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

丁智勇，趙志遠，吳優(yōu)，杜鵬

（長安大學(xué) 工程機械學(xué)院，西安 710064）

0 引言

橋梁是人類社會的重要工程，而伸縮縫則是橋梁設(shè)計中至關(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，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程荷載情況下的應(yīng)力時程曲線，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，通過加載車輛疲勞載荷得出了螺栓及其螺栓孔的應(yīng)力時程曲線。Shun-ichi Nakamuraa[5]對一種新型部分填充混凝土鋼箱梁進行靜載加載研究，研究結(jié)果表明，沒有垂直加強筋的半混凝土填充鋼箱梁和有垂直加強筋的梁的極限抗彎強度相同，但是前者延性僅是后者的一半。鐘新谷等[6-8]通過試驗手段對鋼箱-混凝土組合結(jié)構(gòu)的不同性能進行研究，通過得出的試驗數(shù)據(jù)驗證了鋼箱-混凝土組合結(jié)構(gòu)的計算公式的適用性。冀偉[9]采用有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的方法對裝配式波形腹板鋼箱-混凝土組合結(jié)構(gòu)的動力性能進行了研究，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]使用有限元軟件對以栓釘作為抗剪連接件的鋼箱-混凝土組合結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，來探究結(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，跨中基本無滑移發(fā)生，距跨中的距離越遠滑移量越大。

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)計了不同軸載車輛的現(xiàn)場荷載試驗，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，橫梁用來支撐中間梁。中間梁與異型鋼用橡膠止水帶進行連接，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化模型，將建立好的三維模型通過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)進行設(shè)置。外部箱體采用多點約束，對箱體內(nèi)部混凝土覆蓋目標(biāo)虛擬單元Target170，對箱體鋼板覆蓋接觸虛擬單元Contact175，設(shè)置成綁定接觸并進行網(wǎng)格劃分。對橋梁伸縮縫箱體梁端施加z方向位移約束，在T型橋臺底端設(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)場荷載試驗

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，在車輪軌跡對應(yīng)下的底板中央的位置處設(shè)置應(yīng)變計，應(yīng)變計類型為可以測量鋼結(jié)構(gòu)線性應(yīng)變的GBY-100表面安裝式應(yīng)變計，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)變計安裝處記為測點A，如圖8所示。安裝應(yīng)變計后的鋼箱底板如圖10所示。

圖8 應(yīng)變計安裝位置示意圖

圖9 GBY-100表面安裝式應(yīng)變計

圖10 安裝應(yīng)變計的伸縮縫鋼箱底板

車輛荷載試驗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，檢測測點A安裝的應(yīng)變計成活度，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。試驗時，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點A的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

3 試驗及仿真結(jié)果分析

由于現(xiàn)場試驗采用的是應(yīng)變計，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)場荷載試驗時的軸載，對有限元力學(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點B的等效應(yīng)力，測點B位置位于鋼箱模型印記面在箱體底板投影的中央位置，對應(yīng)現(xiàn)場荷載試驗的測點A。

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

表2 測點仿真與試驗數(shù)據(jù)的相對誤差

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

根據(jù)表2中測點A的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)與測點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，同時根據(jù)表2中二者的相對誤差數(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行模擬計算。仿真模型計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，說明增加底板厚度可以降低其受到的正應(yīng)力。

有限元計算中，底板厚度8 mm時的壓應(yīng)力最大，但也遠遠小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》給出的抗壓設(shè)計強度。可以認(rèn)為100 kN荷載下，8～20 mm厚度底板均符合設(shè)計規(guī)范。《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(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）本文通過對D160型模數(shù)式橋梁伸縮縫現(xiàn)場試驗，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)進行對比，得出兩者的測點應(yīng)力數(shù)據(jù)平均誤差為6.84%，驗證了所建立的橋梁伸縮縫鋼箱底板模型的合理性；現(xiàn)場試驗與有限元模擬中的數(shù)據(jù)均表明軸載的增加會大大增加底板正應(yīng)力，從而增加底板損傷破壞的風(fēng)險。

2）通過在有限元軟件中不同底板厚度下的各部分計算應(yīng)力值及相應(yīng)的折線得出：可以通過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)計要求，按照設(shè)計規(guī)范底板厚度宜為12 mm以上。實際鋼箱底板設(shè)計厚度可根據(jù)橋梁通行車輛軸載情況按照本文給出的數(shù)據(jù)確定。