁受力情況（mm）

自身質量產生的豎向荷載：伸縮縫由5根中梁，位移1.5 m/對，最大伸長量是橫梁間距1.05 m，均布荷載。

水平力對橫梁產生彎矩作用，根據工況計算水平力。

工作狀況1：不考慮制動力，橫梁靜荷載分析。

豎向荷載：93.5 kN；自身質量荷載：3.42 kN/m；水平荷載：0。

工作狀況2：考慮制動力，橫梁靜荷載分析。

豎向荷載：93.5 kN；自身質量荷載：3.42 kN/m；水平荷載：19.6 kN。

工作狀況3：依據我國規范，橫梁疲勞荷載分析。

豎向荷載：93.5 kN；自身質量荷載：3.42 kN/m；水平荷載：1.05 kN。

各工作狀況下，有限元分析結果如表3。

表3　各工況力學分析結果

可以得出：對伸縮縫進行靜力有限元分析時，考慮制動力時與不考慮制動力差值較大，豎向變形相差較小。

3.3沖擊荷載仿真計算

在進行仿真模擬時，首先對材料等進行參數設定，伸縮縫邊梁、中梁、橫梁均為鋼，其彈性元件為彈簧隔震器用來模擬。

首先要明確車輪通過單根中梁所用的時間與每根中梁作用時間間隔：如運行速度為80 km/h時，通過單根中梁所用時間：

t=（中梁寬+輪組長度）×3.6/80=（0.09+0.2）× 3.6/80=0.013 s。

每根中梁作用的時間間隔：

Δt=（中梁寬+縫寬）×3.6/80=（0.09+0.08）× 3.6/80=0.007 6 s。

為進一步對橋梁伸縮縫的沖擊進行模擬研究，應當選取不同車速、不同縫寬進行動力學分析（IX=1.24×105mm4）。

伸縮縫為F=40時，縫寬為40 mm時，不同車速下沖擊系數大小如表4。

伸縮縫為D=80時，縫寬為80 mm時，不同車速下沖擊系數大小如表5。

表4　F40沖擊系數

表5　D80沖擊系數

由表4、表5看出，不同縫寬、不同車速對橋梁伸縮縫的中梁沖擊變化有小變大，作用比較明顯。在設計時考慮沖擊系數為1.45，結構設計更加趨于安全。

4　結語

橋梁伸縮縫是橋梁不可或缺的一個部件，它是滿足橋梁伸縮變形、保證行車舒暢、避免跳車的一項重要裝置。技術人員要增強施工中的質量控制，嚴格杜絕在施工中的各個環節的不利因素，避免伸縮縫裝置的早期破壞，保證伸縮縫裝置與路面的平整度，保證質量的可靠性。以上就是部分見解，希望大家共勉！

［1］中交公路規劃設計院.JTGD60-2004公路橋涵設計通用規范［S］.北京：人民交通出版社，2009.

［2］趙衡平.現代橋梁伸縮裝置［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［3］高榮強，翁思熔.大變形量模數式橋梁伸縮縫裝置［J］.公路，1991（10）:449-454.

（編輯：苗運平）

Based on the Overview of Bridge Expansion Joint of Abaqus

Wei Liejiang
（Shunda Road&Bridge Construction Co.，Ltd.，Lanzhou Gansu 730000）

From the construction，operation process，using the finite element analysis software Abaqus dynamic simulation analysis was carried out on the expansion joints，such as Angle of bridge expansion joint damage phenomenon:the causes and control measures in man，machine，material，etc，as well as by reasonable adjustment，configuration，conditional modification means to reduce the construction of the bridge expansion joint fault phenomenon，so as to ensure quality of expansion joint construction，adapt to the modern highway construction development direction.

highway；large-span bridge expansion joint；uneven mechanism；dynamics simulation；control technology

U441

A

2095-0748（2016）13-0055-05

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.13.20

2016-05-30

魏列江（1989—），男，甘肅蘭州人，本科，初級工程師，研究方向：道橋施工。