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橋梁伸縮縫錨固區(qū)混凝土界面力學性能分析

2022-07-08 09:07鄭萬山李雙龍高文軍
公路交通技術 2022年3期
關鍵詞:裝層剪應力車輪

鄭萬山, 李雙龍, 高文軍

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司, 重慶 400067; 2.重慶交通大學, 重慶 400074)

隨著我國經濟與交通事業(yè)的飛速發(fā)展,橋梁規(guī)模越來越大、車流量與重載車輛也大幅增加,使得橋梁伸縮縫的長期使用壽命面臨新的挑戰(zhàn),對其工作性能、使用技術標準等提出了更高要求[1]。橋梁伸縮縫一般設置在橋臺與梁端、相鄰橋跨間,是橋梁結構的必要組成部分,其主要功能是確保主梁在自然溫度變化、車輛反復荷載、混凝土收縮徐變,甚至在大縱坡、彎橋、斜橋下能夠滿足縱橫向自由伸縮變位[2-3],且梁端能自由轉動變形的要求。

伸縮縫錨固區(qū)混凝土是伸縮縫結構的重要部位,也是最早發(fā)生損壞的部分,錨固區(qū)混凝土性能的好壞對伸縮縫使用狀況、服務壽命等有著極其重要的影響,其與行車安全、舒適性有著直接的聯系[4]。通過調研可知,錨固區(qū)與瀝青鋪裝層界面混凝土開裂、裂縫發(fā)展擴大、破損、剝落是錨固區(qū)最早、最常見的病害,車輛經過錨固區(qū)時,車輪荷載壓力通過錨固系統(tǒng)將力傳遞給錨固區(qū)混凝土,混凝土出現壓縮變形,車輪駛過后,有一個釋放應力的過程,使得界面拉應力增大,這會加劇錨固區(qū)混凝土的開裂與破壞,錨固區(qū)混凝土的損壞又會加劇伸縮裝置的破壞,嚴重影響伸縮縫整體使用性能與服務壽命[5-6]。

本文選擇當前國內使用最廣泛的單縫式型鋼伸縮裝置,采用有限元軟件進行數值模擬,建立伸縮縫及錨固區(qū)有限元模型,主要探究瀝青鋪裝層彈性模量、錨固區(qū)寬度與厚度、車輪超載與水平力系數對界面力學性能的影響,著重分析界面處的應力與變形情況,為伸縮縫錨固區(qū)材料選擇、結構尺寸形狀提供一定的理論優(yōu)化建議,以供今后錨固區(qū)設計、施工參考。

1 有限元模型建立

1.1 計算荷載與作用位置

采用《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[7]中公路Ⅰ級車輛荷載進行模擬分析,公路Ⅰ級車輛荷載標準550 kN,最大軸重140 kN,考慮車輛荷載最大沖擊系數μ= 0.45,后軸壓力為140 kN×1.45=203 kN。標準車輛后軸由4個車輪組成,單輪壓力為203 kN/4=50.75 kN,單輪著地面積取0.2 m×0.25 m的矩形,則單輪接觸應力為1.015 MPa。后軸加載平面如圖1所示。

單位:mm

車輪荷載作用位置考慮4種工況:1) 車輪作用于瀝青鋪裝層,輪跡線前邊緣與界面線重合;2) 車輪作用于兩者相交處,車輪中心剛好與界面線重合;3) 車輪作用于錨固區(qū)混凝土上,輪跡線后邊緣與界面線重合;4) 車輪中心剛好作用于錨固區(qū)混凝土中心。具體作用位置如圖2所示。

圖2 荷載作用位置

1.2 幾何模型

本文重點旨在研究瀝青鋪裝層與錨固區(qū)界面的應力與變形,為優(yōu)化計算,提升運算效率,對單縫式型鋼伸縮裝置進行一定的簡化,不考慮錨固區(qū)鋼筋對界面應力的影響,依據伸縮縫及錨固區(qū)具體尺寸畫出其結構斷面示意圖,以型鋼邊緣為坐標原點,X軸為橋梁縱向,Y軸為梁體厚度方向,Z軸為橋梁橫向,模型寬度為3 m,如圖3所示。

單位:mm

1.3 材料特性

力學性能分析主要采用線彈性模擬,取20 ℃試驗測得彈性模量E與泊松比μ的標準值,各材料特性參數如表1所示。

表1 材料參數

為研究瀝青鋪裝材料彈性模量及錨固區(qū)混凝土強度等級變化對錨固區(qū)與瀝青鋪裝兩者界面力學性能的影響,取瀝青鋪裝層材料彈性模量為400 MPa~2 000 MPa。

1.4 邊界條件

邊界條件分為不同材料結構界面間的接觸條件與有限元模型表面的位移邊界條件。

1) 單元類型與界面接觸條件

混凝土采用有限元Solid65實體單元模擬,瀝青鋪裝層、型鋼采用Solid185單元模擬,材料之間的相互接觸關系采用接觸單元與目標單元,即Conta174與Targe170模擬。接觸面為綁定接觸,無摩擦,且初始接觸無間隙。Solid185為無中間節(jié)點的8節(jié)點結構實體單元,可模擬混凝土結構拉裂、壓碎、收縮、徐變等,主要用于三維實體結構的模擬;Conta174與Targe170為模擬面面接觸的接觸與目標單元,可表征兩者的滑移、接觸等,主要用于3D結構的接觸分析,也可模擬熱耦合接觸。

2) 位移邊界條件

基于伸縮縫常設位置,本模型簡化情況如下:在豎向位移設置為0,即Y軸方向為簡支約束;在順橋向背面固定,即X軸方向全約束。橋面施加水平與豎向的車輪壓力,位移邊界條件如圖4所示。

圖4 邊界約束條件

1.5 基本假設

1) 材料都為線彈性,符合相關規(guī)范標準,力與變形連續(xù)、均勻,為各向同性。

2) 對錨固區(qū)與瀝青鋪裝、型鋼進行一定簡化,假設兩兩都是非光滑緊密連接,接觸界面無孔隙,界面采用接觸單元替代機械粘結,并設置為綁定接觸,應力、變形在界面處均勻、連續(xù)傳遞。

3) 忽略結構自重、梁端面板負彎矩、振動對有限元計算的影響。

2 伸縮縫錨固區(qū)界面受力影響因素分析

2.1 加載位置對界面受力影響

考慮前文設置的4種加載位置,選取錨固區(qū)C50,主梁C40混凝土,瀝青彈性模量1 400 MPa,型鋼206 GPa,有限元計算得出界面處最大應力與變形值,結果如表2所示。由于混凝土主要因受拉引起破壞,因此界面最大拉應力作為主要判定指標。

由表2可見,位置1的界面拉應力與剪應力值最大,取位置1作為最不利加載位置,其界面拉應力、剪應力與位移作為控制指標[8-9],X方向位移表示正向。

2.2 不同鋪裝層彈性模量對界面受力影響

保持車輛公路Ⅰ級加載與其他結構材料參數不變,橋面鋪裝層瀝青彈性模型分別取400 MPa、800 MPa、1 200 MPa、1 600 MPa、2 000 MPa[10],通過有限元計算錨固區(qū)界面應力與變形值,結果如表3所示。

表3 不同彈性模量下界面計算結果

由表3可見,隨瀝青鋪裝層彈性模量的增加,界面拉應力、剪應力、位移呈減小趨勢,從400 MPa到2 000 MPa,拉應力降低了56.4%,剪應力減少了31.2%,兩者都表現出線性相關變化,主要指標拉應力相關系數為-1.375×10-4。結果分析表明,在其他材料特性不變的情況下,瀝青鋪裝層彈性模量越大,界面應力值越小,位移變形越小,鋪裝層彈性模量的增大對降低瀝青與錨固區(qū)混凝土界面拉應力值效果非常好。因此,為減小界面應力,特別是拉應力,延緩混凝土界面脫粘、開裂,應選擇彈性模量大的改性瀝青鋪裝材料,利于界面受力。

2.3 伸縮縫錨固區(qū)寬度對界面受力影響

為考察伸縮縫錨固區(qū)寬度變化對界面受力的影響,在車輛加載與其他材料參數不變的情況下,瀝青鋪裝彈性模量取1 400 MPa,錨固區(qū)寬度分別取30 cm、35 cm、45 cm、50 cm,計算界面應力與變形值,結果如表4所示。

表4 不同錨固區(qū)寬度下界面計算結果

由表4可見,隨錨固區(qū)寬度的增加,界面應力與位移變化非常小,拉應力趨于250 kPa,剪應力趨于592 kPa,位移逐漸減小,應力與位移指標難以判定錨固區(qū)具體適用寬度,應結合規(guī)范與施工標準,一般采用錨固區(qū)寬度約為45 cm,該寬度便于工人操作施工,若寬度太小,錨固不牢固,混凝土易開裂,寬度太大,不僅會降低支承能力,還會提高整體錨固與修復混凝土的造價。因此,應依據實際工程概況、規(guī)范標準及工程經驗,選擇適宜的錨固區(qū)寬度。

2.4 伸縮縫錨固區(qū)厚度對界面受力影響

為研究伸縮縫錨固區(qū)厚度變化下對界面受力的影響,在車輛加載方式、車輪壓力大小與其他材料參數不變的情況下,瀝青鋪裝彈性模量取1 400 MPa,錨固區(qū)厚度分別取180 mm、200 mm、220 mm、240 mm[11-12],通過有限元計算其應力與變形值,結果如表5所示。

表5 不同錨固區(qū)厚度下界面計算結果

從表5可知,隨著錨固區(qū)厚度的增大,界面拉應力與剪應力逐漸增大,拉應力增加了8%,剪應力增加了5%,但增加的幅度總體非常小,位移逐漸減小。由于厚度變化對界面影響較小,可根據規(guī)范與施工經驗對錨固區(qū)厚度做出合理選擇。

2.5 車輛超載對界面受力影響

為研究車輛超載對界面受力影響,瀝青彈性模量取1 400 MPa,其他材料特性不變,汽車加載不考慮水平力影響,從車輪初始壓力0.58 MPa逐漸加力,設置超載10%、30%、50%、70%幾種工況[13-14],計算界面應力與變形值,結果如表6所示。

表6 不同加載壓力下界面計算結果

由表6可見,界面拉應力、剪應力、位移都隨著車輪壓力增加成線性增長趨勢,超載70%后,拉應力增大了60%,剪應力增大了69.49%,位移增大了71.88%。從應力與變形結果看,超載對界面受力影響非常顯著,表明車輛超載對伸縮縫及錨固區(qū)整體受力非常不利,應嚴禁車輛超載,特別是重載車輛。

2.6 水平力對界面受力影響

在保持車輪加載方式、車輪壓力、材料特性參數等不變的情況下,鋪裝層瀝青彈性模量取1 400 MPa,考慮車輛水平力的影響,通過水平力系數來表示,分別取0、0.1、0.25、0.5來表示靜止、勻速、緩慢制動、緊急剎車等[15],計算結果如表7所示。

表7 不同水平力下界面計算結果

由表7可知,界面拉應力、剪應力隨著水平力增大呈線性增加趨勢,水平力系數0.5相較于0時,拉應力增大了980%,增大了近10倍,剪應力增加了5.08%,位移呈增大趨勢。這一結果表明,水平力對界面拉應力影響非常大,水平力較大時,界面拉應力劇烈增長,對錨固區(qū)混凝土受力相當不利,界面拉應力太大,超過混凝土抗拉強度,可能導致混凝土開裂破壞,在車輛反復沖擊荷載作用下,裂縫進一步擴展,加劇了破損,說明車輛緊急剎車、制動下易造成界面脫粘、開裂破損。因此,車輛在通過伸縮縫時,應勻速、平順行駛,這樣既能避免緊急制動,加劇錨固區(qū)混凝土破壞,也能保證行車安全。

3 結束語

在確定模型計算加載、荷載位置、材料特性、邊界條件與基本假設后,通過有限元軟件建立伸縮縫及錨固區(qū)有限元模型,選取界面拉應力、剪應力、位移為主要控制指標,研究了鋪裝層瀝青彈性模量、錨固區(qū)混凝土寬度、厚度、車輛超載及水平力對界面受力與變形的影響,并得出如下結論:

1) 當車輪作用于瀝青鋪裝層時,輪跡線前邊緣與界面線重合是最不利加載位置,該位置拉應力與剪應力值最大,表明該處伸縮縫界面錨固區(qū)的受力最不利。

2) 增大瀝青鋪裝層彈性模量能降低界面應力與位移變形。據此,宜選擇彈性模量較大、剛度大的瀝青材料,能較好地減小界面應力與變形,減緩界面開裂破壞。

3) 錨固區(qū)寬度與厚度變化對界面應力影響較小,位移隨寬度、厚度增加有所減小,但總體減小幅度小。錨固區(qū)寬度、厚度的選擇可根據規(guī)范與施工經驗,不宜過大或過小,主要以錨固區(qū)牢固、施工操作方便為依據。

4) 車輛超載對伸縮縫錨固區(qū)界面應力與變形影響大,表明超載對伸縮縫整體受力非常不利。據此,要嚴禁車輛超載,特別對重載車輛要嚴格把控。

5) 水平力系數越大對界面受力越不利,界面拉應力隨水平力系數增大呈現指數型增長,表明水平力過大可能致使界面應力超過抗拉極限而開裂,加劇界面脫粘、裂縫發(fā)展等。據此,車輛應盡量勻速、平順行駛,避免緊急制動。

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