苏通大桥伸缩缝后浇带病害的力学机理研究①

朱振景，马如进，周建华

(同济大学桥梁工程系，上海200092)

0 引 言

后浇带是在建筑施工中为防止现浇钢筋混凝土结构由于温度、收缩不均可能产生的有害裂缝，按照设计或施工规范要求，在基础底板、墙、梁相应位置留设临时施工缝，将结构暂时划分为若干部分，经过构件内部收缩，在若干时间后再浇捣该施工缝混凝土，将结构连成整体［1］.后浇带的浇筑时间宜选择气温较低时，可用浇筑水泥或水泥中掺微量铝粉的混凝土，其强度等级应比构件强度高一级，防止新老混凝土之间出现裂缝，造成薄弱部位，设置后浇带的部位还应该考虑模板等措施不同的消耗因素［2］.

后浇带的设置原理是“先放后抗”的原则，已在实践中获得了良好的效果.根据混凝土产生裂缝的原因，需要尽可能地削减温度收缩应力，因此，为了控制温差，把总温差分为两部分:施工时先把结构分为许多段，减小每段的尺寸，并与施工缝结合起来，可有效地减少温度收缩应力;在施工后期，把先前分割施工的许多段浇筑成整体，再继续承受第二部分的温差和收缩.如果两部分的温差和收缩应力叠加小于混凝土当时的抗拉强度，混凝土结构就不会产生裂缝［3～4］.

本文以苏通大桥伸缩缝后浇带为研究对象，对其力学性能进行分析，重点研究了车辆荷载作用的影响.首先介绍了苏通大桥伸缩缝后浇带的结构特点，并对后浇带的病害进行统计分析，建立了后浇带有限元模型，并分别从静力、动力、温度等工况进行分析.分析结果表明:温度对后浇带病害产生的影响较小，疲劳是产生裂缝的主要原因，并且裂缝一般从边缘向中心扩展.

1 后浇带结构参数

苏通大桥由于跨径大，采用了大型伸缩缝，主桥与引桥之间两端各设置一段后浇带.伸缩缝后浇带位置位于伸缩缝纵梁伸缩箱上方，伸缩缝纵梁共有21 个纵梁伸缩箱.后浇带下方的伸缩箱平面与剖面布置图如图1 所示.

图1 后浇带下层伸缩箱布置图

伸缩箱顶板为钢材，板厚125mm，伸缩箱为矩形断面，尺寸约为600mm×305mm，伸缩箱间的间距最大为1800mm，最小为1280mm.后浇带位于伸缩箱上方，顺桥向长度2.52m，在后浇带处桥宽31m，后浇带面积为156.2m2，其剖面图如图2 所示.

后浇带位于钢板之上，总厚度为7cm.其中，在伸缩箱表面喷砂除锈Sa2.5，其上铺设环氧树脂粘结层，最后三层环氧树脂混凝土，厚度分别为3.0cm，2.5cm 和2.5cm，后浇带铺装分层材料如图3所示［5］.伸缩缝后浇带外观图如图4 所，铺装层由多种类型材料组成，各材料的拉伸强度如表1 所示.

图2 后浇带剖面图

图3 后浇带铺装材料分层结构图

图4 伸缩缝后浇带

表1 后浇带铺装材料拉伸强度

2 后浇带病害研究

苏通长江大桥于2008 年5 月正式通车，混凝土桥面后浇带铺装结构设计为7.0cm 厚双层SMA－13，通车后不久铺装即产生推移、松散等病害，后于2009 年采用7.0cm 厚环氧树脂混凝土进行维修.2011 年日常巡查中发现伸缩缝后浇带原修补裂缝出现损坏且新增裂缝18 条.截止2014 年3月，混凝土桥面后浇带铺装斜向裂缝继续发展，局部出现碎裂现象，对行车安全性与舒适性造成影响，亟待维修.混凝土桥面后浇带铺装病害情况如图5 所示，其中主要的裂缝是弧形裂缝和长裂缝.

图5 伸缩缝后浇带病害图

在检查的同时，为方便统计病害类型，绘制了主桥两侧后浇带的平面图，如图6 所示.通过长期巡检发现，裂缝一般先从后浇带边缘位置产生，继而向纵向发展，最后裂缝扩展相互连接形成块状破坏体.图6 中可发现，位于第2、第3 车道的病害重于第一车道.初步分析表明，第2、3 车道重载车分布密集可能使得这两个车道的病害加重.

3 有限元分析及力学机理研究

3.1 有限元分析

伸缩缝后浇带主要由桥面铺装和钢支撑梁组成，在建立有限元模型时，桥面铺装采用实体模型，用solid185 单元进行模拟，而钢支撑梁采用壳单元，用shell63 单元进行模拟.建模时先划分网格单元，再通过耦合节点自由度使实体单元和壳单元紧密相连，得到如图7 所示的有限元模型.

图6 病害平面图

图7 伸缩缝后浇带有限元模型

为了便于加载，对苏通大桥轴重分布进行统计分析.统计发现，车辆轴重的分布特性与车重的分布特性类似，由于车辆存在空载和满载两种情况，轴重也大多都是呈现出双峰的情况［6］.而单轴每侧单轮胎则呈现单峰的分布形式，如图8 所示，单轴每侧单轮胎主要是因为都是普通的车型所配备的，因此重量一般偏小，主要集中在1000kg 附近，这样能够保证拥有两个单轴的车辆大约在2000kg左右，也与车重的分布特性相吻合.轴重最大值在8000kg，这样的车辆很少，几乎可以忽略不计.

图8 单轴(每侧单轮胎)轴重分布概率(kg)

图9 荷载位置图

因此，假设一轴重1t 的车以80km/h 的车速从后浇带上通过，分析后浇带的受力情况.由桥面铺装的几何特征，荷载的横向加载位置取3 个特征荷位，见图9，分别为:荷位1——车轮作用在伸缩箱上的桥面铺装层;荷位2——车轮部分作用在伸缩箱上的桥面铺装层;荷位3——车轮不作用在伸缩箱上的桥面铺装层.

3.2 力学机理研究

3.2.1 应力分析

开裂破坏是大多数后浇带铺装层常见的一种破坏方式，铺装层拉应力是控制铺装层开裂破坏的重要设计指标，分析其分布规律可以了解铺装层开裂破坏的特性，以便采取有效的防范措施.如图10所示，通过比较分析可知:第一主应力最大为3.351MPa，位于后浇带的边缘位置;第二主应力最大为1.899MPa，同样位于后浇带的边缘位置;第三主应力最大为5.884KPa，位于后浇带的中心位置.

3.2.2 温度应力分析

温度对伸缩缝后浇带亦会产生影响，选取初始温度为25 度，温度上升20 度，分析可知，第一主应力最大为1.38MPa，如图11 所示.由图中可以看出，最大主应力发生在伸缩箱与后浇带接触处，此处也是最易发生裂缝的地方.

图10 应力分析

3.2.3 动态应力分析

为研究动态应力变化，让一轴重1t 的车以80km/h 的车速从后浇带上通过，在模型中取5 个点，绘制这些点的应力随时间变化的曲线，如图12所示，可知最大应力值为3.08MPa，而环氧树脂混凝土的抗拉强度是3.5MPa，则最大应力幅值在强度范围内.但实际中，混凝土裂纹较为常见，究其原因可知，主要是车辆超载引起的.计算各位置处的应力幅值可知，应力幅值最大为1.54MPa，所选取的点位于伸缩箱与后浇带相连接的地方.

4 结 论

随着桥梁的运营，伸缩缝后浇带的病害日益严重.本文基于有限元软件，研究分析了后浇带产生裂缝的原因，同时分析了温度对后浇带的影响.通过研究得到如下结论:

(1)根据病害类型，绘制了后浇带病害平面图，由病害统计可知:裂缝一般先出现在后浇带边缘与伸缩箱相连的地方，继而沿着伸缩箱方向往中心扩展，最后裂缝扩展相互连接形成块状破坏体，不利于行车安全;

图11 温度应力

图12 动态应力变化规律图(1t 轴重)

(2)根据计算可知，后浇带最大应力位于边缘处，且与伸缩箱相接处的位置应力幅值最大，故而易发生开裂破坏，这与实际相符;

(3)温度对后浇带亦会产生影响，其影响相对车辆影响较小;研究表明，车辆是引起后浇带疲劳的主要原因，相关研究结果为改进后浇带力学性能提供了参考.

［1］ 李健.浅谈伸缩缝与后浇带的应用与技术措施［J］.民营科技，2012(08):256.

［2］ 东南大学桥面铺装课题组.苏通大桥钢桥面铺装设计、科研与咨询(阶段报告)［R］.南京:东南大学，2006.

［3］ 陈先华，黄卫，程刚，等.苏通大桥钢桥面环氧沥青混凝土铺装施工作业指导书(修订版B)［R］.南京:东南大学，2007.

［4］ 东南大学桥面铺装课题组.苏通大桥伸缩缝混凝土桥面后浇带铺装维修方案设计［R］.南京:东南大学，2014.

［5］ 王晓，周建华，姚波.苏通大桥伸缩缝后浇带浇注式环氧树脂混合料设计［J］.公路交通科技，2008(04):19－20.

［6］ 陈艾荣，马如进，许艳梅.苏通大桥运营阶段车辆荷载识别及其特性［J］.重庆交通大学学报(自然科学版)，2013:729－733.