行車荷載作用下HDC弧形對插式橋梁伸縮縫動力響應分析

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

關鍵詞：橋梁工程；伸縮縫；數值分析；力學響應

中圖分類號：U443.5" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：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

我國交通事業發展迅猛，高速公路的交通量急速增長，重載車輛也日益增多，傳統模數式和梳齒板式橋梁伸縮縫從設計原理及結構上已難以滿足功能要求，常出現不同程度的病害。HDC弧形對插式橋梁伸縮裝置是一種新興的橋梁伸縮裝置，相較于傳統的伸縮裝置，具有以下優點：①靜音、平順，弧形對插式結構可為車輪提供連續支撐，平順靜音，空間網狀結構，選用超疏水UHPC作為填充料，可有效避免伸縮縫的水損壞；②堅固、耐久；③雙重防水，防水防塵板和止水帶相結合的模式，使防水效果更佳；④多向變位，懸臂結構，各向同性，滿足梁端縱向、橫向及扭轉等多向變位的需求；⑤養護便利，單元化設計，使后期使用成本明顯降低，當伸縮縫需要維護時，只需對損壞的單元進行拆除更換，運營成本低。

目前，針對橋梁伸縮縫進行受力分析主要采用試驗、數值分析或兩者結合的方法。Zuada Coelho等［1］對橋梁伸縮縫進行了不同類型的疲勞荷載試驗；鄒毓穎等［2］采用ANSYS有限元軟件建立了模數式伸縮縫結構模型，對160型伸縮裝置及相鄰結構進行了影響因子和動力學分析；劉丹等［3］建立了伸縮裝置及錨固區結構有限元模型，模擬錨固區的破壞情況，研究其破壞機理。綜合國內外研究現狀可知，大多數研究集中在傳統伸縮縫受力及損傷機理方面，而對新興HDC弧形對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及與錨固區混凝土的相互作用尚不明確。為此，本研究采用數值模擬的方法，利用ABAQUS有限軟件建立HDC弧形對插式橋梁伸縮縫三維模型，對比分析不同荷載位置作用下伸縮裝置豎向位移、彎拉應力，以及錨固區混凝土拉應力等力學性能，以期為HDC弧形對插式橋梁伸縮縫的改良和施工提供技術支持。

1 HDC弧形對插式橋梁伸縮縫路面數值模型

1.1 建立HDC弧形對插式橋梁伸縮裝置三維模型

依據HDC弧形對插式橋梁伸縮裝置實體模型，采用ABAQUS有限元軟件建立HDC弧形對插式橋梁伸縮裝置數值分析模型，如圖1所示。每個伸縮縫裝置長度為50 cm，安裝時可以嚴格按照伸縮縫與路拱形狀進行分段擬合。

1.2 建立HDC弧形對插式橋梁伸縮縫路面三維模型

利用兩對HDC弧形對插式橋梁伸縮裝置建立三維伸縮縫路面模型，模型長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算精度不同，網格劃分的尺寸也不相同［4］。HDC弧形對插式橋梁伸縮裝置及錨固區域采用0.01 m×0.01 m×0.01 m的網格密度劃分，其他區域采用不等間距劃分，從模型兩端依次向伸縮縫錨固區域加密，如圖3所示。模型各部位材料參數和所采用的網格單元類型見表1。

1.3 荷載的選擇

依據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）規定，汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成。橋梁結構的整體計算采用車道荷載，橋梁結構局部加載的計算采用車輛荷載，車道荷載和車輛荷載不能疊加，本模型計算為橋梁局部荷載的施加，故采用車輛荷載。車輛荷載主要技術指標見表2。為簡化計算，本研究選擇車輛荷載后軸重力標準值為豎向計算荷載，并選取一側輪胎的荷載值，即140 kN。

依據《公路橋梁伸縮縫裝置設計指南》（JTQX—2011-12-1）規定，伸縮縫設計荷載分為兩種設計類型，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時產生的制動力，取車輛后軸重力標準值140 kN為計算荷載，并計入沖擊系數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?？紤]車輛在伸縮縫處制動時產生的制動力，根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）的規定，制動力為后軸重力的30%，即后軸輪胎的制動力為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度的乘積，即200 mm×600 mm。車輪通過伸縮縫系統（包括一部分路面）時，車輪與伸縮縫系統接觸面積越小，伸縮縫受力越大［5］，故加載位置取伸縮縫跨中位置，僅施加單側輪胎荷載值，如圖4所示。

2 數值模擬結果

2.1 不考慮車輛水平制動力

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

由圖5、圖6可知，車輛荷載沖擊作用下HDC弧形對插式橋梁伸縮裝置最大撓度為1.2 mm、最大彎拉應力為38.2 MPa。另外，HDC弧形對插式橋梁伸縮裝置的技術指標可參考《公路橋梁伸縮縫裝置通用技術條件》（JTT 327—2016）對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，錨固區混凝土所受的最大彎拉應力和最大壓應力分別是4.6 MPa和5.9 MPa，小于自身的抗彎拉強度和抗壓強度。

綜上所述并結合表1可知，HDC弧形對插式橋梁伸縮裝置和錨固區混凝土在車輛荷載沖擊作用下均未達到極限狀態。

2.2 考慮車輛水平制動力

在伸縮縫跨中位置施加雙向靜力載荷，單側輪胎的最大輪壓載荷為70 kN，接地壓強為3.8 MPa，水平制動壓強為1.15 MPa。提取HDC弧形對插式橋梁伸縮裝置最大撓度、最大彎拉應力及錨固區混凝土最大彎拉應力、壓應力分布如圖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條件》（JTT 327—2016）對梳齒板式伸縮裝置豎向最大變形量的要求。HDC弧形對插式橋梁伸縮裝置最大彎拉應力為28.5 MPa，小于自身的彎拉強度。

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

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

3 結論

①豎向靜力荷載對HDC弧形對插式橋梁伸縮裝置和錨固區混凝土的力學響應影響大于雙向靜力載荷對HDC弧形對插式橋梁伸縮裝置和錨固區混凝土的力學響應影響。

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

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

參考文獻：

［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.模數式橋梁伸縮縫動力強度計算與影響因素分析［J］.寧波大學學報（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混凝土破壞原因分析［J］.現代交通技術，2008（1）：41-43.

［4］宋國瑞，王笑風，楊博，等.水泥混凝土橋面鋪裝層間抗剪性能研究［J］.安徽工業大學學報（自然科學版），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動力學分析［J］.起重運輸機械，2018（9）：97-101.