车辆荷载作用下桥梁伸缩缝静力学有限元分析

杨林杰 刘家齐

（1、中铁七局集团郑州工程有限公司，河南 郑州450001 2、郑州大学水利科学与工程学院，河南 郑州450001）

随着我国经济及工程科学技术的快速发展，我国的交通运输事业也有了飞快的提高，交通建设规模和交通建设速度都取得了重大进步，[1]尤其是桥梁建设施工工程成为交通运输事业的主要构成部分。桥梁伸缩缝是桥梁公路桥梁结构的重要组成部分，一般设置在桥梁结构中的两侧桥台处或桥梁上部结构的各孔连接处，其最主要的作用是保证桥梁结构在温度变化以及车辆荷载作用下，可以在设计伸缩量范围内自由伸缩。[2]但是，桥梁伸缩缝直接暴露在大气环境中，长期直接经受车辆荷载的反复作用，极易发生破坏，每年都需要投入大量的人力、物力及财力对公路桥梁上的伸缩缝进行维修及更换。Chang[3]等对其生活所在州及周围个别州的公路桥梁伸缩缝的服役和施工情况进行了调查分析，总结出了影响桥梁伸缩缝伸缩性能及使用寿命的各方面因素，为桥梁伸缩缝的选型和维修提出了指导意见。李新祥[4]等利用有限元分析软件将桥梁伸缩缝简化为简支梁模型，模拟分析了不同车速下的桥梁伸缩缝动力性能，结果表明：车速的不断提高，车辆在伸缩缝的制动力效果不断增强，其横向位移也不断增大。毛苏毅[5]等调查实际交通荷载情况，建立模数式伸缩缝有限元模型，研究模数式装置的受力性能，认为车辆超载使中梁钢所受最大应力增大，滑动支撑的最大变形量也增大。

1 桥梁伸缩缝的主要结构形式

随着科学技术的不断发展，我国高速公路桥梁伸缩缝的形式也多种多样。根据桥梁伸缩缝构造形式的不同，分为钢板式伸缩缝、橡胶式伸缩缝、模数式伸缩缝、无缝伸缩缝。本文主要研究的是CD100 型异型钢单缝伸缩缝，此伸缩缝的主要构造包括F 型异型钢边梁，两根直径16mm 的锚固钢筋，以及一条鸟型橡胶止水条。CD100 型异型钢单缝伸缩缝的结构形式简单，安装比较方便，适用于80mm 到120mm 伸缩量的公路桥梁，不仅方便旧伸缩缝的维修更换，还可用于新建桥梁的修建安装，其主要结构形式如图1 所示。

2 桥梁伸缩缝有限元模型的建立

通用有限元分析软件ABAQUS 是目前国内外普遍认为比较优秀的CAE 分析软件之一，其优势在于非线性分析和复杂问题求解。ABAQUS 可以模拟的范围很广，从相对比较简单的静力学分析到非常复杂的结构动力学分析。本文根据CD100 型异型钢单缝伸缩缝的实际结构形式，建立了其有限元模型，由于伸缩缝的两侧为完全对称的结构形式，因此在有限元模型建立的过程中，选取伸缩缝的单侧部分建立有限元模型。其中，伸缩缝的边梁采用Q345B 钢材，弹性模量为2.05Gpa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3；锚固区混凝土采用钢纤维混凝土，弹性模量为2.GPa，泊松比为0.2，密度为2300kg/m3；桥面铺装选择沥青混凝土铺装，密度为2300kg/m3，弹性模量1200MPa，泊松比0.35。[6]根据图1 的伸缩缝结构形式图以及上述结构参数，建立了伸缩缝有限元模型。伸缩缝有限元模型共划分了26758 个单元，并对车辆荷载施加部位进行网格加密。（图2）

图1 桥梁伸缩缝结构形式图（单位：mm）

图2 桥梁伸缩缝有限元模型图

图3 伸缩缝整体结构应力图

图4 不同混凝土强度伸缩缝所受最大应力曲线图

公路桥梁伸缩装置主要是受到车辆竖向轮压荷载的作用，在垂直方向产生较大的应力及变形，不考虑车辆在伸缩缝制动时产生的水平冲击力的作用。[7]因此，在此次伸缩缝的有限元模拟中，施加竖向轮压荷载，竖向轮压荷载标准值为140KN 和冲击系数（1+μ）的乘积，冲击系数μ 取0.45。在本文中的有限元模拟中，只考虑单轮单边的车轮荷载。假定车轮荷载作用面为一个矩形，车轮轮压长度为0.2 米，宽度为0.6 米[8]，则伸缩缝所受到的车轮压强大小就为845000Pa。

3 桥梁伸缩缝有限元模拟结果分析

3.1 桥梁伸缩缝整体受力结果分析

在建立桥梁伸缩缝的有限元模型之后，对桥梁伸缩缝进行静力学仿真分析，模拟伸缩缝在标准车辆荷载作用下的受力及变形情况。其中，施加的车辆荷载为垂直方向上的车辆轮压，大小为0.845MPa，车辆轮压的作用范围为建立的整个伸缩缝模型的边梁及锚固区混凝土面，伸缩缝在车辆荷载作用下的应力云图，如图3所示。

由伸缩缝的应力结果云图可以看出，伸缩缝在车辆荷载作用下，整体受力点集中在车辆荷载作用位置附近，而远离车辆荷载作用位置的部分受力较小。其中，伸缩缝所受应力最大点发生在F 型边梁上（结点1128），最大应力值为9.382MPa，最小应力点发生在锚固钢筋上（结点64），最小应力值8.245E-6MPa。在车辆荷载的静力作用下，即使伸缩缝F 型边梁产生了最大应力，最大应力值为9.382MPa，也未达到材料的工程屈服极限，F 型钢边梁不会发生强度破坏。但是，从伸缩缝各个部件所受到的应力来看，锚固区混凝土所受最大主拉应力最大达到了5.423MPa，远远超过了《混凝土结构设计规范》[9]中规定和C50 锚固区混凝土抗拉极限值2.64MPa。因此，在车辆荷载作用下，桥梁伸缩缝锚固区混凝土将会发生强度破坏，影响桥梁伸缩缝的使用寿命，危害行车安全。

3.2 不同锚固区混凝土强度对伸缩缝受力影响分析

从伸缩缝整体静力分析结果来看，伸缩缝锚固区混凝土在车辆荷载作用下将会发生破坏。锚固区混凝土连接着桥面铺装和整个伸缩装置，是桥面与伸缩装置的过渡带，锚固区混凝土的寿命关系到整个伸缩装置的服役年限。因此，选取不同锚固区混凝土强度，模拟分析伸缩缝在不同锚固区混凝土强度下的受力情况，选取的锚固区混凝土标号分别为C25、C30、C40、C50、C60。通过对比分析不同锚固区混凝土强度下，伸缩缝所受最大受力情况，探究不同锚固区混凝土强度对伸缩缝整体受力的影响。其具体结果如图4 所示。

由图4 可知，随着锚固区混凝土强度的不断提高，伸缩缝所受最大应力值逐渐减小。当锚固区混凝土强度为C25 时，伸缩缝在车辆荷载作用下所受到的最大应力值为9.382MPa，锚固区混凝土强度不断增大，伸缩缝所受最大应力不但减小，混锚固区混凝土强度等级达到C60 时，伸缩缝所受最大应力减小至8.9MPa，与锚固区混凝土强度为C25 时相比，伸缩缝所受最大应力减少了5%。

同时，从图4 中可以看出，伸缩缝所受最大应力是随着锚固区混凝土强度的增大而线性减少的。锚固区混凝土作为桥面铺装与伸缩装置的过渡部分，锚固区混凝土的强度过低以及过早破坏，特别是锚固区混凝土与伸缩边梁界面粘结处最先发生混凝土破裂，桥梁伸缩装置将会很快因混凝土的开裂而破坏，最终丧失伸缩装置的伸缩功能。因此，在进行桥梁伸缩装置锚固区混凝土浇筑的时候，宜选用混凝土标号C50 或以上的混凝土进行浇筑，从而延长桥梁伸缩缝使用寿命。

4 结论

本文利用ABAQUS 有限元分析软件建立起CD100 型异型钢单缝伸缩缝的有限元模型，模拟分析了伸缩缝在车辆荷载作用下的静力学特性以及不同锚固区混凝土强度对伸缩缝整体受力情况的影响。结论如下：

4.1 在伸缩缝整体结构静力学分析中，伸缩缝在车辆荷载作用下受到的最大应力点在伸缩缝F 型边梁腹部位置，锚固区混凝土受到的最大应力超过其最大抗拉极限，将会发生强度破坏。所以在桥梁伸缩缝的养护维修中，要特别注意伸缩缝边梁和锚固区混凝土的养护维修质量。

4.2 随着锚固区混凝土强度的不断增加，伸缩缝所受最大应力线性减小，相对低混凝土强度C25 时所受的最大应力，减小了5%。所以，在实际工程施工中应选用高锚固区混凝土强度的混凝土，提高桥梁伸缩缝使用寿命。