伸縮縫槽口混凝土受力特性及其構造優化研究

張劍鋒 周昌群 唐 志 徐向東 周 平

(1.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081； 2.貴州高速公路集團有限公司 貴陽 550001)

橋梁伸縮縫是橋梁構造中易受損壞的構件之一[1]。橋梁伸縮縫可滿足橋梁結構混凝土溫度變化、收縮徐變、車輛荷載反復作用等引起的縮短、伸長[2]，但因使用環境、施工、設計、養護等因素，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節橋梁上部結構在車輛荷載、溫度變化等因素下的位移和聯結[4]。對于橋梁伸縮裝置受力性能，學者進行了大量研究，張忠等[5]基于ABAQUS有限元軟件，對大位移公路橋梁伸縮縫的動力定位耦合數值模擬進行了研究，探究支承剛度與伸縮縫位移量之間的關系；閆光飛[6]基于LS-DYNA軟件，建立了兩跨簡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、受力和疲勞應力變化規律。劉朵等[7]對異型鋼單縫式和模數式伸縮縫開展研究，針對其病害情況劃分損傷等級，并提出相應的養護對策；賀志勇等[8]針對模數式伸縮縫中梁鋼焊接點的疲勞損傷及模數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，并針對橋梁伸縮縫的病害進行分析歸類，提出相應的對策，未有文獻開展伸縮縫錨固區混凝土的受力特性分析，且對于伸縮縫槽口的構造優化研究更為罕見。因此，本文在上述研究的基礎上，進行伸縮縫錨固區混凝土的受力特性分析和槽口構造優化研究，采用ABAQUS有限元軟件建立伸縮縫實體模型，探究伸縮縫不同錨固類型和不同錨固深度對伸縮縫槽口混凝土受力性能的影響規律，根據混凝土的受力特性，提出槽口的構造優化尺寸。

1 伸縮縫錨固類型

本文主要對邊梁型式為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，其結構示意見圖1。

圖1 E型截面伸縮縫的邊梁錨固方式(單位：cm)

4種錨固方式構造及適用條件如下。

1) I類。在E型鋼下緣上側焊接鋼板，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進行焊接，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進行焊接，另一端與鋼板下側焊接，錨固環水平鋼筋平行設置，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進行焊接，另一端與鋼板下側焊接，錨固環筋呈三角形設置，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

為對比分析I～IV類錨固方式下錨固區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混凝土的實體有限元模型，根據研究需要，建模時考慮到模數式伸縮裝置的錨固構造及車輪布置特點，取1個車輪影響范圍內的伸縮裝置型鋼建模計算，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混凝土的受力狀態。伸縮縫邊梁型鋼、下緣下側的焊接鋼板、錨固環筋和縱向鋼筋建為一體模型，混凝土模型為長方體，其尺寸為0.7 m×0.6 m×1.5 m。

模型邊界條件。型鋼伸縮縫內嵌于混凝土中，沿伸縮縫長度方向對混凝土左右兩側施加對稱約束(U3=UR1=UR2=0)，對混凝土的下表面施加固定約束(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)。伸縮縫的材料參數見表1。

表1 伸縮縫的材料參數

根據《公路橋梁伸縮裝置設計指南》[9]中疲勞荷載的有關規定進行汽車荷載布置。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 車輛荷載主要技術指標

2.2 分析結果

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

圖3 伸縮縫槽口混凝土應力最大值

圖4 II類伸縮縫槽口混凝土應力云圖(單位：MPa)

由圖3可知，4種類型伸縮縫錨固區混凝土最大拉應力值和最大壓應力值均比較接近，設計時可選用其中的一種錨固方式。伸縮縫錨固區混凝土受力以拉應力為主，對伸縮縫過渡區混凝土應采用抗拉強度較高的混凝土材料。

由圖4可知，伸縮縫錨固區混凝土拉應力主要集中于伸縮縫后方的錨固區混凝土，拉應力最大位置一般發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向錨固區混凝土擴展一定范圍，形成一個橢圓形的拉應力區域，伸縮縫過渡區混凝土受力主要集中于這一區域。

3 伸縮縫槽口構造對混凝土受力影響

除槽口構造對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對伸縮縫槽口混凝土的受力產生影響，本文主要研究槽口構造對槽口混凝土受力情況的影響，探討伸縮縫槽口開槽尺寸對錨固區混凝土的受力影響。

3.1 錨固深度對槽口混凝土的受力影響

為分析伸縮縫錨固深度對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象，研究伸縮縫埋入深度值為8，10.8，13.6，15.8，18.6 cm時對槽口混凝土受力狀況的影響，同時對伸縮縫槽口的合理尺寸進行分析。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《公路橋梁伸縮裝置設計指南》中疲勞荷載的有關規定，取雙向力疲勞荷載[9-10]，荷載取邊梁型鋼受到單個均布輪載的作用，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伸縮縫埋置于不同深度，對汽車荷載產生的疲勞荷載作用下伸縮裝置邊梁錨固區混凝土受力狀況進行計算分析。計算結果見圖6。

圖6 不同錨固深度下錨固區混凝土的應力變化圖

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

對伸縮縫過渡段的混凝土及槽口進行優化改進可有效改善伸縮縫錨固區混凝土的受力性能，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混凝土的主拉應力云圖，見圖7。

圖7 伸縮縫不同埋入深度下錨固區混凝土主拉應力云圖(單位：MPa)

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

由圖7可見，錨固區混凝土的受力性能隨伸縮縫埋置深度變化均呈現出相同變化規律，即錨固區混凝土的應力均隨著伸縮縫埋置深度的增加呈現減小趨勢。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 開槽尺寸對槽口混凝土的受力影響

由于預制T梁橋構造限制，槽口尺寸深度大于40 cm、寬度大于50 cm時不但影響主梁預應力的布置，還要求伸縮縫處翼緣板厚度增加很大，構造設計欠合理。因此，本文對槽口深度為10，14，18，30，40 cm及槽口寬度為20，30，35，40，50 cm的拉應力分別進行了統計分析，計算結果見圖8、圖9。

圖8 槽口混凝土沿深度方向的拉應力

由圖8a)可見，開槽深度對錨固區混凝土拉應力有一定影響。隨著伸縮縫埋入深度的增加，其對錨固區混凝土拉應力的影響越來越小，當達到一定深度時，混凝土拉應力增加不明顯，應力值逐漸趨于穩定。

圖8b)結果表明，不同類型伸縮縫沿深度方向對錨固區混凝土拉應力表現出相同的分布規律，即不同類型伸縮錨固區混凝土的拉應力沿槽口深度方向呈現先減小后增大的趨勢，混凝土拉應力在槽口深度30 cm處均達到最小值。

圖9 槽口混凝土沿寬度方向的拉應力

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

由圖9b)可見，不同類型伸縮縫沿寬度方向對錨固區混凝土拉應力表現出相同的分布規律，即不同類型的伸縮縫錨固區混凝土的拉應力沿槽口寬度方向呈直線減小。當槽口處與伸縮縫邊梁距離達到30 cm時，錨固區混凝土拉應力值為0.2～0.5 MPa；當槽口處與伸縮縫邊梁距離達到40 cm時，錨固區混凝土拉應力值為0.15～0.3 MPa；當槽口處與伸縮縫邊梁距離達到50 cm時，錨固區混凝土拉應力值為0.05～0.18 MPa。由上述計算結果可知，當開槽深度在20～40 cm時，槽口處混凝土拉應力處于較小狀態，開槽深度在30 cm時，混凝土拉應力值達到最小。

槽口處與伸縮縫邊梁距離達到50 cm時，槽口混凝土的拉應力值達到較小值，由于T梁的構造限制，并根據拉應力計算結果，本文建議槽口寬度方向構造尺寸取40～50 cm。

在預制梁體伸縮縫處設置槽口時，應將槽口尺寸界限設置在應力較小的位置，以降低新舊混凝土連接處發生病害概率，結合預制梁構造尺寸及預應力筋布置要求等因素，根據上述計算結果，本文建議伸縮縫槽口深度設計尺寸宜取20～40 cm，一般在滿足伸縮縫安裝要求的條件下建議取30 cm；伸縮縫槽口寬度設計尺寸宜取為40～50 cm，在預制梁構造滿足設計要求的前提下宜取大值。

4 結語

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，對伸縮縫槽口混凝土的受力特性進行了研究分析，并根據錨固區混凝土的拉應力變化規律，對伸縮縫槽口構造進行優化研究，根據研究成果得出以下結論。

1) 伸縮縫錨固區混凝土主要以受拉為主，對伸縮縫過渡區混凝土應采用抗拉強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，錨固區混凝土應力值均呈減小的趨勢，當伸縮縫埋深由8 cm增加到18.6 cm時，混凝土拉應力減小30.54%，壓應力減小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) 根據伸縮縫在不同埋置深度下，錨固區混凝土沿槽口深度和寬度方向的拉應力變化規律，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，伸縮縫槽口寬度設計尺寸取值取40～50 cm。